康蛇龍，張寬義，顏 華，王世隆

（1.河北省水利水電勘測設(shè)計研究院集團(tuán)有限公司，天津 300250；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實驗室，陜西 楊凌 712100）

明渠自流灌溉是灌區(qū)主要的灌溉輸水方式之一，閘門是調(diào)節(jié)渠道流量的基礎(chǔ)水工建筑物。測控一體閘門主要利用傳感器采集閘門開度和水位信息，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通信和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)對渠道流量的實時監(jiān)測和控制，其具備閘門啟閉、自動控制、流量測量、遠(yuǎn)程通信等功能[1-7]，并按照輸配水計劃控制渠道以給定水位或水量運(yùn)行。近年來，我國一些灌區(qū)陸續(xù)在干、支渠上引進(jìn)國外的測控一體閘，實現(xiàn)了閘門的自動化和信息化改造，提高了灌溉水利用效率。但由于各灌區(qū)斗、農(nóng)渠，及以下渠道類型各異、數(shù)量眾多，引進(jìn)的測控一體閘門應(yīng)用中仍然存在通信不穩(wěn)定、傳感器失效、參數(shù)有待優(yōu)化等問題[8-10]，自主研發(fā)適用不同灌區(qū)的新型測控一體閘門至關(guān)重要?；诖?，本文結(jié)合七一灌區(qū)輸配水渠道的特點(diǎn)，設(shè)計了不同規(guī)格的新型測控一體閘門，對于促進(jìn)灌區(qū)現(xiàn)代化和信息化建設(shè)、提高用水管理水平、推動農(nóng)業(yè)高質(zhì)量持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

1 七一灌區(qū)概況

七一灌區(qū)地處涿鹿縣桑干河南，涿鹿縣隸屬河北省張家口市，位于河北省西北部永定河上游，北京市西北部。灌區(qū)西起與宣化區(qū)接壤的石湖溝，東至五堡鎮(zhèn)的代家溝，南至石門溝口，北至桑南一干渠。七一干渠渠首自桑干河引水，末端尾水排入代家溝河。灌區(qū)覆蓋面積4 573.3 hm2，有效灌溉面積3 933.3 hm2，實灌面積3 527.3 hm2，其中自流灌溉面積2 557.3 hm2，揚(yáng)水灌溉面積970.0 hm2。七一干渠全長37.8 km，其中輸水總干渠16.9 km，有隧洞48 座，長83 km，設(shè)計過水能力12.0 m3/s；灌溉干渠21.0 km，有隧洞14 座長4.8 km，灌溉干渠21 支渠節(jié)制閘上游段設(shè)計過水能力5.0 m3/s，21支渠節(jié)制閘下游段設(shè)計過水能力3.0 m3/s。七一灌區(qū)處于太行山背風(fēng)區(qū)，屬于溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，田間用水受天氣影響較大，冬灌和春灌受冬季降雪量影響，夏灌受雨水影響。正常年份田間灌溉凈用水量為130 m3/667 m2，降水少的干旱年份，田間灌溉凈用水量為160 m3/667 m2。灌區(qū)以大田農(nóng)作物為主，其中有少量水果，玉米產(chǎn)量為900～1 050 kg/667 m2，水果產(chǎn)量為3 000 kg/667 m2。

七一灌區(qū)閘門自動化改造集中在民生渠、南二干渠、廣濟(jì)渠、合作二渠，共計建設(shè)測控一體閘門127 套，配套測流設(shè)施98 套，增設(shè)視頻監(jiān)控45 個，用于實時監(jiān)控各分水口閘門現(xiàn)場運(yùn)行情況及調(diào)度中心周邊環(huán)境。

2 測控一體閘門系統(tǒng)構(gòu)成及測流原理

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

測控一體閘門主要由閘體、控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和供電系統(tǒng)組成，包括門板、導(dǎo)軌、立柱、止水、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、防護(hù)罩等部分。其中，門板采用37 mm或60 mm厚的蜂窩鋁芯與5 mm 厚的鋁板復(fù)合壓制而成；立柱選用工業(yè)鋁合金制作擠出式型材連接成型，閘框連接接合面設(shè)計相應(yīng)的定位結(jié)構(gòu)，以保證裝配精度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括直流電機(jī)，編碼器和傳動軸。閘門啟閉過程如下：電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動傳動軸旋轉(zhuǎn)，編碼器記錄旋轉(zhuǎn)圈數(shù)和速度，傳動軸帶動導(dǎo)軌上下移動，聯(lián)動門板啟閉，雙導(dǎo)軌設(shè)計保證門板移動的穩(wěn)定性，避免發(fā)生偏移和卡頓；閘門采用大功率渦輪減速直流電機(jī)驅(qū)動，蝸輪蝸桿減速機(jī)具有反向自鎖功能，電機(jī)軸與啟閉機(jī)連接，通過電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制啟閉機(jī)轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)閘門板的上升和下降，緊急情況下可使用專用手柄對閘門進(jìn)行手動操作。電機(jī)配套自動化控制柜，使閘門實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和現(xiàn)地操作，滿足閘門開啟和關(guān)閉的自動化要求。測控一體閘門的結(jié)構(gòu)示意圖和實物圖，具體如圖1所示。

圖1 閘體結(jié)構(gòu)與實物圖Fig.1 Gate body structure and physical picture

閘門控制系統(tǒng)具備流量監(jiān)測和閘門自動控制功能，提供本地手動控制、閘門開度控制等功能。根據(jù)實時監(jiān)測的渠道水位流量，通過閘控軟件來控制閘門的開度，實現(xiàn)閘門的自動化控制。在閘門上下游配置水位計，實時監(jiān)測上游水位、下游水位、當(dāng)前流量、現(xiàn)場監(jiān)控等信息，通過通信系統(tǒng)將信息上傳至配水管理站、調(diào)度中心及各級水務(wù)機(jī)構(gòu)。根據(jù)七一灌區(qū)多年的灌溉用水量和渠道規(guī)格，設(shè)計的多種規(guī)格類型測控一體閘門水深范圍0.97～2.38 m、流量0.1～3 m3/s，涵蓋多數(shù)斗、農(nóng)渠過流范圍。測控一體閘門的具體參數(shù)如表1所示，通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示。

表1 測控一體閘門參數(shù)Tab.1 Parameters of measurement and control integrated gate

圖2 通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.2 Communication network topology

2.2 測流原理

灌區(qū)渠道流量測量有多種方式，常見的有水工建筑物量水、特設(shè)量水設(shè)備量水和儀器儀表量水等[11]。利用閘門測流屬于水工建筑物量水，在分水口設(shè)立平板閘門作為節(jié)制閘或分水閘，通過改變閘門開度大小控制渠道分水量。閘門測流的原理是閘孔出流，根據(jù)測得的閘門上下游水深和閘門開度計算過閘流量。當(dāng)閘門開度與上游水深之比e/H≤0.65 時，過流狀態(tài)為閘孔出流；e/H＞0.65時，過流狀態(tài)為堰流。閘孔出流又分為自由出流和淹沒出流，當(dāng)下游水深較小不影響閘門出流時為自由出流，反之則為淹沒出流。閘孔自由出流和淹沒出流計算與閘門開度、上下游水深有關(guān)，具體計算方式見文獻(xiàn)[12-13]。

式中：b為閘門寬度，m；H為閘門上游水深，m；e為閘門開度，m；g 為重力加速度，取9.81 m/s2；Q為過閘流量，m3/s；μ為自由出流流量系數(shù)；σs為淹沒出流流量系數(shù)。

測控一體閘門采用雷達(dá)水位計測得上下游水深，旋轉(zhuǎn)編碼器測得閘門開度，代入公式計算出流量，也可以根據(jù)目標(biāo)需求流量調(diào)整閘門開度。

3 測控一體閘門硬件設(shè)備組成

3.1 閘門開度傳感器

采用多圈絕對值編碼器AM-L50S80實時采集閘門高度，內(nèi)部有通過旋轉(zhuǎn)碼盤與轉(zhuǎn)軸（多轉(zhuǎn)軸）連動，閘門的機(jī)械運(yùn)動通過機(jī)械轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)動，驅(qū)動碼盤轉(zhuǎn)動，精確測出閘門開度。編碼器是非接觸式超低轉(zhuǎn)矩的全量型編碼器，當(dāng)閘門上升或下降時，通過連接閘門相應(yīng)裝置自收纜裝置帶動編碼器旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生與閘門開度相對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行數(shù)字化處理后經(jīng)接口電路輸出并向上導(dǎo)出到液晶屏顯示，通過RS485 通信的方式傳送至閘門測控終端，在人機(jī)界面顯示閘位數(shù)據(jù)和閘門運(yùn)行狀態(tài)，為自動控制提供依據(jù)。絕對式編碼器的每個位置是唯一的，即使掉電時位置也不會丟失，一旦電源接通即可讀出其準(zhǔn)確的閘門位置信號，分辨率達(dá)1 mm，依據(jù)不同渠道閘門運(yùn)行范圍，選用不同的量程，具體參數(shù)如表2所示。

表2 AM-L50S80旋轉(zhuǎn)編碼器參數(shù)表Tab.2 Parameters of AM-L50S80 rotary encoder

3.2 閘門荷重儀

荷重傳感器是通過檢驗受力載體所受的載荷測量起重機(jī)載質(zhì)量。傳感器以mV 模擬量輸出供信號轉(zhuǎn)換變送裝置采集，經(jīng)變送器信號處理后以4～20 mA 信號輸出，可直接供儀表或RTU 及其他系統(tǒng)采集。螺桿啟閉機(jī)專用超載保護(hù)器可根據(jù)2種不同安裝方式，方便地安裝在螺桿機(jī)座中間或基座下，每一邊各裝置1只超載保護(hù)裝置，通過兩邊的固定螺絲分別與基座和底角相連接，每臺螺桿啟閉機(jī)安裝2 只超載保護(hù)裝置（或一邊使用相同尺寸的鋼制件）。利用荷重傳感器正反受力的原理來實現(xiàn)螺桿機(jī)過載保護(hù)。傳感器與控制器及儀表組成超載限制系統(tǒng)后，將具有報警并切斷起重機(jī)起升回路電源的功能。

3.3 雷達(dá)水位計

采用高精度毫米波雷達(dá)水位計ZG-RD100 測量閘門上下游水位，該設(shè)備具有測量精度高、功耗低、體積超小等優(yōu)勢。使用76～81 GHz 的調(diào)頻連續(xù)波（FMCW），工作頻率更高，帶寬更大，測量精度更高，最大量程可以達(dá)到30 m，盲區(qū)在10 cm以內(nèi)。具有非接觸、高精度、小體積、節(jié)能等特點(diǎn)，測量時不受腐蝕、溫度梯度、氣壓、水面水汽、水中氣泡和沉淀物的影響。ZG-RD100雷達(dá)水位計參數(shù)如表3所示。

表3 ZG-RD100雷達(dá)水位計參數(shù)表Tab.3 Parameters of ZG-RD100 radar water level gauge

3.4 閘門測控終端

閘門測控終端是集存儲、通信、電機(jī)驅(qū)動與檢測、閘門控制等功能于一體的終端系統(tǒng)。第一，通信功能。內(nèi)置4G 全網(wǎng)通模塊，支持所有運(yùn)營商和頻段的卡，解決了信號覆蓋問題，可以同時收發(fā)短信和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，可同時與4個服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，且具有低功耗待機(jī)功能，可以遠(yuǎn)程喚醒；原生以太網(wǎng)絡(luò)接口，自主研發(fā)的TCP/IP 協(xié)議棧，支持10/100 Mb/s全雙工以太網(wǎng)絡(luò)接口。第二，存儲功能。內(nèi)置NANDFLASH 固態(tài)存儲模塊，內(nèi)存≥128 MB，可存儲5 a 以上的數(shù)據(jù)；可擴(kuò)展1～512 G 固態(tài)硬盤存儲；內(nèi)置MRAM，用于存儲需實時存儲的數(shù)據(jù)，次數(shù)不限，安全可靠。第三，輸出控制。具有多路三極管輸出功能，可用于外部控制，最大負(fù)載電流為500 mA。第四，視頻采集。具有RJ45 網(wǎng)口支持視頻網(wǎng)絡(luò)球機(jī)的接入，可以接入任意廠家的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，實現(xiàn)視頻直播；支持遠(yuǎn)程視頻實時直播、視頻定時拍攝并遠(yuǎn)程提取歷史視頻、采集超閾值數(shù)據(jù)視頻聯(lián)動抓拍，共3種視頻錄制模式。第五，電機(jī)驅(qū)動與檢測功能。設(shè)備可控制直流電機(jī)和交流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行；可實時監(jiān)測電機(jī)電流，防止電流過載；驅(qū)動能力30 A 以上。第六，閘門控制功能。設(shè)備可根據(jù)閘門開度、過閘流量、閘后水位等多種方式自動調(diào)節(jié)閘門開啟高度；閘門開度采集精度0.1 mm，閘門開度控制精度0.5 mm。第七，設(shè)備保護(hù)功能。設(shè)備具有多種防護(hù)機(jī)制，發(fā)生供電異常、通信異常、異物卡阻等情況時，都能快速響應(yīng)，啟動保護(hù)機(jī)制，確保設(shè)備正常。

測控終端人機(jī)界面采用原生支持24 位RGB 的TFTLCD 接口。默認(rèn)配置25.4 cm（10 英寸）LVDS 全視角真彩色電容式觸摸屏，分辨率不低于1 280×800，色彩豐富，顯示清晰，可實時顯示視頻圖像；觸摸材質(zhì)為電容式，操作方便可靠，工作溫度為-20～70 ℃；具有按鍵式喚醒按鈕，控制觸摸屏的開啟和關(guān)閉，其測控終端界面如圖3 所示。為滿足應(yīng)用要求，設(shè)計多種工作模式：流量控制模式、開度控制模式、閘前水位控制模式、閘后水位控制模式、聯(lián)動控制模式等。每種工作模式下，實時流量都由閘門測控終端上傳至云控制中心。

圖3 閘門測控終端界面Fig.3 Gate control terminal interface

4 測控一體閘門通信系統(tǒng)

閘門測控終端采集閘門開度傳感器、荷重儀、雷達(dá)水位計的數(shù)據(jù)信息，并計算顯示閘門開度、上下游水位、當(dāng)前流量和累計流量等信息，各傳感器通過RS485、GPRS、物聯(lián)網(wǎng)等方式與閘門測控終端建立通信，在測控一體閘門旁建立閘門控制柜，并做好防雨防潮措施。測控終端通過信號線將閘位、水位數(shù)據(jù)傳輸?shù)介l門控制柜中的控制單元，控制單元通過4GTD-LTE 寬帶無線通信專網(wǎng)將閘位數(shù)據(jù)和閘門狀態(tài)傳輸?shù)浆F(xiàn)地管理站及灌區(qū)管理處，管理人員通過管理工作站來實現(xiàn)閘門的遠(yuǎn)程的控制。通信系統(tǒng)組成如圖4所示。

圖4 通信系統(tǒng)組成圖Fig.4 Diagram of communication system composition

5 測控一體閘門供電系統(tǒng)

各閘口處于野外環(huán)境，現(xiàn)場無市電供給。七一灌區(qū)平均日照時數(shù)2 854.8 h/a，平均蒸發(fā)量1 727.5 mm/a，平均風(fēng)速2.4 m/s。有視頻監(jiān)控需求的站點(diǎn)采用風(fēng)光互補(bǔ)的方式供電，太陽能與風(fēng)能在時間和地域上有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，風(fēng)光互補(bǔ)能夠降低系統(tǒng)的總成本。綜合考慮現(xiàn)場環(huán)境和施工成本，故選用太陽能供電。

系統(tǒng)配置蓄電池的容量要滿足在無風(fēng)、陰雨天情況下至少維持10 d 對設(shè)備供電，其輸出電壓按照24 V設(shè)計，以蓄電池放電容量70%計算。根據(jù)遙測終端機(jī)、視頻監(jiān)控、傳感器等硬件設(shè)備的參數(shù)和工作時間，選用24 V、200 Ah 的蓄電池。風(fēng)力發(fā)電使用垂直式，風(fēng)速為2～60 m/s 都可安全使用。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用渦輪風(fēng)葉造型，能達(dá)到空間360°受風(fēng)，在微風(fēng)和臺風(fēng)天氣下都可以正常發(fā)電。同時，根據(jù)現(xiàn)場風(fēng)力情況，配置1 臺額定功率200 W 的風(fēng)力發(fā)電組件，滿足風(fēng)力無法達(dá)到風(fēng)機(jī)的額定運(yùn)行風(fēng)速時也能正常發(fā)電。為最大化利用太陽照射時間內(nèi)的發(fā)電，以較短的時間給蓄電池組充電，配置2組額定功率100 W 的太陽能發(fā)電組件，以滿足系統(tǒng)需要。

6 結(jié)論

針對七一灌區(qū)渠道類型和設(shè)計流量，自主設(shè)計研發(fā)配套的新型測控一體閘門，測流原理為閘孔出流，雷達(dá)水位計和旋轉(zhuǎn)編碼器分別測得閘門下游水位和閘門開度。其終端采集各個傳感器的數(shù)據(jù)，分析計算水位、瞬時流量、累積流量等信息，并通過4G 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦芾矶撕透骷墕挝弧Ｍ瑫r設(shè)計了風(fēng)光互補(bǔ)的供電系統(tǒng)，可滿足野外灌區(qū)測控一體閘門10 d 的用電需求。新型測控一體閘門實際運(yùn)行情況良好，測流精度較高，閘門控制準(zhǔn)確，符合預(yù)期要求。