测控一体化闸门在灌区的研究与应用

高 军，谈晓珊，周亚平，刘 恋

(1.水利部南京水利水文自动化研究所，南京 210012；2.水利部水文水资源监控工程技术研究中心，南京 210012)

0 引 言

“十三五”开始，国家发展改革委员会、水利部多次发文指出水资源开发、利用要“量水而行”，以确保我国水资源的限量开发、有效利用和可持续发展，按照“水资源作为最大刚性约束”的要求，充分利用信息化手段，实现规模以上取水口监测的全覆盖，建成全天候的监测体系[1]。由于灌溉水资源占全国水资源的 54% 以上，因此，灌溉节水就成了国家节水的重中之重。在“节水增粮(东北地区)、节水增效(西北地区)、节水压采(华北地区)和节水减排(华南地区)”方针指导下，为了有效管理并控制灌溉用水量，国家从“十三五”开始，制定了一系列政策和措施对灌溉用水从水源地开始直至末级受水单元建立精准量水体系及监管措施。由于长期对农业灌溉用水管理的重视不够，量测水监测设施设备和技术较为陈旧和落后[2,3]，当前以及很长一段时间明渠自流灌溉仍是我国灌溉用水输送的主要方式，输水渠道水调节多采用传统的铸铁闸门，配套螺杆启闭机或手动操作闸门实现闸门的起闭。灌溉方式和水量计量较为粗放，灌溉水利用系数不高。国外采用自动测控技术在明渠灌溉输水控制及计量上起步较早，其中澳大利亚早在1995年利用远程控制闸门实现明渠自流灌溉的输水控制，后期结合全渠道控制系统的应用，提高灌溉水利用系数高达90%[4-8]。

我国灌区水利工程的信息化起步较晚，对有计量功能的测控一体化闸门的研究尚在起步阶段，分水控制和流量测验基本依靠配水员的手动操作和经验估算，信息管理水平低,工作效率低，与灌区信息化建设的要求有很大差距。国外进口产品价格昂贵，安装条件苛刻，水情环境适应性差，数据安全和保密无法解决，野外恶劣环境下，产品的可靠性不高，无法做到全面推广使用。

因此研发了一款能集精确水位流量计量、远程实时监控、水量记录、太阳能驱动、无线通讯等功能齐全的智能测控化一体化闸门装置，实现高效科学用水、提高灌区信息化水平，积极推进农田灌溉用水总量控制，促进农业节水和农业可持续高质量发展。

1 测控一体化闸门硬件设计

测控一体化闸门总体设计按照“硬件协同、软件集成、闭环控制”的理念，将自动控制闸门、水位流量测验设备，通过软件集成为测控一体化的智能系统，水位流量测验数据作为系统反馈输入，闭环控制闸门开度，从而实现按指定指令参数运行(水位、流量、闸门开度)[9]。其硬件设计包括闸门机械本体、控制系统、水位流量测量系统、电源系统，见图1。

图1 测控一体化闸门设备各模块组成示意图Fig.1 Composition of each module of the measurement and control integrated gate equipment

电源系统包括太阳能架杆和支架、太阳能电池板、蓄电池组、充电控制器，见图2。

图2 测控一体化闸门设计图Fig.2 Design drawing of measurement and control integrated gate

水位流量采集系统采用高精度的超声波水位计，实时采集测量箱内水位，通过3层超声波时差法流速仪测量每层流速，通过声学时差法流速仪测得顺、逆流方向的超声波传输时间差计算出测线平均流速，必须通过现场率定获得率定测线平均流速与断面平均流速的相关系数，并根据现场断面测量获取的水位与断面面积关系计算断面和流量。并上传给控制器和上位机，用户可以根据需要进行全自动配水及计费等。

控制系统将采集到的流量信息和终端用户发送的控制指令信息进行比对计算，根据用户指令控制闸门的开、关、停。驱动模块采用直流高精度启闭机，利用现有闸门的螺杆启闭机构，根据控制要求准确定位。现地人机交互模块是通过现地控制装置控制闸门，用户在现场实时操作一体化控制箱面板上的按钮,电动操控闸门开、关及停止，同时支持无电源情况下或紧急情况下手摇提闸功能，实现对闸门的手动控制。实现现地手动控制、现地自动控制、远程自动控制3种控制方式，采用TCP/IP网络数据传输，实时采集水位、闸位和流量监测数据，采用电子越限和机械越限2种保护手段，控制三相电机正反转，具有过流、过压和缺相保护，并采用光电隔离防雷保护[10-13]。现场安装图见图3。

图3 测控一体化闸门现场安装图Fig.3 Site installation drawing of measurement and control integrated gate

2 测控一体化闸门监控系统设计

闸门监控系统软件集成闸门及被控设备的监视及控制，在实现闸门自控算法的同时实现对闸门运行数据的管理，见图4。

图4 测控一体化闸门监控系统功能模块Fig.4 Function module for monitoring and controlling integrated gate system

(1)主控窗口。人机交互主界面，实现数据、状态及报警的显示，闸门运行模拟显示，闸门控制按钮、闸门开度、恒水位和恒流量参数输入，控制权限的显示与切换。

(2)闸门控制。实现水位流量的数据采集和闸门运行数据的收集，根据闸门运行方式和输入参数，生成运行指令，远程控制闸控站运行。定闸位控制：在定闸位控制界面的闸位输入窗口输入需要的闸位值并确认，闸位值发送给现场设备，现场控制柜负责将闸门启闭到指定开度，然后复位此命令。定流量控制：可以根据现时流量调节闸门开度，从而调节闸后流量到需要的数值。定水位控制：可以根据实时的闸前、闸后水位调节闸门开度，从而调节水位到需要的数值[14,15]。监控系统界面见图5，控制动画界面见图6。

图5 测控一体化闸门监控系统界面Fig.5 The interface of monitoring and controlling integrated gate system

图6 测控一体化闸门控制动画界面Fig.6 The animation interface of monitoring and controlling integrated gate system

(3)数据处理。进行闸控系统数据处理，是监控程序主要功能模块，负责所有闸控站点上报数据的计算、存储、查询、统计、报表、图示、打印等工作。所有数据均记录到服务器数据库中。按一定的时间间隔和一定的参数变化幅度记录水位、闸位、流量、状态数据，记录操作人员对各闸控站闸门的操作命令，包括操作时间、操作人员及具体动作命令。记录闸门超限、通讯故障、闸门故障等报警信息。根据记录的数据生成历史曲线或直方图，生成日、月、年报表。

(4)报警管理。在闸门运行过程中运行状态和信息被实时监控，作为闸门运行动作的前提判断条件，防止发生错误动作无法调节，更重要的是防止损坏设备。当监测信息出现越限或逻辑矛盾时，则启动紧急停机报警。报警包括现场声光报警并同时发送警戒信息至调度中心监控系统，在软件界面上显示报警信息并记录存储报警数据。

(5)通信管理。后台通信驱动，是监控系统软件的基础，负责数据传输。数据采集、命令下达均通过调用此模块实现。

(6)系统管理。增加、删除用户，修改用户权限，系统按用户组来分配操作权限，划分为操作员组、管理员组。操作员组的成员一般只能进行简单的日常操作；管理员组负责运行参数等功能的设置，并对重要的数据进行统计分析，分配或收回指定操作人员对指定闸门的操作权限，限制操作人员对操作记录的修改，修改密码及退出系统。

3 测控一体化闸门的调控机制

系统初始调节，控制软件设置预期给定，假定闸位和流量成线性关系，依据当前流量、设计流量、当前闸位，推算出预期闸位，闸门调节至预期值，等待动作时间间隔到达，比对当前流量和预期流量差值，依据上个调节阶段的数据，推算下次闸位需要上升或下降的数值，如果此数值小于闸位动作死区则闸门停止调节，等待下次动作时间间隔达到，再进行判断，如果此数值大于闸位动作死区，按推算出的数值进行调节。由于闸门恒流量、恒水位控制是一个时变、非线性和分布参数被控对象，一般 PID 控制其静、动态指标难以满足配水要求，特别对超调难以抑制，在此基础上引入带自学习功能的智能 PID 控制算法，以一般 PID 作为基础控制层，当系统偏差较大时，利用上层自学习智能控制器的多模态控制，修正基础层 PID 控制器的输出，以压低超调。当系统偏差小于某阈值按一般 PID 控制，见图7。

图7 测控一体化闸门调制机制流程图Fig.7 Flow chart of modulation mechanism for measurement and control integration gate

(1)PID控制算法。

PID差分方程为：

U(k)=U(k-1)+q0e(k)+q1e(k-1)+q2e(k-2)

实时控制时取:q0=0.8，q1=-0.95，q2=0.2，采样周期T=20 s。

(2)带自学习功能的智能PID控制算法。上层智能控制器由数据库、知识库、自学习环节和推理控制策略组成。数据库是用来存储被调整量y(k)、参考输入yr、偏差E、偏差变化率CE和PID控制器参数q0、q1、q2以及推理的中间结果等。

4 结 论

本文研发了一种集精确的流量计量、高精度闸门控制、全太阳能驱动和无线通讯功能于一体的智能测控化一体化闸门装置，是闸门联动控制和灌区信息化解决方案的基础。采用现代设计方法对闸门进行轻量优化设计，实现了驱动功率小，手自一体，可以利用太阳能浮充蓄电池供电，解决灌区大面积无交流电，只能用手动控制闸门的情况；采用无线物联网技术对闸门进行远程控制，解决了国外进口同类设备的缺陷和安全隐患，集成了定闸位、恒水位、恒流量3种控制模式，用自学习的PID控制机制实现动态调水，提高了输配水的控制精度和时效，解决了渠道末端控制问题。

系统建成后可在第一时间对闸门进行实时控制，缩短闸门启闭运行时间，减少水资源浪费，有效地提高系统设备的可靠性和自动化水平，完成对设备参数和运行工况的实时监视，消除设备运行隐患，确保设备的完好率和可用率，减轻运行人员劳动强度，实现无人或少人值班。