智能终端在武都引水工程灌区闸门控制中的应用

马中长，耿 琳

(1.四川省绵阳武都引水工程建设管理局，四川 绵阳，621700；2.四川省水利科学研究院，成都，610072)

1 武都引水工程概况

武都引水工程是四川省“五横六纵”引水补水网络中“六纵”之一，以农业灌溉为主，兼防洪、发电、城乡供水、航运、旅游开发、生态环保等综合利用的大型骨干水利工程，被小平同志誉为“第二个都江堰”，也是天府四川“再造一个都江堰灌区”重点战略性工程，该工程全面建成后，灌溉从川西北到川东北的绵阳、遂宁、广元和南充4地市10区市县21.8万hm2，受益人口1000余万，全力支撑着区域经济社会的可持续发展。武都引水工程主要由武都水库、取水枢纽、总干渠及其配套的各级渠系、渠系电站、提灌站和囤蓄水库组成。全灌区规划六级渠道119条，总长2109km。

近年来，随着武都引水二期工程逐步建成，武都引水工程将从工程建设为主转入工程供水管理为主的局面，从降低管理成本、提高工作效率、减轻操作人员劳动强度出发，需要考虑大力开展工程节制(供水)闸门和放水洞的自动计量、远程监控和视频监视的建设工作，以逐步实现武都引水工程供水管理智能化。

2 武引灌区闸门智能控制的必要性

闸门是用于关闭和开放泄(放)水通道的控制设施，是水工建筑物的重要组成部分，可用于拦截水流、控制水位、调节流量、排放泥沙和漂浮物等。闸门测流是利用已有水工建筑物，监测闸前后水位、闸门开度等参数，结合原有建筑物水工模型计算过闸流量。

先进的闸门监控系统是高效、可靠的水资源调度系统的基础，闸门远程自动控制是实现灌区现代化的关键[1]。闸门自动控制可以提高灌区供水的准确性和水资源的使用效率，同时降低工作人员的劳动强度，提高配水管理水平、灌溉效益和灌区现代化水平。实现灌区闸门远程自动控制，对于实现灌区精准量水控水、科学调度和信息化管理都有重要意义[2]。

武都灌区供水渠道有上千公里，战线长，距离遥远，舟车劳顿、人员辛苦，现有几十个渠道供水交接位置的节制闸门和数百个放水洞，分水控制和流量掌握基本上都是靠水管人员手动操作和经验估算，人为因素较大，计量准确性可变幅度值较大，管理水平低下，管理效率低下。随着武引二期的即将建成通水、武引三期的筹建，武引灌区供水节制闸门、泄洪闸门、放水洞等水工建筑物将更多，而且这些闸门放水洞普遍建设在丘陵低山的半坡上。按照原有管理模式，日常管理需要大量的水管人员长途跋涉去现场开启或者关闭闸门，耗时耗力，效率低下，与灌区信息化建设的要求差距较大[3]，迫切需要对供水渠道交接位置的节制闸门和一年四季给水电站、自来水厂供水的渠道入口闸门进行现代化改造，将流量测量、闸门前水位调节控制和闸门开度控制结合成一个整体来调控渠道水量，实现可视化的闸门远程智能控制，提高灌区管理的现代化水平。

3 智能终端在武引灌区闸控系统中的应用

武引一期闸门智能监控系统以计算机网络及数据库为支撑，智能终端通过下位机实时自动测量收集闸门前后水位、闸门开度、影像等数据，实时向用户发送水情信息。根据预先设置水力学公式计算流量，分析处理数据形成决策信息；根据用户提供的优化调度计划用水等信息，向闸门发出操作指令，启闭电机操控闸门开度，辅助视频监控查看自动闸控是否执行准确，对渠道闸门进行监测控制，实现水资源的精准计量控制。硬件系统包括闸门机械系统、闸门控制系统、水位流量测量系统、视频监控系统、电源系统等[4]。

图1 闸门智能控制系统结构

监控中心通常有两种建设方式，用户早期使用通用组态软件平台，成本低，实施简单，当场景搭建起来后，能发现更多的软件实际需求，通用组态软件平台属于二次开发，功能相对固定，在后期设备增多的情况下，通常会选择定制专用的监控中心软件。

本次武引灌区的监控方案采用定制开发的“智慧武引平台”，GRM230终端为控制大脑，终端提供标准的WEB访问接口，软件开发团队可以轻松获取数据，制作自己的数据展示平台，无需了解任何PLC底层通讯协议。智能终端通过本机IO直接连接现场的4路模拟量4路开关量数据。具有可编程的4路继电器开关量输出信号，作为闸门升降控制与告警输出使用，内置逻辑编程功能，可独立当成一个小型PLC使用，降低用户系统投资成本，实现远程组态软件监控、电脑网页与手机APP监控。集成了数据釆集、运算、无线网络、视频监控等为一体的工控结构，彻底解决传统GRPS DTU不稳定、速度慢、使用复杂的问题。智能终端自带的4G无线通信功能，可以使用电信、移动、联通等三大通信运营商的流量卡，有一个网口可以接入网络摄像机，传输现场实时视频图像到工作人员的计算机或手机。系统的采集与控制都设置了严格的权限管理，传输采用银行级数据加密技术，云平台通过赛门铁克安全认证，阿里云硬件防火墙确保数据安全。

4 技术应用成效

(1)系统利用巨控远程4G通讯模块和云安全平台提供的数据交换功能，在各种场合灵活地传输数据，不受距离和环境限制，适用于各种不方便拉线的现场，比如点对点，点对多点，开关量或模拟量传输，远程报警显示，远程PLC数据传输等。采用非VPN透传，PLC无需增加通讯程序，定时传输和智能阀值判断，最大程度节约流量，配合APP使用，简单清晰，随时随地查看各地数据情况和交换情况。

(2)系统的巨控4G远程通讯模块延迟仅为200ms，满足实时工业通讯的需求，模块同时具备丰富的IO接口、串口、网口，内置可编程功能，可以同时实现远传和逻辑控制。当输入(输出)点位满足应用场景时GRM230智能终端就可以当作为一个小型PLC使用，且该产品具有路由器功能，通过该智能终端十分方便将现场视频图像上传，节省了另外部署视频图像传输通道的费用[5]。

(3)将太阳能电池板提供能源给蓄电池充电并储存的技术，应用于水利工程边远地区的工程管理、控制，不用花费高昂费用架设交流供电线路，达到投资省、施工快速、供电可靠、设备工作稳定的效果，在小型水利工程项目中有很大的推广应用价值。

(4)系统将串励直流电动机应用于武引灌区闸控系统，作为水利工程闸门启闭机的升降动力源，控制接线简单，正反转很容易实现，且基本上没有维护工作。

(5)系统将工业注塑系统的位移测量传感器变通，用于水利工程小微型闸门的开度测定，实现了水利工程闸门位移测量毫米级别的效果。

(6)武引灌区首次将DN300mm的管道式电磁流量计应用于实时流量测定，测量范围是100m3/h～1000m3/h，0.02778m3/s～0.2778m3/s(武引工程涪梓干渠下段46号放水洞设计放水流量是0.25m3/s)。

武引工程通过2个放水洞13个节制(泄洪、供水)闸门远程监控系统建设的实际运行，能够实现闸门放水计量和统计水量值，远程升降(开关)闸门(闸阀)和监测闸门开度、闸门状态，形成历史数据。一个智能终端就完成自动控制、数据的采集与上传下达、现场视频上传，且是加密传输，日常通信运行费用低，120G通信流量可以满足一个智能终端一年需求。

5 实现的功能

武都引水工程灌区在实施闸门自动控制工程中，充分发挥了GRM230智能终端具有的实用性强、技术支持及时、后续服务到位、云平台功能强大功能，实现可量、可控、可视的多项功能，满足了现场管理的要求。

5.1 实现了可视化的闸控功能

以前的灌区闸控都是系统自动启闭电机控制闸门，无法看到现场实时工作情况，闸门是否达到了预设的开度，是否失控造成了安全事故难以知晓。实现了视频监控以后，不仅很好地解决了以上问题，还可以实时在计算机和手机APP观看闸门工况和水流情况，便于异地远程控制和实现数据多人共享会商等功能。

图2 系统远程控制界面

5.2 实现了流量的采集计算和统计功能

实现了利用传感器自动采集计算供水闸门(或放水洞)下泄水流的流量值(根据闸前水位值和闸门开启高度值自动计算)、放水过程的累积水量值。改造前，节制(放水洞)闸门的放水水量统计数据一般是按天或供水时段进行人工观测统计；改造后，实现了根据闸前水位和闸门开度值进行实时测定计算下泄水流的流量，按秒钟累积统计供水的水量，科学高效地提高了输配水的准确性。

5.3 实现了计划供水功能

计划供水是灌区用水管理的重要内容，以前的计划用水管理完全依靠管理人员的经验估算，无法实现精准的计划供水；本次改造后，系统实现了实际放水水量达到计划供水量值时闸门(闸阀)就自动关闭的功能，可以逐步实现付费取水的方式，即根据缴纳的水费数额下放相应的水量，促使水利工程管理更加科学化、人性化、现代化、工程运行数字化。为了便于维修和突发状况，系统保留现场手动控制和手摇升降闸门的功能。

5.4 实现了现代化管理功能

利用智能终端改造了闸门监控系统后，实现了在办公室计算机或者个人手机上远程视频控制闸阀，可同时监测(监控)多个放水洞或放水闸门的现场运行工况，还可以视频查看现场闸控启闭是否准确以及实时工况等情况，实现了武引工程渠道中的节制(泄洪)闸门、放水洞等放水过程的所有数据数字化、闸门运行远程自动化、放水成果追溯可查有依据、管理工作精细化。避免了放人情水、计量不及时、水量统计离散性大、计量准确性差(一般是按天或供水时段、至少是按小时进行统计)、大幅度降低了工程管理人员的劳动强度，大幅度提高了灌区的管理水平。

6 建设经验及建议

武都引水工程灌区在应用巨控科技GRM230智能终端进行闸门控制的实践中，充分发挥了智能终端具有的实用性强、技术支持及时、后续服务到位、云平台功能强大优势，满足了现场使用要求。总结武引一期闸门智能监控系统建设运行期间的经验，对类似灌区的闸控建设提出如下建议：

(1)灌区闸门及放水洞自动化改造工作，适宜“一闸(洞)一策”的模式，尤其是每一个放水洞的组成结构不一样，有的是闸阀而出水管是钢管，有的是闸门而出水管是水泥管，需要选择符合精度要求的流量计。推荐选择分体式电磁流量计，其中测量单元防水等级为IP68级别，可防止因山洪暴发，杂物堵塞防护栅栏被洪水淹没测量单元，造成设备损坏。

(2)节制(供水、放水洞)闸门的测流需要根据水位闸门开度等指标进行流量计算，需要安装传感器测定闸前、闸后水位和闸门开度等指标。但是，往往由于闸前后水位计安装位置或者闸门运行工况不同，闸前水流紊乱水位波动较大，直接影响到水位传感器的读数精度，进而影响计算得到的通过闸门的流量，需要采取措施改善闸门前后的水流条件或者采用增加水位传感器的方式或者率定流量的方式进行校正。武引工程灌区在江绵分支渠供水闸门下游200m处建立了水标尺，用转桨式流速仪测断面流速计算流量值进行流量测验，及时调整率定流量计算公式，提高了武引工程闸门供水计量的准确度。

结合武引灌区的实际情况，在常年供水或者季节性放水的闸门(放水洞)实现对闸门的远程监控、视频监控、数据采集等上传下达，达到对闸门的智能控制(定闸门开度自动运行、定水量自动关闭闸门、自动计算下泄水流的流量和累计水量)，实现了渠道供水调水的远程监控、渠道水位与闸门状态的远程视频监视功能，可以大幅度降低管理人员劳动强度，提高灌区的管理效率，节约农业灌溉用水，提高灌区现代化水平。