手改电闸门测控一体化技术实现与应用

向旭华 史中兴 许卓宁 秦志强 于树利

摘 要：根据黄河流域引黄灌区引水多泥沙、易淤积的特点，采用电子、自动控制、物联通信、防盗防破坏等关键技术研发了适合手动闸门量水控制的手改电闸门测控一体化系统。系统中设计了太阳能供电装置，将手动闸门改造成电动闸门进行控制，闸门下游设计安装超声波水位计测量闸门下游标准堰槽处的水位及流量，并作為反馈值反馈给闸门控制单元，通过内置控制算法程序驱动闸门启闭机实现闸门闸位、水位及过闸流量的动态控制;系统上位应用管理软件引入智能PID控制算法，实现了系统参数自动调节和稳定运行。系统在引黄灌区开展应用，解决了引黄灌区手动闸门长期靠人工计量与控制造成的测控精度低、实时性差问题，实现了手改电闸门的水位、闸位及流量的远程自动控制。

关键词：手改电闸门;测控一体化技术;引黄灌区

中图分类号：TP23;TP319文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.06.033

Realization and Application of Integrated Measurement and Control

Technology of Manual to Electric Gate

XIANG Xuhua1，SHI Zhongxing2，XU Zhuoning3，QIN Zhiqiang3，YU Shuli3

（1. Jiuquan Water Affairs Bureau，Jiuquan 735000，China; 2. Gansu Jingtaichuan Electric Power Lifting Irrigation Administration

Bureau，Jingtai 730400，China; 3. Tangshan Modern Industrial Control Technology Co.， Ltd.，Tangshan 063020，China）

Abstract： According to the characteristics of sediment and siltation in the irrigation area of the Yellow River basin， the integrated monitoring and control system of the hand-changed electric gate was developed by using the key technologies of electronics， automatic control， communication between objects， anti-theft and anti-destruction. Solar power supply system was designed in the system. The manual gate was transformed into an electric gate for control. An indirect ultrasonic water level meter was installed downstream of the gate to measure the water level and flowed at the standard weir channel downstream of the gate. The feedback value was fed back to the gate control unit and the gate was driven by the built-in control algorithm program. The hoist realized the dynamic control balance of gate level， water level and flowed through the gate; the upper application management software of the system introduced the second-order system and the intelligent PID control algorithm with self-learning function of self-learning PID， and explored and designed the application management software suitable for the integrated monitoring and control system of the hand-changed gate. The system had been applied in the irrigation area of the Yellow River diversion. It had solved the old and difficult problems of the manual gate in the irrigation area of the Yellow River diversion， such as long-term manual measurement and control， low measurement and control and poor real-time performance， and had realized the remote automatic control of the water level， gate level and flow of the manual gate.

Key words： manual to electric gate; integration technology of measurement and control; Yellow River irrigation area

1 引 言

黄河流域有许多大型的引黄灌区，历来是我国的粮食主产地。但是黄河水自古以来就有泥沙含量高、淤积严重等特点，采用传统的投入式等直接量测水方式，很难保证量测的精度，不适合水量的计量和监控;而且手动闸门地处野外，点多面广，在供电、通信、防盜防破坏等方面存在一系列问题。长期以来，引黄灌区手动闸门的量测水方式较为落后，精度低、实时性差，难以达到水资源精细化管理的要求。

笔者从引黄灌区手动闸门的应用实际出发，研制开发手改电闸门测控一体化系统，在闸门下游安装适合量测多泥沙水流的间接式测量装置——超声波水位计，并将测得的下游水位、流量信息作为反馈值反馈到闸门核心控制单元，通过内部算法及程序控制闸门启闭机，实现了手动闸门闸位、水位及流量调节3种模式的远程自动控制，解决了灌区手动闸门缺乏适合的测控一体化系统，难以实现远程自动控制，测控精度低、实时性差、水资源浪费严重、分配不均衡的问题。

2 灌区量测系统现状

发达国家将军工技术转化为民用，在量测水硬件及软件方面都较为成熟。但是从国外进口设备价格昂贵，其软件都是配套硬件使用的，国内灌区管理单位因价格及维护成本高，很难大量采购，因而不能广泛应用。

我国自“十一五”以来进行了灌区信息化的建设，在通信、软件等方面取得了一定的成果。但这些成果主要针对电动闸门，而灌区普遍存在的面向用水户计量收费的手动闸门，地处野外，受供电、防护设施及通信网络的限制，特别是黄河流域各引黄灌区因引水多泥沙、渠道易淤积等，一直难以实现自动控制，大多采用人工操作量测水位，手工计算流量，导致测控精度低、实时性差等问题。

3 闸门测控系统总体设计

从引黄灌区手动闸门的实际情况出发，采用电子、自动控制、物联通信、防盗防破坏等技术对手动闸门测控系统的关键技术进行技术攻关，总体思路是在手动闸门现地建立太阳能供电系统，给测控系统供电，将手动闸门改造成电动闸门进行监控，并研发闸门调控器作为闸门的核心监控仪表，外围配以闸门运行电路、通信接口闸门减速机、启闭机及闸位传感器等，形成测控一体闸门，并在闸门的下游标准堰槽处安装超声波水位计，采用间接式测量方法测量水位、流量，解决了因渠道水含沙量高、易淤积而导致的测量精度低的问题。超声波水位计监测标准堰槽的水位及流量，作为闸门调控器的水位及流量反馈值，并通过内部量水算法，与闸门的闸位等设定值进行比对，在系统的动态调整过程中实现手改电闸门的恒水位、恒流量、恒闸位的自动控制及动态平衡。

4 系统软硬件设计

4.1 测控一体闸门

测控一体闸门包含闸门调控器、通信接口、闸门运行电路、闸门减速电动机及闸位传感器，见图1。闸门调控器分别连接通信接口、闸门运行电路，闸门运行电路连接闸门减速电动机，通信接口为现地无线通信接口或远程无线通信接口，也可二者兼有。

测控一体闸门具有恒流量、恒水位、恒闸位3种控制模式。

4.1.1 恒流量控制模式

测控一体闸门经远程通信网络从远程监控计算机或手持智能设备获取闸门流量给定值，闸门量水监测设备经通信接口从测控一体闸门获取闸位传感器的数据，作为闸门流量反馈值。当闸门流量反馈值与闸门流量给定值的差值超过规定的范围时，闸门调控器通过闸门运行电路控制闸门减速电动机调节闸门启闭机，使闸门流量反馈值与闸门流量设定值的差值达到规定范围;当渠道条件变化导致闸门流量反馈值变化，与闸门流量给定值的差值超过规定范围时，自动调节，再次使闸门流量反馈值与闸门流量给定值的差值达到规定范围，从而实现闸门流量的自动调节。

4.1.2 恒水位控制模式

测控一体闸门经远程通信网络从远程监控计算机或手持智能设备上获取闸门下游的水位给定值，闸门量水监测设备监测的水位值作为水位反馈值，当水位反馈值与给定值的差值超过规定范围时，闸门调控器通过闸门运行电路控制闸门减速电动机调节闸门启闭机，使闸门水位反馈值与闸门水位设定值的差值达到规定范围;当闸门情况发生变化时，导致闸门量水监测设备的水位反馈值发生变化，与闸门下游水位给定值的差值超过规定范围时，再次进行调节，使闸门下游水位反馈值与闸门下游水位给定值的差值达到允许范围，从而实现闸门下游水位的自动调节。

4.1.3 恒闸位控制模式

测控一体闸门经远程通信网络从远程监控计算机或手持智能设备上获取闸门闸位给定值，闸门调控器通过闸门运行电路控制闸门减速电动机调节闸门启闭机，使闸门闸位反馈值与闸门闸位设定值的差值达到规定的范围，并使闸门保持现有的闸位状态运行。

4.2 物联螺杆闸位传感器

灌区手动闸门一般都是平板螺杆闸，在长期的使用过程中因为现场环境及人为操作因素，螺杆或多或少存在一定的弯曲，闸门传感器与螺杆的靠近安装啮合方式，势必造成闸位传感器与螺杆脱齿、顶齿的现象发生，从而影响闸门传感器的测量精度。将闸位传感器、限位保护装置集成为闸门随动系统，使闸位传感器保持与螺杆紧密啮合，同时又防止脱齿、丢齿的情况发生，大大提高了闸位的测量精度。

物联螺杆闸位传感器包含单片机电路、螺杆、底板、可调板、压板、可调测齿传感器、无线通信模块、锂电池和防水壳。底板上设有可调板、压板和防水壳，可调板、压板和防水壳之间的底板上设有可调孔，螺杆置于可调孔中，单片机电路、无线通信模块和锂电池设置在防水壳内，无线通信模块及锂电池分别连接单片机电路，单片机电路通过线路连接防水壳外的可调测齿传感器，可调测齿传感器与螺杆接触匹配，可调板的两侧设有滑道，通过定位螺栓与滑道连接，可调板与螺杆相接处匹配，从而保证闸位传感器与螺杆紧密啮合。

4.3 太阳能供电系统

太阳能供电系统主要由太阳能电池板、充电控制器、蓄电池、防雷接地系统、太阳能支架及蓄电池箱体组成，其中防雷接地系统包括避雷针、接闪器、接地线及接地极等。

太阳能电池板根据现场启闭机的吨位及测控一体闸门运行耗电量进行选择。太阳能供电系统通过电源转换模块将电源连接到闸门调控器，由闸门调控器通过闸门运行电路驱动闸门减速电动机，拖动闸门启闭机完成闸门的升降。

4.4 闸门量水监测设备

闸门量水监测设备通常为一体化超声波水位计，在有坡降的条件下安装在闸门下游的标准堰槽处。超声波水位计采集的水位信息通过现地无线通信网络传输到通信接口，进而传输给闸门调控器。闸门调控器通过内置算法进行反馈值与设定值比对，当反馈值与设定值的差值在规定范围内时，完成闸门的自动调节过程，实现对过闸流量的控制。

一体化超声波水位计安装载体为配套研发的一体化测井。水位计测井通常安装在测桥上，水位计测井与测桥砌筑在一起，即测井与测桥同时砌筑、同时安装，缩短了一体化超声波水位计的施工周期，降低了造价。水位计安装时，只需将水位计投入测井中，即完成安装，省时省力，简单方便。测井上部安装防盗帽，对水位计起防盗防破坏的作用。

4.5 测控一体闸门的防护

测控一体闸门防护外壳采用一体化设计，防护等级为IP65。外部防盗门采用专利技术研发的防盗锁，防盗锁采用专用的钥匙才能打开，减少了野外破坏，对野外安装设备起到了防护和防盗的作用。

4.6 上位应用管理软件

软件基于.net Frame Work、C#程序设计语言和SQL数据库，以B/S模型为主，部分通过C/S模型程序辅助的开发方案。软件开发过程中综合运用了分布式数据库、分布式计算、地理信息系统、多媒体、基于Ajax的B/S模式实时信息处理、COMET等技术[1]。在此基础上，对系统软件的调控算法进行深入研究，引入了二阶系统及自学习PID的智能PID控制算法[2]，实现了系统参数自动调节和稳定运行。

5 系统应用

手改电闸门测控一体化系统在甘肃景电灌区得到了应用。系统应用结果表明：系统运行稳定可靠，提高了闸门控制精度及灌溉水利用系数，降低了人员费用，提高了信息化水平。

6 结 语

手改电闸门测控一体化系统实现了对灌区手动闸门水位、闸位及流量等的远程自动控制，改变了原来灌区手动闸门依靠人工监测、手工计算导致的监控精度低、实时性差、灌溉水利用系数低、调配不均衡等问题，实现了手动闸门的远程精准控制与调节，为引黄灌区实现全方位信息化建设提供了可靠的技术保障。

参考文献：

[1] 于树利，马月坤，许卓宁.灌区渠道一體化量水装置及监测系统的设计与实现[J].华北水利水电学院学报，2012，33（5）：7-9.

[2] 葛一楠，唐毅谦，喻晓红，等.自动控制原理[M].北京：清华大学出版社，2016：105-107.

【责任编辑 许立新】