基于物聯網的渠道平板閘門系統研究

李翠蘭

(東港市水資源服務中心，遼寧 東港 118300)

0 引言

隨著經濟的快速發展，灌區也得到了有效的發展，為人類的各項農業活動提供保障。灌區是指提供灌溉和排水服務，考慮水資源和環境承載能力并滿足農作物用水需求的區域，提升管理效能、確保工程運行安全是建設現代化灌區的重要任務。許多學者對渠道平板閘門進行了大量的研究，胡明宇等人設計了U形渠道平板閘門，并通過試驗分析其水力性能。結果表明，U形平板閘門的水力性能較優，流量公式的測流精度較高，可為灌區U形渠道流量測量提供依據[1]。劉昉等人為研究平板閘門在動水閉門過程中可能出現的弱爬振現象的特性，通過改變上游水位使閘門產生弱爬振，并分析發生爬振前后閘門整體加速度、位移和不同部位局部應力的變化[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與理論分析相結合的方法，研究成果可為深孔平板閘門小開度的運行與防護提供借鑒[3]。戴冰清等人為對閘門進行優化設計，并確定合理的運行工況，針對平板閘門動態關閉過程，建立了三維非定常水氣兩相流模型，并進一步對不同因素綜合影響下閘門等效應力和形變的變化規律進行研究[4]。綜上所述，盡管以往的許多學者對灌區平板閘門進行了大量的研究，但目前灌區的的情況依然不容樂觀，仍有許多灌區存在著設備老化、灌溉效率低下等問題。因此，研究提出了基于物聯網的渠道平板閘門系統，以加強對灌區的信息化管理。

1 基于物聯網的渠道平板閘門系統設計

1.1 東港灌區概況

近年來，遼寧省積極采取多種措施來推動大中型灌區現代化改造，東港灌區位于中國遼寧省的東南部，東西長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。灌區總耕地面積7萬hm2，包括東港市的202個行政村，21個鄉、鎮、農場。灌區原規劃灌溉面積5萬hm2，有效灌溉面積3.83萬hm2，目前實際灌溉水田面積3.71萬hm2，是丹東市的主要水稻產區和遼寧省的大型灌區之一。目前，灌區內有提水站59座，總裝機7276kW，年設計提水量22996萬m3。大中小型水庫20座，年總調節水量32163萬m3。已建成2條主干渠，總長72.1km；分干渠11條，總長85.85；支渠233條，總長333.28km。排水總干溝1條，區內總長度25km；排水干溝26條，總長307km，排水支溝5條，總長670km。斗渠長3500km，每條平均1km，農渠每條0.35km。

目前灌區現有提水站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行要求。但東港灌區目前仍有11座提水站嚴重老化壞損，這些提水站均運行20a以上，最長達42a。工程與設備都嚴重老化，設備都是20世紀60—70年代的產品，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揮作用。以上問題嚴重影響了東港灌區的灌溉效率，亟待進行改造。隨著“十四五”任務的提出，東港灌區也面臨著向著現代化和信息化改造的重大挑戰。由于東港灌區大部分的提水站運行時間都較長，再加上維護工作的落實不到位，許多設備都出現了計量精度低，以及不同程度的老化等問題，難以滿足現代農業活動的供水需求[5]。針對這一問題，研究提出了基于物聯網的渠道平板閘門系統。

1.2 渠道平板閘門系統硬件設備選型

根據明渠平板閘門測流原理，明渠測流相對于封閉管道來說更為復雜，因其流速隨著流量而發生變化，且水流流動存在自由液面，底坎類型、閘孔水位以及上游水位的相對開度等因素都會影響到水流狀態的轉化條件[6]。在對閘門流量進行測定之前，首先要判別水流的流態，平板閘門的底坎采用平頂型。當閘門完全打開時，水流呈自由流出的狀態，上方不會受到閘門底部的阻擋，此時的水流流態為堰流。水躍位置會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發生水躍，閘孔的過流能力不會發生變化，此時為閘孔自由出流[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生水躍，閘孔過流能力降低，此時為閘孔淹沒出流。收縮斷面躍后共軛水深的計算公式為：

(1)

式中，Frc—收縮斷面的弗汝德數，表示收縮斷面水深；ε—垂向收縮系數。

堰流的計算式為：

(2)

式中，b—閘門寬度；m0—流速系數；H—堰上水頭；a—閘門高度。

閘孔自由出流的計算式為：

(3)

式中，e—閘門開度；μ0—流量系數，閘孔自由出流流量計算結果的不同主要與μ0的選取有關。

系統主要通過遠程計算機和移動端設備來對閘門進行控制，相關人員可對閘門以及閘門附近的水位進行實時監控，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的判斷，從而對過閘流量進行遠程控制。研究設計的基于物聯網的渠道平板閘門系統能夠將閘門開啟和關閉控制、閘門流量測量以及閘門前后的水位測定等多種功能結合在一起，有助于更好滿足各種農業活動的供水需求，精準地控制渠道的輸水量。渠道平板閘門系統的具體構成如圖1所示。

圖1 基于物聯網的渠道平板閘門系統構成

基于物聯網的渠道平板閘門系統的主要有5個功能：①采集水位數據和流量數據。②實時監測閘門的開啟高度和狀態信息，并在監控平臺上顯示。③檢測電機的運行狀態和電流信息，在出現故障時及時發出警報。④控制閘門電機轉向和攝像頭開斷。⑤傳輸水情數據。硬件設計分為水情監測設備、電源和閘門控制器3個部分。其中閘門控制器是硬件系統的核心，負責閘門的狀態檢測、攝像頭和閘門的啟閉控制以及水情數據的傳輸，還能夠提供對閘門進行現地控制的方法，便于現場調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、電動執行器、薄膜晶體管(Thin Film Transistor，TFT)顯示屏、一體化閘門控制器和閘門5個部分組成。本地啟閉按鈕可對閘門進行啟閉控制，但無法對開度進行精準控制。TFT顯示屏能夠幫助現場人員及時觀察閘門狀態和水流變化，獲得當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通過4G網絡相連，將采集到的信息上傳至本地服務器，并根據控制信息對閘門的啟閉進行控制。電動執行器主要由位置定位器和動力部件組成，在接收到來自一體化閘門控制器的控制命令后，對電機進行控制，實現遠程的閘門自動啟閉控制。水情監測設備由視頻傳感器、電磁流量計或雷達流量計組成。視頻傳感器能夠對閘門現場情況進行實時監測，進行基于視覺的水位識別[8]。流量計用于對過閘流量進行監測，電磁流量計位于水面以下，適用于于閘井測流，雷達流量計位于水面以上，適用于明渠測流。電源由太陽能板和大容量電池組成，能夠為系統進行持續供電，保證在夜間也能進行對閘門進行控制。電源架構如圖2所示。

圖2 基于物聯網的渠道平板閘門系統電源架構

核心處理器主要進行信息的采集、處理和執行相應的動作，是閘門終端自動化硬件設備中最重要的組成部分。針對工業環境的應用問題，可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)應運而生，可以隨時將控制指令載入內存進行執行和儲存，是一種具有微處理器的用于自動化控制的數字運算操作電子系統。研究選用在大型工業應用方面應用較多的西門子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雜的程序設計工作，具有運行速度快、性價比高、體積小、性能和通訊功能強等優點。研究選用PLC的中央處理器(Central Processing Unit，CPU)類型為DC/DC/DC。人機交互觸摸屏采用電磁屏蔽性良好、耐高溫、能夠適應野外復雜環境的TPC1071Gi觸摸屏，主要參數見表1。

表1 TPC1071Gi觸摸屏的主要參數

由于閘門的位置較為分散，因此為滿足閘門系統無線通訊的需求，研究采用無線通信GPRS/3G/4G，并選用TN-530-W4物聯網終端作為整個控制系統的核心通信部件，其可通過接口與PLC主機進行連接，從而接收控制指令，對閘門進行控制，以滿足大范圍內設備的遠程控制。研究選用的光電式旋轉編碼器的型號為SUNEFULL SF50J，既可以測量轉速，也可以判斷旋轉方向，可以電脈沖用來表示輸出軸的角速度和角位移等機械量，并以數字量的形式雙路或單路輸出。液位傳感器是一種測量液位的壓力傳感器，研究選取便于安裝維護的FMU30-AAHEABGHF超聲波液位計。

對于閘門的機械結構，研究選取SGDB-20ADG伺服驅動器來驅動閘門，選用WP2800蝸輪蝸桿減速機來對閘門進行減速，具有運行平穩、承載能力強、散熱快和噪聲小等優點。在閘門的運行過程中，ACM6020V36G-A5直流伺服電機主要由齒輪組件、位置傳感裝置、控制電路和直流電機四個部分組成。在閘門啟閉裝置運行的過程中，驅動軸的運行速度會在蝸輪蝸桿減速機的作用下減慢，同時通過傳動軸輸出轉換后的驅動力矩方向，帶動齒輪轉動，再帶動齒條升降，實現對閘門的啟閉控制。

1.3 自動控制系統設計

在自動控制系統中，采集的數據主要是閘門前后液位和閘門開度，閘門控制包括伺服驅動器、電機驅動接口、閘門、伺服電機和減速機，基于物聯網的渠道平板閘門系統中的自動控制系統的具體結構如圖3所示。

圖3 自動控制系統結構

在使用平板閘門測量流量時，研究采用水位傳感器和閘門開度傳感器來測量閘前后水深以及閘門開度等數據信息。選用超聲波液位計來作為系統的水位傳感器，兩個液位計的探頭的設置充分考慮了其盲區距離，并分別設置在閘門上游渠道和下游渠道的頂部。對于閘門開度傳感器，選用增量型旋轉編碼器，可通過內部光敏接受管轉化角度碼盤的相位和時序關系，對閘門開度進行測量。

人機界面能夠使操作人員遠程實時掌握當前的累計流量、水位信息和閘門狀態等內容，研究采用McgsPro軟件來進行設計，并通過網線與PLC建立起通訊連接。對于PLC的控制程序，研究在STEP 7-MicroWIN SMART上進行程序設計操作。PLC主機的輸出變量包括電機旋轉方向、伺服驅動器和剎車，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

遠程監控平臺對于灌區的信息化管理具有重要意義，研究采用虛擬網口工具、ECSManger軟件以及物聯網終端來設計遠程監控軟件，并通過網線建立控制終端和主機之間的通訊連接。在遠程監控平臺上可以進行基于物聯網的渠道平板閘門系統手動和自動控制兩種模式的切換，在自動控制模式下可以遠程設置閘門的升降高度。

2 基于物聯網的渠道平板閘門系統測試與運行

為驗證研究所提基于物聯網的渠道平板閘門系統的可行性，研究將系統在東港灌區中運行20d并進行測試，并為減輕紊流對閘門測流的影響，在距離消力池15m處的渠道中布置了本閘門系統。遠程控制響應時間和閘門開度控制誤差的測試如圖4所示。

圖4 遠程控制響應時間和閘門開度控制誤差測試結果

從圖4中可以看出，渠道平板閘門系統的遠程控制響應速度較快，最長響應時間為0.05s，閘門開度控制誤差減小，最大誤差為1mm，結果表明，基于物聯網的渠道平板閘門系統響應速度快、控制精度高，具有一定的可行性。

為驗證基于物聯網的渠道平板閘門系統的網絡傳輸效果，研究將系統在東港灌區中運行25d并進行測試，對系統運行過程中的數據丟包率進行分析，結果如圖5所示。

圖5 數據丟包率測試結果

從圖5中可以看出，基于物聯網的渠道平板閘門系統的數據丟包率較小，最高為0.052%，在可接受范圍內，且大部分情況下都趨近于0。結果表明，基于物聯網的渠道平板閘門系統網絡傳輸的效果較好，流量較為完整和可靠，具有一定的可行性。

綜上所述，研究設計的基于物聯網的渠道平板閘門系統能夠在東港灌區中有效地運行，且具有響應速度快、控制精度高、數據丟包率較小的優點，具有一定的可行性和有效性，有助于提高東港灌區的灌溉效率，加強信息化管理。

3 結論

針對東港灌區中許多提水站和設備都出現了計量精度低和老化等問題，研究提出了基于物聯網的渠道平板閘門系統，對閘門進行遠程監控，提高渠道輸水效率、減少水資源的浪費。根據系統在東港灌區的實際運行結果顯示，基于物聯網的渠道平板閘門系統能夠在東港灌區中有效地運行，且響應速度快、誤差小。研究結果為灌區的現代化、規范化建設提供了一定的方向。但受時間的限制，研究只選取了一些具有代表性的工況進行對比分析，這可能會影響系統的實際運行效果。因此，在進一步的研究中需要更全面地對過閘水流流場的數值進行模擬。