灌区测控一体化闸门系统设计及应用

王启飞，刘冠军，刘 磊，王胜凯

(南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司，南京 211100)

闸门作为水利工程建设中一个基本的水利设施，在农田灌溉、水位控制、城市供水等诸多工程应用中发挥着巨大的作用。而当前绝大多数灌区的分水控制、测流计量、信息管理等方面自动化程度不高，基本上依靠配水员手动操作闸门，靠目测经验计量流量，管理水平落后，用水效率低，与灌区信息化、自动化建设存在很大差距[1]。

疏勒河灌区位于甘肃省河西走廊西端玉门市、瓜州县境内，属国家大型灌区，由于地处西北干旱地区，灌区水资源较为缺乏，用水矛盾十分突出[2]。为了缓解当地用水供需矛盾、提高用水效率，本文基于灌区渠道原有闸门研究集远程控制及流量计量功能于一体的渠系自动化闸门。远方中心站实时监控渠道闸门的状态，通过全流域协同控制，不仅可以减轻配水员的工作强度、减少配水纠纷，而且能够实现整个灌区精确配水、科学调度和信息化管理，最终实现水资源的合理配置，提高水资源的利用率，促进灌区经济持续稳定发展。

1 测控一体化闸门系统架构

以疏勒河昌马灌区为例，灌区干渠内的水途径支渠、斗渠以及农渠逐步引流到各个田块[3]。以远方控制中心站为中枢的覆盖全渠道的管理网络，利用传感测量技术和无线通信技术，使各个支渠、斗渠以及农渠闸门能够根据目标过闸流量或过闸总水量实现闭环控制，按需供水，达到真正的渠系无人管理或少人管理模式。测控一体化闸门系统架构如图1所示。

图1 系统架构Fig.1 System architecture

控制中心站利用无线通信技术对支渠、斗渠闸门终端远程监控，根据用户需求发送控制目标信息；闸门终端依据指令驱动渠道闸门升降；安装于闸门侧的传感器实时采集闸门开度及过闸流量信息；通过渠道数据的实时反馈，对闸门开度进行修正，确保所有分水口供水稳定[4]，以达到控制目标要求。

建成后的渠系是一个信息采集全面、完善，管理方便、高效的系统。通过对闸门开度、过闸流量等信息的采集，实现测控一体化闸门的多级联动控制，最终达到渠系网络的智能控制和田间用水的合理调度[5]，能够有效减少末端弃水，提高渠道灌溉效率。

2 测控一体化闸门系统设计

为达到渠系闸门闭环控制目标，仅依靠原有渠道闸门是远远不够的，测控一体化闸门系统除了自动升降闸门外，还包括测控系统及供电系统，系统组成如图2所示。

图2 测控一体化闸门系统组成Fig.2 The components of the integrated gate system

2.1 闸门机械结构设计

灌区原有渠道闸门为板式铸铁闸门，手动操作转轮控制闸门升降，存在闸门易锈蚀、封水性能差等问题；测控一体化闸门在原有闸门基础之上，喷涂防锈漆，更换密封条、闸门门板以及升降杆等部件，并另配备电机、减速器、开度编码器等。系统关键设备主要性能参数如下。

(1)直流电机。型号：9DC90-48GN18；功率：90 W；电压：直流48 V；输出转速：1 800 r/min。

(2)涡轮蜗杆减速机。型号:SZ-RVD-1.2F-HX-F；减速比：20/1；丝杠直径：40 mm；螺距：7 mm；丝杠有效行程：1 200 mm；丝杠头部：扁头插销型。

(3)开度编码器。型号：JZB-A；脉冲数：4 096；输出信号：4～20 mA；输入电压：直流10～30 V。

电机提供动力来源，将驱动力矩通过减速机传递到传动轴，进而驱动闸门螺杆升降。减速机一方面使电机输出转速降低、提升扭矩；另一方面，蜗轮蜗杆减速器具有反向自锁功能，能够确保闸门在系统掉电时保持原有位置不变，且结构紧凑、传递扭矩大、运行平稳。开度编码器用于采集闸门开度信息，并将信号反馈至系统测控模块。

2.2 测控系统设计

测控系统主要用于闸门闭环控制、闸门状态信息采集、远程无线通信及人机交互等，其数据交互关系如图3所示。

图3 测控系统数据交互框图Fig.3 Data interaction of measurement and control system

(1)闸门闭环控制。控制中心站设定目标过闸流量及过闸总水量，通过渠道过闸流量的实时反馈，对闸门开度进行修正，确保所有分水口供水稳定。过闸流量的获取则是通过闸后巴歇尔槽的实时水位信息换算而来。巴歇尔槽是一种应用十分广泛的明渠流量测量设备[6]，可以通过测量槽内水流的液位，再根据相应水位～流量关系，反求出流量。因而通过闸后水位的实时监测即可测算出实时过闸流量，再根据水位信息对渠道闸门开度进一步修正，实现闭环控制。控制流程如图4所示。

图4 闸门闭环控制流程Fig.4 Flow chart of the closed loop control system

(2)闸门状态信息采集。闸门状态信息主要包括闸门开度、过闸流量及控制模式等。闸门开度通过安装于电机输出侧的开度编码器获取[7]；过闸流量则是通过闸后巴歇尔槽的实时水位信息换算而来。闸门控制模式主要分为现地和远程2种，现地模式下可解锁控制面板输入功能，而远程模式下可实现控制中心站对闸门的远程监控。

(3)远程无线通信。灌区面积一般都比较大，采用GPRS模块进行无线传输，安全稳定、抗干扰能力强，能够为用户提供高速可靠的数据传输服务[8]。通过控制中心站发送指令，远程控制闸门动作；同时闸门终端测控模块将采集到的渠道数据和工作状态返回至中心站。

(4)人机交互。人机交互系统中，现地用户可以通过现地控制柜中的面板按钮控制闸门的上升、下降和停止，同时面板上的指示灯能够显示电机运行状态、设备故障报警和闸门上下限位指示等信息。显示屏则实时显示渠道水位、闸门开度、过闸流量、电源电压等数据，控制面板如图5所示。

图5 现地控制面板Fig.5 Local control panel

2.3 供电系统设计

一体化测控闸门处于野外环境，系统利用太阳能给设备供电，免除建变电站和高低压配电系统等工程，电力设施维护工作量及相应费用大幅下降。系统能够独立供电、维护简单，供电系统工作框图如图6所示。

图6 供电系统工作框图Fig.6 Working diagram of power supply system

发电部分：由太阳能电池板矩阵组成，完成光-电的转换，并且通过充电控制器完成给蓄电池组自动充电的工作。

蓄电部分：由多节蓄电池组成，完成系统的全部电能储备任务。

充电控制器部分：完成系统各部分的连接、组合以及对于蓄电池组充电的自动控制。

供电部分：把蓄电池中的直流电能变换成各级标准的电压输出，供给各种用电设备，如显示屏、测控模块、通讯模块等。

3 系统控制模式设计

灌区所处位置偏远，为满足灌区闸门实际控制需求，系统设计了多种控制模式，如图7所示。

图7 系统控制模式Fig.7 System control mode

(1)现地手动。该模式一般仅在现场缺电或紧急情况下使用，用户直接操作手摇轮，通过摇杆操作升降机实现闸门上升或下降，由于螺杆升降机带有自锁装置，撤除手摇轮之后，闸门能够自动保持在既定位置。

(2)现地电动。该模式需在现地情况下才能执行，用户在现场实时操作一体化控制箱面板上的按钮，包括闸门上升、下降及停止，实现渠道闸门的动作，开度编码器自动检测闸门开度，并将渠道水位数据实时显示在显示屏中。

(3)远程控制。在远程模式下，中心站控制软件通过无线通信模块实现对渠道闸门的控制操作，此外还具有实时监视水位站信息、一体化闸门站信息、水库信息等功能。

4 测控一体化闸门系统运行试验

自2016年12月开始，测控一体化闸门已先后应用于疏勒河双塔及昌马灌区，实现了灌区精确配水、科学调度和渠系信息化管理，灌区现场安装如图8所示。

图8 测控一体化闸门现场安装图Fig.8 Installation diagram of integrated gate

将闸门控制电机、减速器、升降机、编码器、手轮等作为机电装置单独封装于闸门固定架上方；测控模块、供电模块、通讯模块、显示屏及控制面板安装于现地控制柜内，并固定在闸门附近，以便于用户进行现地操作。闸控终端不再需要建设闸房进行保护，有效降低改造所需成本，操作维护方便，防盗防破坏性较强。

4.1 综合监视

疏勒河灌区渠道闸门综合监视界面如图9所示，水位站实时监视功能包括对水位、流量、闸门状态、电池电压等信息实时监视。可按照灌区、所属管理所、站名、渠道类型等条件进行筛选查询和统计，并可对水位站进行详细信息查询与定位。

图9 综合监视界面Fig.9 Integrated monitoring interface

4.2 远程控制

在远程模式下，用户通过选择监视列表中的测站类型“闸门”来进行一体化闸门实时控制，并可以实时显示当前闸门的水位、流量、闸门开度、状态、最新数据时间等信息。通过闸门监控模块可以对所选闸门进行目标流量或目标总量设置，以及对闸门进行上升、下降等操作，闸门监控界面如图10所示。

图10 闸门监控界面Fig.10 Gate monitoring interface

4.3 历史数据查询

历史数据查询可查询多个测站站点的水位、流量、水量等历史数据，数据时间类型包括分钟、小时、日、月等，便于对灌区用水量的综合管理。历史数据查询界面如图11所示。

图11 历史数据查询界面Fig.11 Historical data query interface

5 结 语

灌区测控一体化闸门系统就是将现代测控技术及计算机网络技术运用于闸控系统的自动测量、计算和控制当中，进而实现灌区水资源的合理输送、节制和分配。

测控一体化闸门系统能够实现渠道闸门的实时监测与控制，可提高干、支渠运行响应能力，做到及时准确地调节干、支渠流量；可以达到配水任务的有效快速执行，克服了人工操作带来的不准确因素，提高了供水的准确性；同时大大降低了工作人员的劳动强度，提高了灌区灌溉效益，促进了灌区的农业发展。