灌區(qū)中小渠道一體化測(cè)控平板閘門(mén)設(shè)計(jì)與測(cè)湍狀況分析

楊 志

(盤(pán)錦市興隆臺(tái)區(qū)農(nóng)業(yè)和水利服務(wù)中心，遼寧 盤(pán)錦 124010)

1 一體化測(cè)控平板閘門(mén)與測(cè)湍分析策略設(shè)計(jì)

1.1 一體化測(cè)控平板閘門(mén)設(shè)計(jì)

本文旨在介紹一種基于物聯(lián)網(wǎng)和PLC技術(shù)的一體化測(cè)控平板閘門(mén)的設(shè)計(jì)，并結(jié)合湍流分析策略對(duì)水流流動(dòng)特性進(jìn)行研究。該設(shè)計(jì)是作者的原創(chuàng)成果。一體化測(cè)控平板閘門(mén)是一種用于水利工程的設(shè)備，是通過(guò)搭載或集成傳感器和控制器等裝置，以實(shí)現(xiàn)水位、流量、閘門(mén)開(kāi)度等參數(shù)的測(cè)量和監(jiān)控，并通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)閘門(mén)開(kāi)度等方式實(shí)現(xiàn)水量控制和灌溉計(jì)量等功能一體化。研究設(shè)計(jì)的一體化測(cè)控平板閘門(mén)是基于物聯(lián)網(wǎng)和PLC技術(shù)的測(cè)控系統(tǒng)，通過(guò)將測(cè)算水位、測(cè)算流量和閘門(mén)調(diào)節(jié)有機(jī)地結(jié)合在一起，并利用無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離監(jiān)控和動(dòng)態(tài)性水調(diào)配，人機(jī)界面使數(shù)據(jù)可視化和操作更加方便。系統(tǒng)由水閘裝置、無(wú)線通信和遠(yuǎn)程監(jiān)控三大模塊組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)渠道輸水量的精確控制。該系統(tǒng)具有高水位報(bào)道及時(shí)良好應(yīng)用效果，旨在搭建為盤(pán)錦市數(shù)個(gè)學(xué)區(qū)及小城鎮(zhèn)提供管理決策支持、促進(jìn)區(qū)域防洪應(yīng)急與頻繁高水位任務(wù)有效應(yīng)對(duì)能力的一體化測(cè)控平板閘門(mén)，如圖1所示。

圖1 一體化測(cè)控平板閘門(mén)

測(cè)控一體化閘門(mén)由平板閘門(mén)、測(cè)量控制模塊、傳動(dòng)模塊和傳感模塊等構(gòu)成。矩形平板閘門(mén)采用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制，通過(guò)PLC編程實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門(mén)開(kāi)度的精確控制和調(diào)整。測(cè)控系統(tǒng)包括閘前、閘后水位計(jì)、液位計(jì)、壓差傳感器、流量計(jì)等測(cè)量設(shè)備，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)閘門(mén)前后水位、過(guò)閘流量等參數(shù)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸給PLC主機(jī)進(jìn)行處理。無(wú)線通信系統(tǒng)采用4G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信及數(shù)據(jù)傳輸。遠(yuǎn)距離監(jiān)控系統(tǒng)1、遠(yuǎn)距離監(jiān)控系統(tǒng)2為基于不同移動(dòng)端設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，遠(yuǎn)距離監(jiān)控系統(tǒng)3為基于物聯(lián)網(wǎng)控制終端的遠(yuǎn)程監(jiān)控。閘門(mén)控制系統(tǒng)1為閘門(mén)終端控制系統(tǒng)，閘門(mén)控制系統(tǒng)2為水閘裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)。通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息顯示、閘門(mén)控制、流量計(jì)算和異常報(bào)警等功能。操作者可在該系統(tǒng)中根據(jù)需要，監(jiān)測(cè)水位信息、流量、閘門(mén)狀態(tài)。提高閘門(mén)的自動(dòng)化控制水平，減少人工控制的不確定性，提高灌溉效率，同時(shí)可以降低能源消耗和運(yùn)行成本。一體化平板閘門(mén)的機(jī)械結(jié)構(gòu)由閘門(mén)框架、閘板、傳感器、減速器、馬達(dá)和驅(qū)動(dòng)器組成。在閘門(mén)啟閉操作中，伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)蝸輪蝸桿減速器完成減速行為，并輸出驅(qū)動(dòng)力矩。齒輪與齒條的聯(lián)結(jié)帶動(dòng)閘板升降，從而控制牽引閘門(mén)開(kāi)啟或關(guān)閉狀態(tài)。閘門(mén)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 閘門(mén)機(jī)械結(jié)構(gòu)

綜合考慮渠道的水位測(cè)控和閘門(mén)運(yùn)動(dòng)控制，設(shè)計(jì)的平板閘門(mén)采用縱向齒條穿過(guò)橫梁的設(shè)計(jì)，與閘板頂部相連，從而能有效地保證閘門(mén)在運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性。此外，伺服電機(jī)和蝸輪蝸桿減速機(jī)也安裝于框架橫梁上，以提供必要的動(dòng)力輸出。齒輪和齒條之間需要保持良好嚙合，這能夠確保設(shè)備運(yùn)行時(shí)的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性。為了提高設(shè)備的可靠性，該設(shè)計(jì)中使用了增量式編碼器，連接減速齒輪，將數(shù)據(jù)反饋到測(cè)控系統(tǒng)。此外，伺服馬達(dá)還具有自動(dòng)制動(dòng)的特性，保證斷電時(shí)閘板不會(huì)意外移動(dòng)。為了避免電氣故障對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的影響，設(shè)計(jì)中添加了升降系統(tǒng)。在智能控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，還可以使用外部連接桿進(jìn)行人工操作。從而實(shí)現(xiàn)閘門(mén)的升降運(yùn)動(dòng)。這個(gè)設(shè)計(jì)不僅能夠確保渠道的過(guò)水通暢，也提高了測(cè)控系統(tǒng)的可靠性。

1.2 測(cè)湍分析策略設(shè)計(jì)

在盤(pán)錦市的實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)采用本研究設(shè)計(jì)的一體化測(cè)控平板閘門(mén)系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)區(qū)域渠道輸水量的精確控制，提高了灌溉效率。同時(shí)，實(shí)際運(yùn)行中的能源消耗和運(yùn)行成本也都得到了有效降低，有力地支持了盤(pán)錦市水利工程的高效運(yùn)行。研究在設(shè)計(jì)一體化測(cè)控平板閘門(mén)下的湍流分析策略時(shí)，主要針對(duì)中小型渠道下的自由化出入湍流進(jìn)行分析，采用的流渠結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 流渠結(jié)構(gòu)

從圖3中可以看出，研究設(shè)計(jì)為檢測(cè)水力學(xué)性能，設(shè)計(jì)了一種測(cè)控一體化平板閘門(mén)模擬模型，將其布置在距離消力池15 m處的渠道中。閘門(mén)過(guò)水寬度達(dá)到0.6 m。該平板閘門(mén)的啟閉高度與當(dāng)下水位高度存在關(guān)系，只有在正確的啟閉高度下，才能確保閘門(mén)測(cè)流的準(zhǔn)確性。該研究的主要設(shè)備是在溝道端部安裝了隔水板和水循環(huán)系統(tǒng)。通過(guò)控制閘門(mén)開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)閘門(mén)下游水位的有效調(diào)控，確保了閘門(mén)出口水流暢通無(wú)阻。同時(shí)，為了防止水資源的浪費(fèi)，該系統(tǒng)采用水循環(huán)系統(tǒng)對(duì)管道內(nèi)的水進(jìn)行循環(huán)利用。這個(gè)設(shè)計(jì)能夠有效地減小水流進(jìn)入渠道時(shí)所產(chǎn)生的波動(dòng)，從而減小對(duì)閘門(mén)測(cè)流的影響。為了完整地分析水流的湍流現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一系列的測(cè)湍分析策略。首先，在平板閘門(mén)關(guān)閉的情況下，通過(guò)電子流量計(jì)按照一定流量加注水，測(cè)試水流動(dòng)態(tài)下的變化，并將數(shù)據(jù)記錄下來(lái)。然后，若平板閘門(mén)啟開(kāi)后水流中出現(xiàn)了較大的湍流現(xiàn)象，可以采集脈動(dòng)信號(hào)，分析湍流特性參數(shù)。最后，為了進(jìn)一步研究水流湍流現(xiàn)象，可以采用激光多普勒測(cè)速儀對(duì)水流速度的峰值、均值、波動(dòng)度、湍動(dòng)強(qiáng)度等參數(shù)的空間分布進(jìn)行測(cè)量。這樣的測(cè)湍分析策略，可以有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)水流湍流現(xiàn)象的全面檢測(cè)和分析，提高渠道的水力學(xué)性能和測(cè)量精度。研究在計(jì)算流量系數(shù)μ0時(shí)采用式(1)為基礎(chǔ)。

(1)

式中：H0為閘前總水頭；e為閘門(mén)開(kāi)度。類似常見(jiàn)的流量系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式還有Garbrecht公式、杜嶼公式等。研究采用最小二乘法將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，此時(shí)流量系數(shù)值近似計(jì)算如式(2)所示。

(2)

式中：A，B，C均為常數(shù)。常數(shù)值可以通過(guò)擬合方程進(jìn)行求解，擬合方程如式(3)所示。

(3)

為了分析平板式閘門(mén)的紊流，進(jìn)行了流量測(cè)量和水深檢測(cè)。本研究采用超聲液面儀對(duì)溝道上游和下游兩側(cè)的水深進(jìn)行測(cè)量，并利用增量式轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)位置的變化，獲得閘門(mén)開(kāi)度信息。該方法可在閘口前后進(jìn)行測(cè)量，為紊流分析提供數(shù)據(jù)支持。采用這種技術(shù)手段，能夠?qū)﹂l門(mén)控制效果進(jìn)行精確分析。同時(shí)超聲波液位計(jì)的盲區(qū)距離安裝高度已充分考慮，可準(zhǔn)確測(cè)量水深。兩個(gè)液位計(jì)的探頭分別位于上游渠道和下游渠道的頂部，可以確定橫截面積，進(jìn)而計(jì)算流量。采集到的數(shù)據(jù)可用于湍流分析，進(jìn)而設(shè)計(jì)相應(yīng)的流控措施，以優(yōu)化通流效果。設(shè)計(jì)的監(jiān)控平臺(tái)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控過(guò)閘流量，可以更加準(zhǔn)確地掌握水位情況，從而提高監(jiān)控的效率。此外，設(shè)備日志和異常報(bào)警功能，也能夠及時(shí)將監(jiān)測(cè)到的問(wèn)題反饋給操作人員，方便他們及時(shí)處理。歷史數(shù)據(jù)分析和遠(yuǎn)程下載更新等功能，則可以更好地支持監(jiān)控平臺(tái)的管理和維護(hù)。控制程序和人機(jī)界面軟件程序等相關(guān)控制模式，支持自動(dòng)和手動(dòng)控制，監(jiān)控軟件可以迅速更換控制模式，并達(dá)成自動(dòng)運(yùn)行，并及時(shí)反饋給操作人員，為了方便管理，可以將這些監(jiān)控及控制功能集中在一起，呈現(xiàn)給用戶，以達(dá)到全面管理和可視化控制的目的。

另外，在計(jì)算相對(duì)誤差時(shí)，采用基本的誤差法進(jìn)行計(jì)算，如式(4)：

Re=(Ac-Pc)/Ac

(4)

式中：Re為相對(duì)誤差；Ac為實(shí)測(cè)值；Pc為模擬值。

2 一體化測(cè)控平板閘門(mén)下的湍流分析

2.1 過(guò)閘流量分析

研究首先利用設(shè)計(jì)的測(cè)控與計(jì)算方式來(lái)進(jìn)行流量系數(shù)分析，分析過(guò)程中從不同閘門(mén)開(kāi)度角度出發(fā)，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Ac與擬合數(shù)據(jù)Pc進(jìn)行對(duì)比，并分析其間產(chǎn)生的相對(duì)誤差。具體結(jié)果如表1所示。

表1 流量系數(shù)分析結(jié)果

表1針對(duì)不同開(kāi)度下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了多數(shù)據(jù)種類的分析。數(shù)據(jù)中可以看出，不同閘門(mén)開(kāi)度下實(shí)測(cè)流量系數(shù)和擬合流量系數(shù)之間存在一定差異，這可能表明擬合模型存在誤差，在某些情況下無(wú)法準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)實(shí)測(cè)流量，這在擬合模型中是較為正常的現(xiàn)象，需要進(jìn)一步對(duì)誤差進(jìn)行確認(rèn)，進(jìn)而確定擬合模型的性能。通過(guò)確認(rèn)相對(duì)誤差，可以發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)流量系數(shù)和擬合流量系數(shù)之間的相對(duì)誤差比較小，這可能表明擬合模型在大多數(shù)情況下還是比較準(zhǔn)確的。從相對(duì)誤差的變化狀態(tài)中也可以注意到，計(jì)算流量與實(shí)測(cè)流量之間的相對(duì)誤差不太穩(wěn)定，具有較大的波動(dòng)范圍。這可能與多種因素有關(guān)，例如環(huán)境條件、測(cè)量?jī)x器誤差、計(jì)算公式等等。因此，在進(jìn)行過(guò)閘流量分析時(shí)，我們需要考慮和排除這些因素對(duì)誤差的影響，以提高計(jì)算流量的準(zhǔn)確性和可靠性。對(duì)比分析結(jié)果如表2所示。

表2 對(duì)比分析

在水利工程中，公式流量計(jì)算是常用的一種方法，其基本原理是根據(jù)水流經(jīng)過(guò)一定斷面的流速和流量之間的關(guān)系，推導(dǎo)出計(jì)算公式來(lái)預(yù)測(cè)水量流量。但是，在公式流量計(jì)算過(guò)程中，也存在一定的誤差或偏差，因此需要對(duì)不同的公式進(jìn)行精度分析，以便更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和計(jì)算水流量。對(duì)于不同的公式流量計(jì)算方法，可以采用Rmax和Cv兩種指標(biāo)來(lái)評(píng)估其計(jì)算精度。其中，Rmax為公式相對(duì)誤差的最大值，Rave為公式相對(duì)誤差的平均值，Cv為公式相對(duì)誤差的變異系數(shù)。根據(jù)上述不同指標(biāo)的計(jì)算值，可以評(píng)估公式流量計(jì)算方法的優(yōu)劣。Garbrecht計(jì)算方法、杜嶼計(jì)算方法、武漢水利學(xué)院計(jì)算方法和研究設(shè)計(jì)方式是常用的四種公式流量計(jì)算方法。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，研究設(shè)計(jì)方式的Cv值最大，達(dá)到了0.863，相對(duì)于另外三種公式，其精度更高。但是，在實(shí)際的水利工程中，往往需要根據(jù)實(shí)際情況選擇公式流量計(jì)算方法。針對(duì)不同的水流情況和流量計(jì)算需求，可以選擇不同的公式，但是從精度角度來(lái)看，研究設(shè)計(jì)的方法計(jì)算得到的流量具有更高的精度，在實(shí)際應(yīng)用中具有更大的優(yōu)越性。

2.2 流態(tài)分析

在進(jìn)行流態(tài)分析前，首先對(duì)不同工況下的閘前水位高度進(jìn)行分析，確認(rèn)實(shí)測(cè)值與模擬值是否能夠良好吻合，如表3所示。

表3 實(shí)測(cè)值與模擬值

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，在流量和閘門(mén)開(kāi)度變化的情況下，閘前水位高度存在一定的誤差。例如，在流量變化較小的情況下，控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制較為準(zhǔn)確，可以通過(guò)閘門(mén)開(kāi)度的調(diào)整來(lái)控制水流的流向和速度，從而使得閘前水位高度在一定的誤差范圍內(nèi)保持穩(wěn)定；而在流量變化較大的情況下，自動(dòng)控制誤差會(huì)相應(yīng)增大，需要采用其他控制手段來(lái)應(yīng)對(duì)流量變化，例如增加閘門(mén)數(shù)量或提高限流堤高度等。對(duì)閘門(mén)開(kāi)度的調(diào)整也會(huì)對(duì)閘前水位高度產(chǎn)生一定的影響，例如在流量為0.0342的情況下，閘門(mén)開(kāi)度增加會(huì)使得水位降低。流態(tài)分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 流態(tài)分析

圖4中水流深度1、水流深度2與水流深度3分別代表由淺到深的三個(gè)水流深度，在流量和閘門(mén)開(kāi)度變化的情況下，在閘前的某一范圍內(nèi)，渠道的水流變化比較平穩(wěn)，但當(dāng)接近閘口時(shí)，出現(xiàn)了一定程度的壅高現(xiàn)象，并隨著水流強(qiáng)度的增加而變得更加明顯。而在該渠道的下游，水流則相對(duì)穩(wěn)定。這種流態(tài)表明，在明渠自由出流的情況下，水流的流動(dòng)受到閘門(mén)開(kāi)度和流量等因素的影響，而壅高現(xiàn)象與流量之間呈正相關(guān)關(guān)系。因此，在進(jìn)行明渠自由出流的控制時(shí)，需要針對(duì)流量和閘門(mén)開(kāi)度等關(guān)鍵因素進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和控制，以確保水流流態(tài)的穩(wěn)定和流動(dòng)特性的優(yōu)化。

3 結(jié) 論

研究通過(guò)一種基于物聯(lián)網(wǎng)和PLC技術(shù)的一體化測(cè)控平板閘門(mén)的設(shè)計(jì)，結(jié)合湍流分析策略對(duì)水流流動(dòng)特性進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示研究設(shè)計(jì)方式的Cv值最小，為0.863，相比之下，Garbrecht公式、杜嶼公式、武漢水利學(xué)院公式的Cv值為分別1.099、0.887、0.927。這表明，研究設(shè)計(jì)方式具有更高的精度。在流態(tài)分析方面，水流的流動(dòng)受到閘門(mén)開(kāi)度和流量等因素的影響，壅高現(xiàn)象與流量之間呈正相關(guān)關(guān)系。在流量變化較小的情況下，系統(tǒng)的自動(dòng)控制較為準(zhǔn)確，可以通過(guò)閘門(mén)開(kāi)度的調(diào)整來(lái)控制水流的流向和速度，從而使閘前水位高度保持穩(wěn)定。本研究在盤(pán)錦市的實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果，具有較高的參考價(jià)值。