引言
目前,我國灌溉用水量約占總用水量的 60% 以上,大部分灌區輸水系統中使用的傳統分水和節制閘門,均采用單閘門的離散手動操作和開環控制,測流計量和灌溉方式粗放,渠道輸水過程中經常出現“退水”現象,水流失十分嚴重?！笆晃濉蹦┤珖r業灌溉用水有效利用系數的預期指標為 0. 5,大部分灌區的實際水有效利用率不到 50%,灌溉水的利用率和利用效益較低。國外的灌區自動輸水控制技術開發較早,澳大利亞通過采用渠道控制系統,將墨爾本維多利亞北灌區幾千公里渠道的灌溉水有效利用系數提高至 84% ~90%,并且實現了全流域動態調水與灌溉自動化。我國相關的研究起步較晚,設備技術落后,現有測流裝置和分水控制閘門各自獨立,信息融合與系統集成成本高,不能滿足建設自動化灌區的需求。本文面向我國各型灌區自動化建設的迫切應用,基于明渠測流理論,研究具有測流計量功能的自動化閘門及其控制系統; 融合廣域無線物聯網技術,實現閘門終端的遠程無線測控,通過全流域閘門集群系統的協同控制,以期實現灌區高效、精確、按需配水,提高水資源的利用率和利用效益。
1、 閘門測流原理與系統構成
1. 1 矩形平板閘門測流原理
矩形平板閘門具有占地面積小、驅動功耗低、安裝方便等優點,性價比高,非常適合在各型灌區中使用。根據明渠測流理論,矩形平板閘門通過閘門開度調節流量,當開度水位之比 e/H≤0. 65 時,屬于閘孔出流狀態; 當 e/H >0. 65 時,為堰流狀態。閘孔出流又分為自由出流和淹沒出流,如果下游水位不影響閘下流出的射流,稱之為自由出流; 反之,稱為淹沒出流,如圖 1 所示。圖中,H 為閘前水位,ht為下游水位,e 為閘孔開度,這 3 個參數可采用傳感器測量得到; H0為包含水流動能的閘前總水頭,在灌區渠系應用中,水流速度 v0較小,實際應用中忽略動水位 v20/ \\(2g\\) ,用 H 代替 H0。
采用閘門進行測流時,需根據不同流態采用不同的流量計算方法。根據閘門安裝和使用條件,出流狀態依照圖 2 所示的流程進行判別。
m0———流速系數
a———堰高,閘門安裝后 a 為一個確定值
國內、外學者對此開展了深入的研究,證明在不同安裝及流態條件下,明渠閘門的流量計算系數取值不同,對測流精度影響較大,本文中,各計算系數設計為智能可調參數,方便根據使用條件進行調整。
1. 2 系統構成
基于遠程自動計量閘門的動態調水系統通過將流量測量、上下游水位和閘門控制結合為一個整體來精確控制渠道輸水。采用解耦控制使水位波動降至最低,確保所有分水口供水穩定; 通過按需供水及訂水計算機網絡化,提高農業用水利用率; 用水戶可根據自己需要通過手機或網絡訂水,系統控制相應的閘門定時定量的分水灌溉。一個完整的自動計量閘門動態調水系統構成如圖 3 所示。
圖 3 中,灌區全流域動態遠程調水控制系統安裝于調度中心的服務器上,通過廣域無線通信技術實現對安裝于各級渠系上的閘門終端遠程監控,實現動態調水控制,同時處理手機和網絡客戶端的訂水及控制指令; 遠程自動計量閘門集群是實現全流域自動動態調水的關鍵終端設備,主要由機械本體、控制系統、電源系統 3 部分組成。
2、 自動計量閘門設計
2. 1 機械結構設計
自動計量閘門的機械結構如圖 4 所示,主要包括閘門框架、閘門門板、密封條、升降桿、鋼線拉繩、繩輪、減速機、驅動電動機和傳感器等。閘門啟閉過程為: 步進電動機的驅動力矩通過減速機傳遞到傳動軸,傳動軸帶動鋼繩卷輪轉動,從而牽拉閘門開啟或關閉。
保障閘門的正常啟閉是機械設計的關鍵,常見的螺桿式閘門啟閉裝置為單點受力結構,門板在上下運動中容易側斜、卡阻; 而一般的卷揚式閘門啟閉機,需依靠門板自重實現閘門閉合,容易造成卡阻,不適用于小型閘門。
設計一種對稱雙輪雙向卷拉驅動機構,門板的施力點對稱布置,2 個卷輪的線槽分別設計為左、右向螺旋,門板啟閉運動過程中 2 個受力點始終保持對稱和同步,上下運動均受到升降桿對稱的同向驅動力作用,可有效避免門板走偏卡阻及門板底部一端翹起的情況。繩輪結構如圖 5 所示。
為減輕供電系統負荷,設計一種基于蜂窩技術的輕量化、高強鋁合金復合門板,主體框架采用高強鋁合金,空腔內復合了蜂窩結構壓粘面板,慣量小于實心鋁板的 50%,并滿足高水壓下的強度和剛度要求。
2. 2 終端控制系統設計
遠程自動計量閘門終端控制系統的主要功能有: 閘門啟閉運動控制、傳感器數據采集及測量計算、遠程無線通信功能、多模式閘門控制、本地操作及信息顯示等。
\\(1\\) 控制系統總體方案
遠程自動計量分水閘門的控制系統硬件組成如圖 6 所示,主控模塊采用 ARM Cortex M4 系列的主控芯片,包括數據采集接口、無線通信接口、電動機驅動接口、限位開關接口、LCD 模塊和數據存儲模塊等。
\\(2\\) 測量系統設計
根據明渠測流理論,通過閘門計量流量,至少要測量閘前水位 H、閘后水位 ht和閘門開度 e 等 3 個參數。傳感器的布置如圖 7 所示,水位傳感器選用水壓型水位傳感器,選用單圈 14 位分辨率的絕對值旋轉編碼器作為閘門開度傳感器,通過測量電動機的旋轉位置實現對閘門開度的測量。
\\(3\\) 無線通信模塊
閘門安裝點離散分布,架設專用有線網絡成本很高,無線通信方案是理想的選擇。GPRS 無線傳輸方案的傳輸距離則不受空間距離限制,傳輸速率滿足應用要求,可實現大范圍內設備的遠程控制?；陔p頻 GPRS 模塊 SIM900A 開發的無線通信模塊如圖 8 所示,通過 RS232 接口與主控板通訊。
2. 3 電源系統設計
由于閘門安裝在各級渠系上,絕大多數情況下無法從電網取電供給閘門控制系統工作,本文設計了太陽能供電系統如圖 9 所示。最大規格閘門電控系統滿負荷功耗為 148 W,靜態節能模式下功耗小于 15 W,電源系統配置為:24 V、100AH 的蓄電池組、200 W 的太陽能板,基本保障連續 10 d 陰天情況下閘門供電正常。電源模塊轉換出控制系統需要的各種電壓信號; 控制器檢測供電系統的電量,實現對電源的用電管理,具有過充、過放保護和切換節能模式等功能。
3、 遠程調水控制系統設計
3. 1 閘門終端控制軟件
閘門控制軟件在 KeiluVision 4. 5 環境開發完成,包括閘門自動控制、分水計量、遠程通信、數據存儲、人機交互等功能,如圖 10 所示。
操作人員可以通過閘門終端控制軟件查看當前水位信息、累計流量、閘門狀態以及控制閘門開度,選擇分水模式等。為滿足不同應用要求,設計了 6 種工作模式: 流量控制模式、定位控制模式、閘前水位控制模式、閘后水位控制模式、提灌控制模式和聯動控制模式。在每種工作模式下,實時流量都由控制系統計算并發回遠程控制中心。
3. 2 遠程調水控制軟件
全流域動態調水遠程控制系統的主要功能包括: 灌區所有自動計量閘門的遠程實時監控、全流域動態調水解耦控制、各級用戶用水與訂水信息管理、流域歷史水情分析等。
調水工程空間跨度大,水流輸送過程具有大時滯特性,同時渠系中單個閘門的開度變化會引起上、下游多個渠池的水位和流量變化,如果控制不當會引發水位波動的持續震蕩,影響輸水效率和工程的安全運行。動態調水解耦控制軟件包通過“反饋 +前饋”算法、變量間的合理匹配、整定控制器參數等算法解除渠池間耦合作用,有效降低甚至消除各個渠池間的相互影響,實現安全高效輸水。遠程動態調水控制軟件的開發環境為 VisualStudio 2010,數據庫平臺為 SQL Server 2008,主界面如圖 11 所示。
4、 應用試驗
4. 1 現場應用試驗
矩形平板計量閘門既可以作為節制閘使用,也可以作為分水閘使用,自 2012 年 12 月份開始,先后在山西省運城市的引黃灌區和太原市的汾河流域敦化灌區進行了閘門應用試驗。太原敦化灌區為冬季灌溉,運城北趙引黃灌區為蘋果種植區,春季至秋季進行灌溉。閘門控制器及現場應用情況如圖 12 所示。敦化灌區冬季室溫最低氣溫達到 - 20℃,北趙灌區夏季控制箱表面溫度超過 70℃,引黃灌區水的含沙量很大,從現場使用情況看,閘門各個子系統工作正常,遠程無線網絡通信穩定,水壓式傳感器對泥沙的適應能力強。
4. 2 計量數據分析
\\(1\\) 流量測量精度
2013 年 9 月,北趙南干渠五支分水閘,該閘門下游的支渠寬 1. 2 m,閘門凈過水寬度為 1. 168 m,采集閘門正常使用中的實際數據如表 1 所示。表 1 中的 Q'為閘門下游量水槽測量的流量,由表 1 可知,自由流狀態下,閘門測流的最大相對誤差4. 55% ; 淹沒出流狀態下測量誤差 8. 29% 。根據渠道和閘門設計匹配,閘門基本工作在自由流狀態。
\\(2\\) 水位控制精度
在兩個灌區試驗表明,閘門水位控制模式運行時,在可調節范圍內,閘前、閘后動態水位的控制誤差均小于 5 mm,確保渠道水位的動態平穩,可有效避免“退水”現象。
\\(3\\) 定位控制精度
由于采用步進電動機和高分辨率旋轉編碼器的技術方案,實際應用中閘門開度控制的定位誤差小于 1 mm。經水利部水工金屬結構質量檢驗測試中心的檢測,閘門的定位控制精度為 1 mm。
5、 結論
\\(1\\) 利用閘孔出流原理,結合傳感測量技術,實現了閘門的測流功能,將流量計量和分水控制功能融為一體,開發了測控一體化閘門終端,具有集成度高的優點,有利于灌區自動化建設。
\\(2\\) 設計了對稱雙輪雙向卷拉驅動機構和腔內蜂窩結構的輕量化門板,可以滿足閘門啟閉運動的高可靠性和低能耗要求。
\\(3\\) 開發了嵌入式自動計量閘門終端控制器,實現了閘門終端的智能控制和無線遠程通訊,設計了多種閘門工作模式,可以滿足灌區渠系的多樣需求。
\\(4\\) 基于 GPRS 遠程無線通信技術,開發了遠程動態調水控制系統,實現了對閘門終端集群的遠程監控與全流域聯動調水,有利于提高渠道的輸水效率和安全性。
\\(5\\) 應用試驗表明,閘門終端設備對水情和環境適應性強,性能穩定,水位動態控制精度小于5 mm,閘門定位控制精度為 1 mm,自由流條件的測流誤差小于 4. 6%,淹沒流測流誤差小于 8. 3%,控制精度高,完全能夠滿足我國各型灌區自動化建設及中小型調水工程的需求。
參考文獻:
1． 馮保清. 我國不同分區灌溉水有效利用系數變化特征及其影響因素分析[J]. 節水灌溉,2013\\(6\\) : 29 - 33.
