基于一體化設計的灌區測控系統研究

張建華

(燈塔市水利灌溉服務中心，遼寧 燈塔 111300)

閘門屬于一種最為常見的水利設施，對于水位控制、農業灌溉、城市供水等發揮著重要作用。然而，大多數灌區的閘門操作、流量計量仍然以配水員的手動操作和目測經驗來實現，分水控制、信息管理、測量計量等自動化程度偏低，灌區用水效率低且管理水平落后，距離自動化、信息化灌區建設目標仍具有較大差距[1]。

燈塔灌區位于遼陽市東北部，渠首引水工程建于太子河右岸葠窩水庫下游9km處，總控制面積420km2。燈塔灌區始建于1974年，當年參加建設的多為民工隊伍，施工經驗少，加之受極左路線的影響，工程急于求成，建設標準低、質量差，當時就沒有達到設計標準。現經50多年的運行，只有少部分建筑物經過更新改造，灌區存在的主要問題是大部分工程年久老化失修，管理落后。為緩解灌區水資源緊張的矛盾，提高灌溉保證率及渠系水有效利用率，減少渠系輸水損失，研究設計了集流量計量與遠程控制功能于一體的閘門系統。通過實時監測渠道閘門狀態遠方中心站可以實現全流域的協調控制，減少配水糾紛和減輕配水員工作強度的同時實現整個全區信息化管理、科學調度、精確配水，為促進灌區經濟持續穩定發展、水資源合理配置以及用水效率的提升提供技術保障。

1 灌區測控系統架構

以太子河流域燈塔灌區為例，引流至各個田塊的灌溉水均途徑農渠、斗渠、支渠和干渠。灌區管理網絡利用無線通信和傳感測量技術能夠實現全渠道覆蓋，并結合過閘總水量或目標過閘流量，以遠方控制中心站為樞紐使各農渠、斗渠、支渠閘門達到閉環控制，可真正實現按需供水、渠系少人管理或無人管理模式，測控系統架構如圖1所示。

控制中心站可以考慮用戶實際需求，采用無線通信技術發送控制目標信息，并遠程監控支渠、斗渠終端；接受指令后閘門終端驅動閘門升降，過閘流量與閘門開度信息用安裝于閘門內側的傳感器進行實時采集；然后按照反饋的數據及時修正閘門開度，以實現控制目標及分水口供水穩定[2]。

渠系建成后具有管理高效、信息完善、操作簡便、數據實時采集等功能，依據所采集的閘門開度、過閘流量等信息實現多級聯動一體化控制，可明顯提高灌水效率，充分發揮渠系灌溉功能[3]。

2 一體化測控系統設計

對于燈塔灌區單純的依靠原有渠道閘門還無法實現渠系閉環控制的目標，所以除了閘門自動升降外，測控一體化閘門系統還要有供電和測控系統，系統構成如圖2所示。

圖1 測控系統架構

圖2 測控系統組成

2.1 閘門機械結構

灌區原有渠道閘門升降為手動操作轉輪控制，板式鑄鐵閘門存在封水性能差、易銹蝕等問題。對此，在原有閘門基礎上設計測控一體化閘門，更換升降桿、閘門門板以及密封條等部件，噴涂防銹漆并配備開度編碼器、減速器、電機等。測控一體化閘門系統主要設備性能參數為：①JZB -A型開度編碼器，輸入直流電壓10-30V，輸出信號4-20mA，脈沖數4096；②SZ-RVD-1.2F-HX-F型渦輪蝸桿減速機，扁頭插銷型絲杠頭部，絲杠有效行程1200mm，直徑40mm，螺距7mm，減速比20∶1；③9DC90-48GN18型直流電機，輸出轉速1800r/min，直流電壓48V，功率90W。

電機提供驅動閘門螺桿升降的動力來源，其中減速機是將驅動力矩傳遞至傳動軸的關鍵環節。減速機不僅能夠提升扭矩、降低電機輸出轉速，而且蝸輪蝸桿減速器可以在系統掉電時保證閘門原有位置不變，及時發揮反向自鎖功能保持系統穩定，具有運行平穩、結構緊湊、傳遞扭矩大等特點。開度編碼器可以向系統測控模塊及時反饋所采集的閘門開度信息，提供系統決策所需的信號支持。

2.2 測控系統設計

在人機交互、信息采集、無線通信、閉環控制等過程中，測控系統發揮著重要功能，其數據交互流程如圖3所示。

圖3 數據交互關系圖

1)閘門閉環控制：由控制中心站設定過閘總水量或目標過閘流量，為保證所有分水口供水穩定要實時反饋渠道過閘流量，并及時修訂閘門開度。通過換算實時水位信息獲取過閘流量，該過程往往會應用到能夠測量明渠流量的巴歇爾槽，其基本原理是利用水位-流量關系及測量的槽內水流液位反求出流量[4]。因此，按照實時監測的閘后水位可以對實時過閘流量進行測算，考慮實時水位信息進一步修正渠道閘門開度，從而達到閉環控制的目的，主要控制流程如圖4所示。

2)閘門狀態信息采集：主要包括閘門開度、控制模式和過閘流量等。其中，閘門有遠程和現地2種控制模式，控制中心站在遠程模式下可對閘門實現遠程監控，而控制面板輸入功能在現地模式下能夠被解鎖；采用電機輸出側的開度編碼器以及閘后巴歇爾槽監測的實時水位信息獲取閘門開度、過閘流量等數據。

3)遠程無線通信：對于覆蓋范圍較大的灌區，一般采用抗干擾能力強、安全穩定的GPRS模塊進行無線傳輸，該模塊能夠提供可靠迅速的數據傳輸服務滿足用戶的需求。控制中心發送指令可以對閘門實現遠程控制，對于采集的工作狀態和渠道數據則由閘門終端測控模塊反饋至中心站[5]。

4)人機交互：現地用戶采用人機交互系統中控制柜內的面板按鈕，可以實現閘門停止、下降和上升控制，并且面板上的指示燈可以顯示閘門上下限位指示、設備古裝、電機運行狀態等信息。此外，顯示屏能夠對點源電壓、過閘流量、閘門開度、渠道水位等數據實時顯示。

圖4 閉環控制流程

2.3 供電系統設計

對于長期處于野外環境的閘門供電系統設計，可以選取太陽為供電來源，從而免去高低壓配電系統、變電站等設施建設，大大降低電力設施維護成本以及相應的工作量[6]。供電系統維護簡單且能夠獨立供電，其工作框架如圖5所示。

1)發電模塊：以矩陣式太陽能電池板和充電控制器，實現光-電轉換及蓄電池自動充電控制。

2)蓄電模塊：設計選用多節蓄電池實現系統的蓄電或全部電能儲備。

3)供電部分：將蓄電池中的直流電能轉換成供通訊模塊、測控模塊、顯示屏等各種用電設備所需的標準電壓，供電輸出維持系統的運行。

充電控制器：該軟件能夠實現系統各部分組合、連接以及蓄電池組充電的自動控制。

圖5 供電系統架構

2.4 系統控制模式

考慮到燈塔灌區位于偏遠地區的實際情況，為滿足實際控制需求設計了多種控制模式，如圖6所示。

圖6 系統控制模式

1)現地手動：該模式通常用于緊急突發或現場缺電的情況，用戶通過直接操作升降機實現對閘門的控制，手搖輪撤除后螺桿升降機的自鎖裝置能夠自動保持閘門的既定位置。

2)現地電動：執行該模式時必須符合現地條件，用戶現場實時操作閘門停止、下降、上升等控制面板上的按鈕，從而實現渠道閘門的控制。閘門開度的自動檢測則由開度編碼器完成，可在顯示屏中實時顯示渠道水位數據。

3)遠程控制：通過無線通信模塊中心站控制平臺，在遠程模式下能夠操作與控制渠道閘門，并且具有監視水庫信息、一體化閘門站信息、水位站信息等功能。

3 測控系統的運行試驗

燈塔灌區續建配套改造工程安裝使用了測控一體化閘門，實現了渠系管理信息化、灌區調度自動化和田間配水精準化等目標。

在閘門固定架上方單獨封裝機電裝置，包括閘門控制手輪、編碼器、升降機、減速器、控制電機等；現地控制柜內安裝有控制面板、顯示屏、通訊模塊、供電和測控口母愛，為了便于用戶操作固定在閘門附近。實際工程中，無需建設用于保護閘門終端的閘房，不僅大大降低了工程投資成本，而且具有較強的防破壞防盜功能，后期維護簡便，操作簡單。

1)遠程控制：用戶在遠程模式下選擇測站類型“閘門”，可以實現閘門測控一體化控制，并且可實時顯示最新數據時間、閘門狀態、開度、流量、水位等信息。對于所選閘門可以利用閘門監控模塊設置目標總量或流量，完成閘門的下降、上升等一系列操作。

2)綜合監視：渠道閘門綜合監視功能包括電池電壓、閘門狀態、流量、水位等信息的監視，考慮渠道類型、站名、所屬管理所、灌區等因素，可以實現統計和篩選查詢，并且可詳細定位與查詢水位站信息。

3)數據查詢：對于多個測站站點的水量、流量、水位等歷史數據可以利用該模塊進行查詢，利用月、日、小時、分鐘等多種數據時間類型有利于對灌區用水量的綜合管理。

4 結 論

在閘控系統計算、自動測量和控制中應用計算機網絡技術及現代測控技術形成的灌區測控一體化閘門系統，能夠實現科學分配、節制、輸送灌區水資源。測控一體化閘門系統能夠提高干、支渠運行響應能力，對干、支渠流量進行準確及時地調控，充分發揮實時控制與監測渠道閘門的功能。此外，該系統能夠快速有效的執行配水任務，徹底解決人工操作可能引起的不確定問題，保證了供水精準度，在提高灌區灌溉效益的同時極大的降低了操作人員的勞動強度，可以為灌區農業發展提供強有力的技術支持。