李翠蘭

(東港市水資源服務(wù)中心，遼寧 東港 118300)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，灌區(qū)也得到了有效的發(fā)展，為人類的各項(xiàng)農(nóng)業(yè)活動(dòng)提供保障。灌區(qū)是指提供灌溉和排水服務(wù)，考慮水資源和環(huán)境承載能力并滿足農(nóng)作物用水需求的區(qū)域，提升管理效能、確保工程運(yùn)行安全是建設(shè)現(xiàn)代化灌區(qū)的重要任務(wù)。許多學(xué)者對(duì)渠道平板閘門進(jìn)行了大量的研究，胡明宇等人設(shè)計(jì)了U形渠道平板閘門，并通過試驗(yàn)分析其水力性能。結(jié)果表明，U形平板閘門的水力性能較優(yōu)，流量公式的測(cè)流精度較高，可為灌區(qū)U形渠道流量測(cè)量提供依據(jù)[1]。劉昉等人為研究平板閘門在動(dòng)水閉門過程中可能出現(xiàn)的弱爬振現(xiàn)象的特性，通過改變上游水位使閘門產(chǎn)生弱爬振，并分析發(fā)生爬振前后閘門整體加速度、位移和不同部位局部應(yīng)力的變化[2]。龍志等人為研究深孔有壓隧洞平板閘門小開度閘后水力特性，采用了物理模型試驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的方法，研究成果可為深孔平板閘門小開度的運(yùn)行與防護(hù)提供借鑒[3]。戴冰清等人為對(duì)閘門進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并確定合理的運(yùn)行工況，針對(duì)平板閘門動(dòng)態(tài)關(guān)閉過程，建立了三維非定常水氣兩相流模型，并進(jìn)一步對(duì)不同因素綜合影響下閘門等效應(yīng)力和形變的變化規(guī)律進(jìn)行研究[4]。綜上所述，盡管以往的許多學(xué)者對(duì)灌區(qū)平板閘門進(jìn)行了大量的研究，但目前灌區(qū)的的情況依然不容樂觀，仍有許多灌區(qū)存在著設(shè)備老化、灌溉效率低下等問題。因此，研究提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的渠道平板閘門系統(tǒng)，以加強(qiáng)對(duì)灌區(qū)的信息化管理。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的渠道平板閘門系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 東港灌區(qū)概況

近年來，遼寧省積極采取多種措施來推動(dòng)大中型灌區(qū)現(xiàn)代化改造，東港灌區(qū)位于中國(guó)遼寧省的東南部，東西長(zhǎng)65km，南北寬約40km，總控制面積1352km2，瀕臨黃海，地處鴨綠江和大洋河的下游，有眾多的感河段。灌區(qū)總耕地面積7萬hm2，包括東港市的202個(gè)行政村，21個(gè)鄉(xiāng)、鎮(zhèn)、農(nóng)場(chǎng)。灌區(qū)原規(guī)劃灌溉面積5萬hm2，有效灌溉面積3.83萬hm2，目前實(shí)際灌溉水田面積3.71萬hm2，是丹東市的主要水稻產(chǎn)區(qū)和遼寧省的大型灌區(qū)之一。目前，灌區(qū)內(nèi)有提水站59座，總裝機(jī)7276kW，年設(shè)計(jì)提水量22996萬m3。大中小型水庫20座，年總調(diào)節(jié)水量32163萬m3。已建成2條主干渠，總長(zhǎng)72.1km；分干渠11條，總長(zhǎng)85.85；支渠233條，總長(zhǎng)333.28km。排水總干溝1條，區(qū)內(nèi)總長(zhǎng)度25km；排水干溝26條，總長(zhǎng)307km，排水支溝5條，總長(zhǎng)670km。斗渠長(zhǎng)3500km，每條平均1km，農(nóng)渠每條0.35km。

目前灌區(qū)現(xiàn)有提水站59座，前十一期工程共改造泵站35座，另有13座提水站目前基本能夠滿足運(yùn)行要求。但東港灌區(qū)目前仍有11座提水站嚴(yán)重老化壞損，這些提水站均運(yùn)行20a以上，最長(zhǎng)達(dá)42a。工程與設(shè)備都嚴(yán)重老化，設(shè)備都是20世紀(jì)60—70年代的產(chǎn)品，能耗高，效率低，泵站的裝置效率在20%～40%之間。此外，與泵站配套的水工建筑物年久失修，主要水工建筑物難以正常發(fā)揮作用。以上問題嚴(yán)重影響了東港灌區(qū)的灌溉效率，亟待進(jìn)行改造。隨著“十四五”任務(wù)的提出，東港灌區(qū)也面臨著向著現(xiàn)代化和信息化改造的重大挑戰(zhàn)。由于東港灌區(qū)大部分的提水站運(yùn)行時(shí)間都較長(zhǎng)，再加上維護(hù)工作的落實(shí)不到位，許多設(shè)備都出現(xiàn)了計(jì)量精度低，以及不同程度的老化等問題，難以滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)活動(dòng)的供水需求[5]。針對(duì)這一問題，研究提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的渠道平板閘門系統(tǒng)。

1.2 渠道平板閘門系統(tǒng)硬件設(shè)備選型

根據(jù)明渠平板閘門測(cè)流原理，明渠測(cè)流相對(duì)于封閉管道來說更為復(fù)雜，因其流速隨著流量而發(fā)生變化，且水流流動(dòng)存在自由液面，底坎類型、閘孔水位以及上游水位的相對(duì)開度等因素都會(huì)影響到水流狀態(tài)的轉(zhuǎn)化條件[6]。在對(duì)閘門流量進(jìn)行測(cè)定之前，首先要判別水流的流態(tài)，平板閘門的底坎采用平頂型。當(dāng)閘門完全打開時(shí)，水流呈自由流出的狀態(tài)，上方不會(huì)受到閘門底部的阻擋，此時(shí)的水流流態(tài)為堰流。水躍位置會(huì)影響到閘孔的出流情況，主要包括淹沒出流和自由出流2種類型。若收縮斷面水深的躍后共軛水深大于閘后渠道中的下游水深，則在收縮斷面下游或收縮斷面會(huì)發(fā)生水躍，閘孔的過流能力不會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)為閘孔自由出流[7]。若收縮斷面水深的躍后共軛水深小于閘后渠道中的下游水深，則在收縮斷面上游發(fā)生水躍，閘孔過流能力降低，此時(shí)為閘孔淹沒出流。收縮斷面躍后共軛水深的計(jì)算公式為：

(1)

式中，F(xiàn)rc—收縮斷面的弗汝德數(shù)，表示收縮斷面水深；ε—垂向收縮系數(shù)。

堰流的計(jì)算式為：

(2)

式中，b—閘門寬度；m0—流速系數(shù)；H—堰上水頭；a—閘門高度。

閘孔自由出流的計(jì)算式為：

(3)

式中，e—閘門開度；μ0—流量系數(shù)，閘孔自由出流流量計(jì)算結(jié)果的不同主要與μ0的選取有關(guān)。

系統(tǒng)主要通過遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)和移動(dòng)端設(shè)備來對(duì)閘門進(jìn)行控制，相關(guān)人員可對(duì)閘門以及閘門附近的水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過分析閘門開度及上下游水位的變化等信息做出相應(yīng)的判斷，從而對(duì)過閘流量進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。研究設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的渠道平板閘門系統(tǒng)能夠?qū)㈤l門開啟和關(guān)閉控制、閘門流量測(cè)量以及閘門前后的水位測(cè)定等多種功能結(jié)合在一起，有助于更好滿足各種農(nóng)業(yè)活動(dòng)的供水需求，精準(zhǔn)地控制渠道的輸水量。渠道平板閘門系統(tǒng)的具體構(gòu)成如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的渠道平板閘門系統(tǒng)構(gòu)成

基于物聯(lián)網(wǎng)的渠道平板閘門系統(tǒng)的主要有5個(gè)功能：①采集水位數(shù)據(jù)和流量數(shù)據(jù)。②實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)閘門的開啟高度和狀態(tài)信息，并在監(jiān)控平臺(tái)上顯示。③檢測(cè)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和電流信息，在出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)發(fā)出警報(bào)。④控制閘門電機(jī)轉(zhuǎn)向和攝像頭開斷。⑤傳輸水情數(shù)據(jù)。硬件設(shè)計(jì)分為水情監(jiān)測(cè)設(shè)備、電源和閘門控制器3個(gè)部分。其中閘門控制器是硬件系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)閘門的狀態(tài)檢測(cè)、攝像頭和閘門的啟閉控制以及水情數(shù)據(jù)的傳輸，還能夠提供對(duì)閘門進(jìn)行現(xiàn)地控制的方法，便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和排查故障工作的有效開展。閘門控制器由本地啟閉控制按鈕、電動(dòng)執(zhí)行器、薄膜晶體管(Thin Film Transistor，TFT)顯示屏、一體化閘門控制器和閘門5個(gè)部分組成。本地啟閉按鈕可對(duì)閘門進(jìn)行啟閉控制，但無法對(duì)開度進(jìn)行精準(zhǔn)控制。TFT顯示屏能夠幫助現(xiàn)場(chǎng)人員及時(shí)觀察閘門狀態(tài)和水流變化，獲得當(dāng)前閘門開度信息和前后水情信息。一體化閘門控制器與軟件平臺(tái)通過4G網(wǎng)絡(luò)相連，將采集到的信息上傳至本地服務(wù)器，并根據(jù)控制信息對(duì)閘門的啟閉進(jìn)行控制。電動(dòng)執(zhí)行器主要由位置定位器和動(dòng)力部件組成，在接收到來自一體化閘門控制器的控制命令后，對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的閘門自動(dòng)啟閉控制。水情監(jiān)測(cè)設(shè)備由視頻傳感器、電磁流量計(jì)或雷達(dá)流量計(jì)組成。視頻傳感器能夠?qū)﹂l門現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)行基于視覺的水位識(shí)別[8]。流量計(jì)用于對(duì)過閘流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，電磁流量計(jì)位于水面以下，適用于于閘井測(cè)流，雷達(dá)流量計(jì)位于水面以上，適用于明渠測(cè)流。電源由太陽能板和大容量電池組成，能夠?yàn)橄到y(tǒng)進(jìn)行持續(xù)供電，保證在夜間也能進(jìn)行對(duì)閘門進(jìn)行控制。電源架構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)的渠道平板閘門系統(tǒng)電源架構(gòu)

核心處理器主要進(jìn)行信息的采集、處理和執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，是閘門終端自動(dòng)化硬件設(shè)備中最重要的組成部分。針對(duì)工業(yè)環(huán)境的應(yīng)用問題，可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)應(yīng)運(yùn)而生，可以隨時(shí)將控制指令載入內(nèi)存進(jìn)行執(zhí)行和儲(chǔ)存，是一種具有微處理器的用于自動(dòng)化控制的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)。研究選用在大型工業(yè)應(yīng)用方面應(yīng)用較多的西門子PLC S7-200，這種PLC由于引入了編程工具箱，因此更適用于一些較為復(fù)雜的程序設(shè)計(jì)工作，具有運(yùn)行速度快、性價(jià)比高、體積小、性能和通訊功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。研究選用PLC的中央處理器(Central Processing Unit，CPU)類型為DC/DC/DC。人機(jī)交互觸摸屏采用電磁屏蔽性良好、耐高溫、能夠適應(yīng)野外復(fù)雜環(huán)境的TPC1071Gi觸摸屏，主要參數(shù)見表1。

表1 TPC1071Gi觸摸屏的主要參數(shù)

由于閘門的位置較為分散，因此為滿足閘門系統(tǒng)無線通訊的需求，研究采用無線通信GPRS/3G/4G，并選用TN-530-W4物聯(lián)網(wǎng)終端作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心通信部件，其可通過接口與PLC主機(jī)進(jìn)行連接，從而接收控制指令，對(duì)閘門進(jìn)行控制，以滿足大范圍內(nèi)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。研究選用的光電式旋轉(zhuǎn)編碼器的型號(hào)為SUNEFULL SF50J，既可以測(cè)量轉(zhuǎn)速，也可以判斷旋轉(zhuǎn)方向，可以電脈沖用來表示輸出軸的角速度和角位移等機(jī)械量，并以數(shù)字量的形式雙路或單路輸出。液位傳感器是一種測(cè)量液位的壓力傳感器，研究選取便于安裝維護(hù)的FMU30-AAHEABGHF超聲波液位計(jì)。

對(duì)于閘門的機(jī)械結(jié)構(gòu)，研究選取SGDB-20ADG伺服驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)閘門，選用WP2800蝸輪蝸桿減速機(jī)來對(duì)閘門進(jìn)行減速，具有運(yùn)行平穩(wěn)、承載能力強(qiáng)、散熱快和噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。在閘門的運(yùn)行過程中，ACM6020V36G-A5直流伺服電機(jī)主要由齒輪組件、位置傳感裝置、控制電路和直流電機(jī)四個(gè)部分組成。在閘門啟閉裝置運(yùn)行的過程中，驅(qū)動(dòng)軸的運(yùn)行速度會(huì)在蝸輪蝸桿減速機(jī)的作用下減慢，同時(shí)通過傳動(dòng)軸輸出轉(zhuǎn)換后的驅(qū)動(dòng)力矩方向，帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再帶動(dòng)齒條升降，實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門的啟閉控制。

1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，采集的數(shù)據(jù)主要是閘門前后液位和閘門開度，閘門控制包括伺服驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口、閘門、伺服電機(jī)和減速機(jī)，基于物聯(lián)網(wǎng)的渠道平板閘門系統(tǒng)中的自動(dòng)控制系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在使用平板閘門測(cè)量流量時(shí)，研究采用水位傳感器和閘門開度傳感器來測(cè)量閘前后水深以及閘門開度等數(shù)據(jù)信息。選用超聲波液位計(jì)來作為系統(tǒng)的水位傳感器，兩個(gè)液位計(jì)的探頭的設(shè)置充分考慮了其盲區(qū)距離，并分別設(shè)置在閘門上游渠道和下游渠道的頂部。對(duì)于閘門開度傳感器，選用增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，可通過內(nèi)部光敏接受管轉(zhuǎn)化角度碼盤的相位和時(shí)序關(guān)系，對(duì)閘門開度進(jìn)行測(cè)量。

人機(jī)界面能夠使操作人員遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)掌握當(dāng)前的累計(jì)流量、水位信息和閘門狀態(tài)等內(nèi)容，研究采用McgsPro軟件來進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過網(wǎng)線與PLC建立起通訊連接。對(duì)于PLC的控制程序，研究在STEP 7-MicroWIN SMART上進(jìn)行程序設(shè)計(jì)操作。PLC主機(jī)的輸出變量包括電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向、伺服驅(qū)動(dòng)器和剎車，輸入模擬量包括閘門開度以及閘前后水位。PLC變量及變量地址見表2。

表2 PLC變量定義

遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)對(duì)于灌區(qū)的信息化管理具有重要意義，研究采用虛擬網(wǎng)口工具、ECSManger軟件以及物聯(lián)網(wǎng)終端來設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件，并通過網(wǎng)線建立控制終端和主機(jī)之間的通訊連接。在遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)上可以進(jìn)行基于物聯(lián)網(wǎng)的渠道平板閘門系統(tǒng)手動(dòng)和自動(dòng)控制兩種模式的切換，在自動(dòng)控制模式下可以遠(yuǎn)程設(shè)置閘門的升降高度。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的渠道平板閘門系統(tǒng)測(cè)試與運(yùn)行

為驗(yàn)證研究所提基于物聯(lián)網(wǎng)的渠道平板閘門系統(tǒng)的可行性，研究將系統(tǒng)在東港灌區(qū)中運(yùn)行20d并進(jìn)行測(cè)試，并為減輕紊流對(duì)閘門測(cè)流的影響，在距離消力池15m處的渠道中布置了本閘門系統(tǒng)。遠(yuǎn)程控制響應(yīng)時(shí)間和閘門開度控制誤差的測(cè)試如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程控制響應(yīng)時(shí)間和閘門開度控制誤差測(cè)試結(jié)果

從圖4中可以看出，渠道平板閘門系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制響應(yīng)速度較快，最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間為0.05s，閘門開度控制誤差減小，最大誤差為1mm，結(jié)果表明，基于物聯(lián)網(wǎng)的渠道平板閘門系統(tǒng)響應(yīng)速度快、控制精度高，具有一定的可行性。

為驗(yàn)證基于物聯(lián)網(wǎng)的渠道平板閘門系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸效果，研究將系統(tǒng)在東港灌區(qū)中運(yùn)行25d并進(jìn)行測(cè)試，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)丟包率進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)丟包率測(cè)試結(jié)果

從圖5中可以看出，基于物聯(lián)網(wǎng)的渠道平板閘門系統(tǒng)的數(shù)據(jù)丟包率較小，最高為0.052%，在可接受范圍內(nèi)，且大部分情況下都趨近于0。結(jié)果表明，基于物聯(lián)網(wǎng)的渠道平板閘門系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男Ч^好，流量較為完整和可靠，具有一定的可行性。

綜上所述，研究設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的渠道平板閘門系統(tǒng)能夠在東港灌區(qū)中有效地運(yùn)行，且具有響應(yīng)速度快、控制精度高、數(shù)據(jù)丟包率較小的優(yōu)點(diǎn)，具有一定的可行性和有效性，有助于提高東港灌區(qū)的灌溉效率，加強(qiáng)信息化管理。

3 結(jié)論

針對(duì)東港灌區(qū)中許多提水站和設(shè)備都出現(xiàn)了計(jì)量精度低和老化等問題，研究提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的渠道平板閘門系統(tǒng)，對(duì)閘門進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高渠道輸水效率、減少水資源的浪費(fèi)。根據(jù)系統(tǒng)在東港灌區(qū)的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果顯示，基于物聯(lián)網(wǎng)的渠道平板閘門系統(tǒng)能夠在東港灌區(qū)中有效地運(yùn)行，且響應(yīng)速度快、誤差小。研究結(jié)果為灌區(qū)的現(xiàn)代化、規(guī)范化建設(shè)提供了一定的方向。但受時(shí)間的限制，研究只選取了一些具有代表性的工況進(jìn)行對(duì)比分析，這可能會(huì)影響系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果。因此，在進(jìn)一步的研究中需要更全面地對(duì)過閘水流流場(chǎng)的數(shù)值進(jìn)行模擬。