基于一体化设计的灌区测控系统研究

张建华

(灯塔市水利灌溉服务中心，辽宁 灯塔 111300)

闸门属于一种最为常见的水利设施，对于水位控制、农业灌溉、城市供水等发挥着重要作用。然而，大多数灌区的闸门操作、流量计量仍然以配水员的手动操作和目测经验来实现，分水控制、信息管理、测量计量等自动化程度偏低，灌区用水效率低且管理水平落后，距离自动化、信息化灌区建设目标仍具有较大差距[1]。

灯塔灌区位于辽阳市东北部，渠首引水工程建于太子河右岸葠窝水库下游9km处，总控制面积420km2。灯塔灌区始建于1974年，当年参加建设的多为民工队伍，施工经验少，加之受极左路线的影响，工程急于求成，建设标准低、质量差，当时就没有达到设计标准。现经50多年的运行，只有少部分建筑物经过更新改造，灌区存在的主要问题是大部分工程年久老化失修，管理落后。为缓解灌区水资源紧张的矛盾，提高灌溉保证率及渠系水有效利用率，减少渠系输水损失，研究设计了集流量计量与远程控制功能于一体的闸门系统。通过实时监测渠道闸门状态远方中心站可以实现全流域的协调控制，减少配水纠纷和减轻配水员工作强度的同时实现整个全区信息化管理、科学调度、精确配水，为促进灌区经济持续稳定发展、水资源合理配置以及用水效率的提升提供技术保障。

1 灌区测控系统架构

以太子河流域灯塔灌区为例，引流至各个田块的灌溉水均途径农渠、斗渠、支渠和干渠。灌区管理网络利用无线通信和传感测量技术能够实现全渠道覆盖，并结合过闸总水量或目标过闸流量，以远方控制中心站为枢纽使各农渠、斗渠、支渠闸门达到闭环控制，可真正实现按需供水、渠系少人管理或无人管理模式，测控系统架构如图1所示。

控制中心站可以考虑用户实际需求，采用无线通信技术发送控制目标信息，并远程监控支渠、斗渠终端；接受指令后闸门终端驱动闸门升降，过闸流量与闸门开度信息用安装于闸门内侧的传感器进行实时采集；然后按照反馈的数据及时修正闸门开度，以实现控制目标及分水口供水稳定[2]。

渠系建成后具有管理高效、信息完善、操作简便、数据实时采集等功能，依据所采集的闸门开度、过闸流量等信息实现多级联动一体化控制，可明显提高灌水效率，充分发挥渠系灌溉功能[3]。

2 一体化测控系统设计

对于灯塔灌区单纯的依靠原有渠道闸门还无法实现渠系闭环控制的目标，所以除了闸门自动升降外，测控一体化闸门系统还要有供电和测控系统，系统构成如图2所示。

图1 测控系统架构

图2 测控系统组成

2.1 闸门机械结构

灌区原有渠道闸门升降为手动操作转轮控制，板式铸铁闸门存在封水性能差、易锈蚀等问题。对此，在原有闸门基础上设计测控一体化闸门，更换升降杆、闸门门板以及密封条等部件，喷涂防锈漆并配备开度编码器、减速器、电机等。测控一体化闸门系统主要设备性能参数为：①JZB -A型开度编码器，输入直流电压10-30V，输出信号4-20mA，脉冲数4096；②SZ-RVD-1.2F-HX-F型涡轮蜗杆减速机，扁头插销型丝杠头部，丝杠有效行程1200mm，直径40mm，螺距7mm，减速比20∶1；③9DC90-48GN18型直流电机，输出转速1800r/min，直流电压48V，功率90W。

电机提供驱动闸门螺杆升降的动力来源，其中减速机是将驱动力矩传递至传动轴的关键环节。减速机不仅能够提升扭矩、降低电机输出转速，而且蜗轮蜗杆减速器可以在系统掉电时保证闸门原有位置不变，及时发挥反向自锁功能保持系统稳定，具有运行平稳、结构紧凑、传递扭矩大等特点。开度编码器可以向系统测控模块及时反馈所采集的闸门开度信息，提供系统决策所需的信号支持。

2.2 测控系统设计

在人机交互、信息采集、无线通信、闭环控制等过程中，测控系统发挥着重要功能，其数据交互流程如图3所示。

图3 数据交互关系图

1)闸门闭环控制：由控制中心站设定过闸总水量或目标过闸流量，为保证所有分水口供水稳定要实时反馈渠道过闸流量，并及时修订闸门开度。通过换算实时水位信息获取过闸流量，该过程往往会应用到能够测量明渠流量的巴歇尔槽，其基本原理是利用水位-流量关系及测量的槽内水流液位反求出流量[4]。因此，按照实时监测的闸后水位可以对实时过闸流量进行测算，考虑实时水位信息进一步修正渠道闸门开度，从而达到闭环控制的目的，主要控制流程如图4所示。

2)闸门状态信息采集：主要包括闸门开度、控制模式和过闸流量等。其中，闸门有远程和现地2种控制模式，控制中心站在远程模式下可对闸门实现远程监控，而控制面板输入功能在现地模式下能够被解锁；采用电机输出侧的开度编码器以及闸后巴歇尔槽监测的实时水位信息获取闸门开度、过闸流量等数据。

3)远程无线通信：对于覆盖范围较大的灌区，一般采用抗干扰能力强、安全稳定的GPRS模块进行无线传输，该模块能够提供可靠迅速的数据传输服务满足用户的需求。控制中心发送指令可以对闸门实现远程控制，对于采集的工作状态和渠道数据则由闸门终端测控模块反馈至中心站[5]。

4)人机交互：现地用户采用人机交互系统中控制柜内的面板按钮，可以实现闸门停止、下降和上升控制，并且面板上的指示灯可以显示闸门上下限位指示、设备古装、电机运行状态等信息。此外，显示屏能够对点源电压、过闸流量、闸门开度、渠道水位等数据实时显示。

图4 闭环控制流程

2.3 供电系统设计

对于长期处于野外环境的闸门供电系统设计，可以选取太阳为供电来源，从而免去高低压配电系统、变电站等设施建设，大大降低电力设施维护成本以及相应的工作量[6]。供电系统维护简单且能够独立供电，其工作框架如图5所示。

1)发电模块：以矩阵式太阳能电池板和充电控制器，实现光-电转换及蓄电池自动充电控制。

2)蓄电模块：设计选用多节蓄电池实现系统的蓄电或全部电能储备。

3)供电部分：将蓄电池中的直流电能转换成供通讯模块、测控模块、显示屏等各种用电设备所需的标准电压，供电输出维持系统的运行。

充电控制器：该软件能够实现系统各部分组合、连接以及蓄电池组充电的自动控制。

图5 供电系统架构

2.4 系统控制模式

考虑到灯塔灌区位于偏远地区的实际情况，为满足实际控制需求设计了多种控制模式，如图6所示。

图6 系统控制模式

1)现地手动：该模式通常用于紧急突发或现场缺电的情况，用户通过直接操作升降机实现对闸门的控制，手摇轮撤除后螺杆升降机的自锁装置能够自动保持闸门的既定位置。

2)现地电动：执行该模式时必须符合现地条件，用户现场实时操作闸门停止、下降、上升等控制面板上的按钮，从而实现渠道闸门的控制。闸门开度的自动检测则由开度编码器完成，可在显示屏中实时显示渠道水位数据。

3)远程控制：通过无线通信模块中心站控制平台，在远程模式下能够操作与控制渠道闸门，并且具有监视水库信息、一体化闸门站信息、水位站信息等功能。

3 测控系统的运行试验

灯塔灌区续建配套改造工程安装使用了测控一体化闸门，实现了渠系管理信息化、灌区调度自动化和田间配水精准化等目标。

在闸门固定架上方单独封装机电装置，包括闸门控制手轮、编码器、升降机、减速器、控制电机等；现地控制柜内安装有控制面板、显示屏、通讯模块、供电和测控口母爱，为了便于用户操作固定在闸门附近。实际工程中，无需建设用于保护闸门终端的闸房，不仅大大降低了工程投资成本，而且具有较强的防破坏防盗功能，后期维护简便，操作简单。

1)远程控制：用户在远程模式下选择测站类型“闸门”，可以实现闸门测控一体化控制，并且可实时显示最新数据时间、闸门状态、开度、流量、水位等信息。对于所选闸门可以利用闸门监控模块设置目标总量或流量，完成闸门的下降、上升等一系列操作。

2)综合监视：渠道闸门综合监视功能包括电池电压、闸门状态、流量、水位等信息的监视，考虑渠道类型、站名、所属管理所、灌区等因素，可以实现统计和筛选查询，并且可详细定位与查询水位站信息。

3)数据查询：对于多个测站站点的水量、流量、水位等历史数据可以利用该模块进行查询，利用月、日、小时、分钟等多种数据时间类型有利于对灌区用水量的综合管理。

4 结 论

在闸控系统计算、自动测量和控制中应用计算机网络技术及现代测控技术形成的灌区测控一体化闸门系统，能够实现科学分配、节制、输送灌区水资源。测控一体化闸门系统能够提高干、支渠运行响应能力，对干、支渠流量进行准确及时地调控，充分发挥实时控制与监测渠道闸门的功能。此外，该系统能够快速有效的执行配水任务，彻底解决人工操作可能引起的不确定问题，保证了供水精准度，在提高灌区灌溉效益的同时极大的降低了操作人员的劳动强度，可以为灌区农业发展提供强有力的技术支持。