基于物联网的渠道平板闸门系统研究

李翠兰

(东港市水资源服务中心，辽宁 东港 118300)

0 引言

随着经济的快速发展，灌区也得到了有效的发展，为人类的各项农业活动提供保障。灌区是指提供灌溉和排水服务，考虑水资源和环境承载能力并满足农作物用水需求的区域，提升管理效能、确保工程运行安全是建设现代化灌区的重要任务。许多学者对渠道平板闸门进行了大量的研究，胡明宇等人设计了U形渠道平板闸门，并通过试验分析其水力性能。结果表明，U形平板闸门的水力性能较优，流量公式的测流精度较高，可为灌区U形渠道流量测量提供依据[1]。刘昉等人为研究平板闸门在动水闭门过程中可能出现的弱爬振现象的特性，通过改变上游水位使闸门产生弱爬振，并分析发生爬振前后闸门整体加速度、位移和不同部位局部应力的变化[2]。龙志等人为研究深孔有压隧洞平板闸门小开度闸后水力特性，采用了物理模型试验与理论分析相结合的方法，研究成果可为深孔平板闸门小开度的运行与防护提供借鉴[3]。戴冰清等人为对闸门进行优化设计，并确定合理的运行工况，针对平板闸门动态关闭过程，建立了三维非定常水气两相流模型，并进一步对不同因素综合影响下闸门等效应力和形变的变化规律进行研究[4]。综上所述，尽管以往的许多学者对灌区平板闸门进行了大量的研究，但目前灌区的的情况依然不容乐观，仍有许多灌区存在着设备老化、灌溉效率低下等问题。因此，研究提出了基于物联网的渠道平板闸门系统，以加强对灌区的信息化管理。

1 基于物联网的渠道平板闸门系统设计

1.1 东港灌区概况

近年来，辽宁省积极采取多种措施来推动大中型灌区现代化改造，东港灌区位于中国辽宁省的东南部，东西长65km，南北宽约40km，总控制面积1352km2，濒临黄海，地处鸭绿江和大洋河的下游，有众多的感河段。灌区总耕地面积7万hm2，包括东港市的202个行政村，21个乡、镇、农场。灌区原规划灌溉面积5万hm2，有效灌溉面积3.83万hm2，目前实际灌溉水田面积3.71万hm2，是丹东市的主要水稻产区和辽宁省的大型灌区之一。目前，灌区内有提水站59座，总装机7276kW，年设计提水量22996万m3。大中小型水库20座，年总调节水量32163万m3。已建成2条主干渠，总长72.1km；分干渠11条，总长85.85；支渠233条，总长333.28km。排水总干沟1条，区内总长度25km；排水干沟26条，总长307km，排水支沟5条，总长670km。斗渠长3500km，每条平均1km，农渠每条0.35km。

目前灌区现有提水站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够满足运行要求。但东港灌区目前仍有11座提水站严重老化坏损，这些提水站均运行20a以上，最长达42a。工程与设备都严重老化，设备都是20世纪60—70年代的产品，能耗高，效率低，泵站的装置效率在20%～40%之间。此外，与泵站配套的水工建筑物年久失修，主要水工建筑物难以正常发挥作用。以上问题严重影响了东港灌区的灌溉效率，亟待进行改造。随着“十四五”任务的提出，东港灌区也面临着向着现代化和信息化改造的重大挑战。由于东港灌区大部分的提水站运行时间都较长，再加上维护工作的落实不到位，许多设备都出现了计量精度低，以及不同程度的老化等问题，难以满足现代农业活动的供水需求[5]。针对这一问题，研究提出了基于物联网的渠道平板闸门系统。

1.2 渠道平板闸门系统硬件设备选型

根据明渠平板闸门测流原理，明渠测流相对于封闭管道来说更为复杂，因其流速随着流量而发生变化，且水流流动存在自由液面，底坎类型、闸孔水位以及上游水位的相对开度等因素都会影响到水流状态的转化条件[6]。在对闸门流量进行测定之前，首先要判别水流的流态，平板闸门的底坎采用平顶型。当闸门完全打开时，水流呈自由流出的状态，上方不会受到闸门底部的阻挡，此时的水流流态为堰流。水跃位置会影响到闸孔的出流情况，主要包括淹没出流和自由出流2种类型。若收缩断面水深的跃后共轭水深大于闸后渠道中的下游水深，则在收缩断面下游或收缩断面会发生水跃，闸孔的过流能力不会发生变化，此时为闸孔自由出流[7]。若收缩断面水深的跃后共轭水深小于闸后渠道中的下游水深，则在收缩断面上游发生水跃，闸孔过流能力降低，此时为闸孔淹没出流。收缩断面跃后共轭水深的计算公式为：

(1)

式中，Frc—收缩断面的弗汝德数，表示收缩断面水深；ε—垂向收缩系数。

堰流的计算式为：

(2)

式中，b—闸门宽度；m0—流速系数；H—堰上水头；a—闸门高度。

闸孔自由出流的计算式为：

(3)

式中，e—闸门开度；μ0—流量系数，闸孔自由出流流量计算结果的不同主要与μ0的选取有关。

系统主要通过远程计算机和移动端设备来对闸门进行控制，相关人员可对闸门以及闸门附近的水位进行实时监控，并通过分析闸门开度及上下游水位的变化等信息做出相应的判断，从而对过闸流量进行远程控制。研究设计的基于物联网的渠道平板闸门系统能够将闸门开启和关闭控制、闸门流量测量以及闸门前后的水位测定等多种功能结合在一起，有助于更好满足各种农业活动的供水需求，精准地控制渠道的输水量。渠道平板闸门系统的具体构成如图1所示。

图1 基于物联网的渠道平板闸门系统构成

基于物联网的渠道平板闸门系统的主要有5个功能：①采集水位数据和流量数据。②实时监测闸门的开启高度和状态信息，并在监控平台上显示。③检测电机的运行状态和电流信息，在出现故障时及时发出警报。④控制闸门电机转向和摄像头开断。⑤传输水情数据。硬件设计分为水情监测设备、电源和闸门控制器3个部分。其中闸门控制器是硬件系统的核心，负责闸门的状态检测、摄像头和闸门的启闭控制以及水情数据的传输，还能够提供对闸门进行现地控制的方法，便于现场调试和排查故障工作的有效开展。闸门控制器由本地启闭控制按钮、电动执行器、薄膜晶体管(Thin Film Transistor，TFT)显示屏、一体化闸门控制器和闸门5个部分组成。本地启闭按钮可对闸门进行启闭控制，但无法对开度进行精准控制。TFT显示屏能够帮助现场人员及时观察闸门状态和水流变化，获得当前闸门开度信息和前后水情信息。一体化闸门控制器与软件平台通过4G网络相连，将采集到的信息上传至本地服务器，并根据控制信息对闸门的启闭进行控制。电动执行器主要由位置定位器和动力部件组成，在接收到来自一体化闸门控制器的控制命令后，对电机进行控制，实现远程的闸门自动启闭控制。水情监测设备由视频传感器、电磁流量计或雷达流量计组成。视频传感器能够对闸门现场情况进行实时监测，进行基于视觉的水位识别[8]。流量计用于对过闸流量进行监测，电磁流量计位于水面以下，适用于于闸井测流，雷达流量计位于水面以上，适用于明渠测流。电源由太阳能板和大容量电池组成，能够为系统进行持续供电，保证在夜间也能进行对闸门进行控制。电源架构如图2所示。

图2 基于物联网的渠道平板闸门系统电源架构

核心处理器主要进行信息的采集、处理和执行相应的动作，是闸门终端自动化硬件设备中最重要的组成部分。针对工业环境的应用问题，可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)应运而生，可以随时将控制指令载入内存进行执行和储存，是一种具有微处理器的用于自动化控制的数字运算操作电子系统。研究选用在大型工业应用方面应用较多的西门子PLC S7-200，这种PLC由于引入了编程工具箱，因此更适用于一些较为复杂的程序设计工作，具有运行速度快、性价比高、体积小、性能和通讯功能强等优点。研究选用PLC的中央处理器(Central Processing Unit，CPU)类型为DC/DC/DC。人机交互触摸屏采用电磁屏蔽性良好、耐高温、能够适应野外复杂环境的TPC1071Gi触摸屏，主要参数见表1。

表1 TPC1071Gi触摸屏的主要参数

由于闸门的位置较为分散，因此为满足闸门系统无线通讯的需求，研究采用无线通信GPRS/3G/4G，并选用TN-530-W4物联网终端作为整个控制系统的核心通信部件，其可通过接口与PLC主机进行连接，从而接收控制指令，对闸门进行控制，以满足大范围内设备的远程控制。研究选用的光电式旋转编码器的型号为SUNEFULL SF50J，既可以测量转速，也可以判断旋转方向，可以电脉冲用来表示输出轴的角速度和角位移等机械量，并以数字量的形式双路或单路输出。液位传感器是一种测量液位的压力传感器，研究选取便于安装维护的FMU30-AAHEABGHF超声波液位计。

对于闸门的机械结构，研究选取SGDB-20ADG伺服驱动器来驱动闸门，选用WP2800蜗轮蜗杆减速机来对闸门进行减速，具有运行平稳、承载能力强、散热快和噪声小等优点。在闸门的运行过程中，ACM6020V36G-A5直流伺服电机主要由齿轮组件、位置传感装置、控制电路和直流电机四个部分组成。在闸门启闭装置运行的过程中，驱动轴的运行速度会在蜗轮蜗杆减速机的作用下减慢，同时通过传动轴输出转换后的驱动力矩方向，带动齿轮转动，再带动齿条升降，实现对闸门的启闭控制。

1.3 自动控制系统设计

在自动控制系统中，采集的数据主要是闸门前后液位和闸门开度，闸门控制包括伺服驱动器、电机驱动接口、闸门、伺服电机和减速机，基于物联网的渠道平板闸门系统中的自动控制系统的具体结构如图3所示。

图3 自动控制系统结构

在使用平板闸门测量流量时，研究采用水位传感器和闸门开度传感器来测量闸前后水深以及闸门开度等数据信息。选用超声波液位计来作为系统的水位传感器，两个液位计的探头的设置充分考虑了其盲区距离，并分别设置在闸门上游渠道和下游渠道的顶部。对于闸门开度传感器，选用增量型旋转编码器，可通过内部光敏接受管转化角度码盘的相位和时序关系，对闸门开度进行测量。

人机界面能够使操作人员远程实时掌握当前的累计流量、水位信息和闸门状态等内容，研究采用McgsPro软件来进行设计，并通过网线与PLC建立起通讯连接。对于PLC的控制程序，研究在STEP 7-MicroWIN SMART上进行程序设计操作。PLC主机的输出变量包括电机旋转方向、伺服驱动器和刹车，输入模拟量包括闸门开度以及闸前后水位。PLC变量及变量地址见表2。

表2 PLC变量定义

远程监控平台对于灌区的信息化管理具有重要意义，研究采用虚拟网口工具、ECSManger软件以及物联网终端来设计远程监控软件，并通过网线建立控制终端和主机之间的通讯连接。在远程监控平台上可以进行基于物联网的渠道平板闸门系统手动和自动控制两种模式的切换，在自动控制模式下可以远程设置闸门的升降高度。

2 基于物联网的渠道平板闸门系统测试与运行

为验证研究所提基于物联网的渠道平板闸门系统的可行性，研究将系统在东港灌区中运行20d并进行测试，并为减轻紊流对闸门测流的影响，在距离消力池15m处的渠道中布置了本闸门系统。远程控制响应时间和闸门开度控制误差的测试如图4所示。

图4 远程控制响应时间和闸门开度控制误差测试结果

从图4中可以看出，渠道平板闸门系统的远程控制响应速度较快，最长响应时间为0.05s，闸门开度控制误差减小，最大误差为1mm，结果表明，基于物联网的渠道平板闸门系统响应速度快、控制精度高，具有一定的可行性。

为验证基于物联网的渠道平板闸门系统的网络传输效果，研究将系统在东港灌区中运行25d并进行测试，对系统运行过程中的数据丢包率进行分析，结果如图5所示。

图5 数据丢包率测试结果

从图5中可以看出，基于物联网的渠道平板闸门系统的数据丢包率较小，最高为0.052%，在可接受范围内，且大部分情况下都趋近于0。结果表明，基于物联网的渠道平板闸门系统网络传输的效果较好，流量较为完整和可靠，具有一定的可行性。

综上所述，研究设计的基于物联网的渠道平板闸门系统能够在东港灌区中有效地运行，且具有响应速度快、控制精度高、数据丢包率较小的优点，具有一定的可行性和有效性，有助于提高东港灌区的灌溉效率，加强信息化管理。

3 结论

针对东港灌区中许多提水站和设备都出现了计量精度低和老化等问题，研究提出了基于物联网的渠道平板闸门系统，对闸门进行远程监控，提高渠道输水效率、减少水资源的浪费。根据系统在东港灌区的实际运行结果显示，基于物联网的渠道平板闸门系统能够在东港灌区中有效地运行，且响应速度快、误差小。研究结果为灌区的现代化、规范化建设提供了一定的方向。但受时间的限制，研究只选取了一些具有代表性的工况进行对比分析，这可能会影响系统的实际运行效果。因此，在进一步的研究中需要更全面地对过闸水流流场的数值进行模拟。