封閉式智能測(cè)控一體化閘門系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

江 濤，鄧朝仁，劉雙美，麻澤龍，李 騰

(1.四川省水利水電工程移民中心，成都，610000；2.四川省水利科學(xué)研究院，成都，610072)

0 引言

灌區(qū)是農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，推進(jìn)灌區(qū)現(xiàn)代化改造并實(shí)現(xiàn)節(jié)水增效是促進(jìn)鄉(xiāng)村振興、保障國(guó)家糧食安全的重要途徑之一[1-2]。作為重要水利工程設(shè)施，閘門的智能遠(yuǎn)程控制和過(guò)水精準(zhǔn)計(jì)量關(guān)乎農(nóng)業(yè)水資源的利用效率和效益，是灌區(qū)水資源調(diào)控不可忽視的重要環(huán)節(jié)[3-4]。相較于灌區(qū)干渠、支渠等大型渠道，斗渠、農(nóng)渠等中小型渠道易受建設(shè)資金、工況環(huán)境等因素限制，導(dǎo)致閘門自動(dòng)化控制、過(guò)水計(jì)量等設(shè)備設(shè)施配置率嚴(yán)重不足，成為制約灌區(qū)水資源高效利用的瓶頸[5-6]。為此，許多學(xué)者圍繞測(cè)控一體化閘門及其調(diào)控技術(shù)開(kāi)展了研究。目前，測(cè)控一體化閘門已實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電源、機(jī)械結(jié)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)、感知設(shè)備和無(wú)線通信模塊等組件的一體化集成，但相關(guān)研究集中于采用傳統(tǒng)的槽閘或板閘進(jìn)行集成控水，測(cè)控一體化閘門在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在的設(shè)備穩(wěn)定性差、淤積頻繁、測(cè)水?dāng)?shù)據(jù)偏差、密封性較差等系列問(wèn)題仍未能很好地解決[7-9]。本研究在充分總結(jié)灌區(qū)小型渠道輸配水控制需求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研發(fā)了一種封閉式智能測(cè)控一體化閘門系統(tǒng)，以期為促進(jìn)灌區(qū)末端渠系輸水智能化控制和精準(zhǔn)化計(jì)量，提升農(nóng)業(yè)水資源利用效率與管理水平提供技術(shù)支撐。

1 封閉式測(cè)控一體化閘門系統(tǒng)架構(gòu)

針對(duì)灌區(qū)多數(shù)渠系末端分水節(jié)點(diǎn)面臨位置偏僻、交通不便、供電困難、工況環(huán)境差、垃圾多易堵塞、難以修建標(biāo)準(zhǔn)渠系斷面等使得控水管理困難的問(wèn)題，本研究基于安全耐用、可靠、操作簡(jiǎn)捷的原則，研發(fā)了一種封閉式測(cè)控一體化閘門系統(tǒng)。系統(tǒng)由封閉式閘井、太陽(yáng)能電源、視頻監(jiān)控、過(guò)水計(jì)量設(shè)施、測(cè)控系統(tǒng)等關(guān)鍵功能器件組成。封閉式閘井采用集多功能為一體的封閉式閘室結(jié)構(gòu)，使所有功能器件運(yùn)行使用均在箱體完成。系統(tǒng)采用太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)以解決供電問(wèn)題、選用電磁流量?jī)x實(shí)現(xiàn)流量精準(zhǔn)計(jì)量、采用物聯(lián)網(wǎng)方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，測(cè)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)各單元數(shù)據(jù)采集、匯總、上傳，移動(dòng)和PC端無(wú)線遠(yuǎn)控。系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2 封閉式測(cè)控一體化閘門系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 封閉式閘井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

封閉式閘井外部結(jié)構(gòu)由底座、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)和頂節(jié)組成，閘室、閘井及井蓋采用玄武巖纖維制作，避免銹蝕。頂節(jié)蓋板門采用液壓撐桿式門鉞，采用掃描二維碼開(kāi)鎖和密碼開(kāi)鎖兩種模式進(jìn)行封閉式管理，實(shí)現(xiàn)防盜和設(shè)備保護(hù)；系統(tǒng)采用封閉式閘井預(yù)制件以整體成型的方式制作，便于現(xiàn)場(chǎng)安裝。閘井內(nèi)部可集成包括進(jìn)水管、出水管、閘門組和啟閉機(jī)組和流量計(jì)等設(shè)備，所有功能器件均在箱體內(nèi)運(yùn)行，為設(shè)備提供安全、穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境；閘井內(nèi)水流通過(guò)管道流出使得井內(nèi)干燥無(wú)水，設(shè)備不易受銹蝕等影響，進(jìn)一步提升運(yùn)行穩(wěn)定性；進(jìn)出水管道間采用波紋管連接，便于檢修和清淤。閘井結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 閘井結(jié)構(gòu)

2.2 測(cè)流方案選擇

已有研究中，針對(duì)閘門測(cè)流的方案較多，包括雷達(dá)流速儀法、超聲波時(shí)差法、上下游水位法等，不同的測(cè)流方法在輸配水工程應(yīng)用示范研究中取得了一定的效果，但由于不同廠商設(shè)備的種類、測(cè)流控制方式及渠系環(huán)境多種多樣，產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)要求參差不齊，且目前國(guó)家沒(méi)有測(cè)控一體化閘門的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致在灌區(qū)實(shí)際運(yùn)用中，用水測(cè)量精度很難得到供需水雙方的認(rèn)可[10-11]。因此，在閘井機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，分水口分水采用圓形管道過(guò)水方式便于過(guò)水計(jì)量。按照《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》(GB/T 21303-2017)要求，管道宜采用管道流量計(jì)法進(jìn)行過(guò)水流量測(cè)量。因此，本研究選用取得原國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局認(rèn)定計(jì)量許可的測(cè)流設(shè)備“電磁流量?jī)x”進(jìn)行流量測(cè)量，流量計(jì)安裝在出水管末端長(zhǎng)直管道位置，實(shí)現(xiàn)過(guò)水流量精準(zhǔn)計(jì)量。

2.3 電器設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用PLC控制器實(shí)現(xiàn)閘門的啟閉控制，在具備必要的權(quán)限(通信、軟件權(quán)限、用戶權(quán)限)情況下，操作人員可通過(guò)PC端或手機(jī)移動(dòng)APP端下達(dá)閘門遠(yuǎn)程控制命令以控制現(xiàn)場(chǎng)閘門啟閉。硬件系統(tǒng)主要由PLC控制器、電氣元器件、傳感器等設(shè)備構(gòu)成。PLC負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和控制功能實(shí)現(xiàn)，閘門的開(kāi)度通過(guò)專用傳感器設(shè)備與PLC進(jìn)行通訊，PLC模塊通過(guò)網(wǎng)口與管理中心上位機(jī)進(jìn)行通訊。系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)卡作為通訊方式，以提供系統(tǒng)運(yùn)行指令發(fā)送、數(shù)據(jù)信息采集所需流量?？紤]到測(cè)控一體化閘門系統(tǒng)多安裝于野外，渠系供電不便，因此，采用太陽(yáng)能光伏供電方式供電，選用高效光伏板和蓄電池，根據(jù)閘門啟閉功耗、數(shù)據(jù)采集頻次等計(jì)算用電功率、選擇光伏板和蓄電池參數(shù)并留足余量，確保陰雨天氣閘門系統(tǒng)仍能穩(wěn)定運(yùn)行。為實(shí)現(xiàn)閘控的遠(yuǎn)程操控和無(wú)人值守的目的，系統(tǒng)集成閘旁視頻監(jiān)控系統(tǒng)接口并建立視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)除采集閘控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)外，還通過(guò)閘井旁視頻監(jiān)控，為管理者操控設(shè)備提供優(yōu)越的視覺(jué)解決方案，并有效地防止事故及人為破壞事件發(fā)生。

2.4 控制管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

為滿足試驗(yàn)和小團(tuán)體用戶使用要求，本研究設(shè)計(jì)了小規(guī)?？刂乒芾砥脚_(tái)，平臺(tái)主要支持?jǐn)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)查看、遠(yuǎn)程控制、報(bào)警接收、數(shù)據(jù)處理等功能，實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP客戶端和PC端遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)信息查閱和管控。系統(tǒng)支持各閘控站閘位、開(kāi)度、流量及視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)查詢；支持設(shè)定流量控制功能，用戶可以根據(jù)需要流量調(diào)節(jié)閘門開(kāi)度，從而調(diào)節(jié)閘后流量到需要的數(shù)值；支持遠(yuǎn)程報(bào)警接收與管理功能，數(shù)據(jù)、設(shè)備異常時(shí)通過(guò)手機(jī)APP、手機(jī)短信、郵件方式自動(dòng)報(bào)警；支持?jǐn)?shù)據(jù)管理，根據(jù)用戶需要管理的數(shù)據(jù)分析和圖表系統(tǒng)按照設(shè)定自動(dòng)生成“日?qǐng)?bào)表”“月報(bào)表”，并定期發(fā)送郵件給指定的管理者或責(zé)任人，幫助運(yùn)管單位掌控渠道信息。此外，考慮用戶個(gè)性化需求，平臺(tái)支持對(duì)灌區(qū)其他功能數(shù)據(jù)提供對(duì)接接口，便于進(jìn)行功能拓展和升級(jí)，以更好地發(fā)揮系統(tǒng)效益。

3 工程應(yīng)用示范

3.1 試點(diǎn)基本情況

東風(fēng)渠灌區(qū)地處成都平原腹心地帶，灌溉面積19.448萬(wàn)hm2，承擔(dān)著四川省成都、眉山兩市二十個(gè)縣(市、區(qū))的農(nóng)田灌溉與成都市生活、工業(yè)及環(huán)境供水任務(wù)。經(jīng)過(guò)多年建設(shè)，目前灌區(qū)干、支渠重要閘門已基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，對(duì)規(guī)模以上取用水戶實(shí)現(xiàn)了用水實(shí)時(shí)計(jì)量。但由于灌區(qū)內(nèi)水利樞紐工程數(shù)量較多，取水節(jié)點(diǎn)較為龐雜，渠系末端自動(dòng)化設(shè)備配置缺失嚴(yán)重。灌區(qū)目前渠系末端分水洞多為管道式下穿渠堤引水，通過(guò)安裝在渠道內(nèi)坡的手動(dòng)螺桿式啟閉機(jī)配套鑄鐵閘門進(jìn)行調(diào)節(jié)，啟閉機(jī)放置于閘房、閘井或者露天中，閘門止水效果差，缺少計(jì)量設(shè)施，末端渠系輸配水控制與計(jì)量已成為當(dāng)前灌區(qū)管理的痛點(diǎn)問(wèn)題。

3.2 示范成效

針對(duì)試點(diǎn)區(qū)域存在的問(wèn)題，本研究在東風(fēng)渠管理處灌區(qū)選取了20個(gè)分水口站點(diǎn)進(jìn)行測(cè)控一體化閘門示范。結(jié)果表明：封閉式閘井設(shè)計(jì)為設(shè)備提供了較好的運(yùn)行環(huán)境、增加了安全防護(hù)能力，系統(tǒng)在野外現(xiàn)場(chǎng)條件下能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行；通過(guò)模塊式拼裝，到現(xiàn)場(chǎng)可以直接安裝，簡(jiǎn)化安裝程序，降低了土建成本；系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)頻率和技術(shù)要求較低，運(yùn)行成本低；管理者可通過(guò)PC端和手機(jī)APP客戶端實(shí)現(xiàn)信息查閱和閘門遠(yuǎn)程控制，可顯著減少人力成本，提升管理效率。該系統(tǒng)在中小型渠道尤其是分水洞的輸配水控制和水量計(jì)量方面具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。圖3為測(cè)控一體化閘門安裝實(shí)現(xiàn)。

圖3 測(cè)控一體化閘門現(xiàn)場(chǎng)安裝

4 結(jié)語(yǔ)

(1)封閉式閘井實(shí)現(xiàn)了閘門、計(jì)量設(shè)施、電氣設(shè)施等功能器件在閘室內(nèi)集成，提升了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。

(2)運(yùn)用管道過(guò)水方式，便于水量計(jì)量，同時(shí)確保井內(nèi)設(shè)備處于無(wú)水運(yùn)行狀態(tài)，可延長(zhǎng)閘室內(nèi)設(shè)備的使用壽命，便于維護(hù)管理。

(3)系統(tǒng)集成了控制、傳輸、計(jì)量、監(jiān)控等功能于一體，具有功能齊全，操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，適用于中小型渠道輸配水管理。

(4)為確保其在應(yīng)用中對(duì)供需水雙方的公信力，本研究選用了電磁流量計(jì)進(jìn)行過(guò)水流量計(jì)量，下一步宜開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)驗(yàn)證流量測(cè)量精度。