七一灌區新型測控一體閘門的設計與應用

康蛇龍，張寬義，顏 華，王世隆

（1.河北省水利水電勘測設計研究院集團有限公司，天津 300250；2.西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100）

明渠自流灌溉是灌區主要的灌溉輸水方式之一，閘門是調節渠道流量的基礎水工建筑物。測控一體閘門主要利用傳感器采集閘門開度和水位信息，結合網絡通信和物聯網技術，實現對渠道流量的實時監測和控制，其具備閘門啟閉、自動控制、流量測量、遠程通信等功能[1-7]，并按照輸配水計劃控制渠道以給定水位或水量運行。近年來，我國一些灌區陸續在干、支渠上引進國外的測控一體閘，實現了閘門的自動化和信息化改造，提高了灌溉水利用效率。但由于各灌區斗、農渠，及以下渠道類型各異、數量眾多，引進的測控一體閘門應用中仍然存在通信不穩定、傳感器失效、參數有待優化等問題[8-10]，自主研發適用不同灌區的新型測控一體閘門至關重要?；诖?，本文結合七一灌區輸配水渠道的特點，設計了不同規格的新型測控一體閘門，對于促進灌區現代化和信息化建設、提高用水管理水平、推動農業高質量持續發展具有重要的現實意義。

1 七一灌區概況

七一灌區地處涿鹿縣桑干河南，涿鹿縣隸屬河北省張家口市，位于河北省西北部永定河上游，北京市西北部。灌區西起與宣化區接壤的石湖溝，東至五堡鎮的代家溝，南至石門溝口，北至桑南一干渠。七一干渠渠首自桑干河引水，末端尾水排入代家溝河。灌區覆蓋面積4 573.3 hm2，有效灌溉面積3 933.3 hm2，實灌面積3 527.3 hm2，其中自流灌溉面積2 557.3 hm2，揚水灌溉面積970.0 hm2。七一干渠全長37.8 km，其中輸水總干渠16.9 km，有隧洞48 座，長83 km，設計過水能力12.0 m3/s；灌溉干渠21.0 km，有隧洞14 座長4.8 km，灌溉干渠21 支渠節制閘上游段設計過水能力5.0 m3/s，21支渠節制閘下游段設計過水能力3.0 m3/s。七一灌區處于太行山背風區，屬于溫帶半干旱大陸性季風氣候，田間用水受天氣影響較大，冬灌和春灌受冬季降雪量影響，夏灌受雨水影響。正常年份田間灌溉凈用水量為130 m3/667 m2，降水少的干旱年份，田間灌溉凈用水量為160 m3/667 m2。灌區以大田農作物為主，其中有少量水果，玉米產量為900～1 050 kg/667 m2，水果產量為3 000 kg/667 m2。

七一灌區閘門自動化改造集中在民生渠、南二干渠、廣濟渠、合作二渠，共計建設測控一體閘門127 套，配套測流設施98 套，增設視頻監控45 個，用于實時監控各分水口閘門現場運行情況及調度中心周邊環境。

2 測控一體閘門系統構成及測流原理

2.1 系統構成

測控一體閘門主要由閘體、控制系統、通信系統和供電系統組成，包括門板、導軌、立柱、止水、執行機構、防護罩等部分。其中，門板采用37 mm或60 mm厚的蜂窩鋁芯與5 mm 厚的鋁板復合壓制而成；立柱選用工業鋁合金制作擠出式型材連接成型，閘框連接接合面設計相應的定位結構，以保證裝配精度和結構穩定性。執行機構包括直流電機，編碼器和傳動軸。閘門啟閉過程如下：電機轉動帶動傳動軸旋轉，編碼器記錄旋轉圈數和速度，傳動軸帶動導軌上下移動，聯動門板啟閉，雙導軌設計保證門板移動的穩定性，避免發生偏移和卡頓；閘門采用大功率渦輪減速直流電機驅動，蝸輪蝸桿減速機具有反向自鎖功能，電機軸與啟閉機連接，通過電機的正反轉控制啟閉機轉動，實現閘門板的上升和下降，緊急情況下可使用專用手柄對閘門進行手動操作。電機配套自動化控制柜，使閘門實現遠程控制和現地操作，滿足閘門開啟和關閉的自動化要求。測控一體閘門的結構示意圖和實物圖，具體如圖1所示。

圖1 閘體結構與實物圖Fig.1 Gate body structure and physical picture

閘門控制系統具備流量監測和閘門自動控制功能，提供本地手動控制、閘門開度控制等功能。根據實時監測的渠道水位流量，通過閘控軟件來控制閘門的開度，實現閘門的自動化控制。在閘門上下游配置水位計，實時監測上游水位、下游水位、當前流量、現場監控等信息，通過通信系統將信息上傳至配水管理站、調度中心及各級水務機構。根據七一灌區多年的灌溉用水量和渠道規格，設計的多種規格類型測控一體閘門水深范圍0.97～2.38 m、流量0.1～3 m3/s，涵蓋多數斗、農渠過流范圍。測控一體閘門的具體參數如表1所示，通信網絡拓撲如圖2所示。

表1 測控一體閘門參數Tab.1 Parameters of measurement and control integrated gate

圖2 通信網絡拓撲圖Fig.2 Communication network topology

2.2 測流原理

灌區渠道流量測量有多種方式，常見的有水工建筑物量水、特設量水設備量水和儀器儀表量水等[11]。利用閘門測流屬于水工建筑物量水，在分水口設立平板閘門作為節制閘或分水閘，通過改變閘門開度大小控制渠道分水量。閘門測流的原理是閘孔出流，根據測得的閘門上下游水深和閘門開度計算過閘流量。當閘門開度與上游水深之比e/H≤0.65 時，過流狀態為閘孔出流；e/H＞0.65時，過流狀態為堰流。閘孔出流又分為自由出流和淹沒出流，當下游水深較小不影響閘門出流時為自由出流，反之則為淹沒出流。閘孔自由出流和淹沒出流計算與閘門開度、上下游水深有關，具體計算方式見文獻[12-13]。

式中：b為閘門寬度，m；H為閘門上游水深，m；e為閘門開度，m；g 為重力加速度，取9.81 m/s2；Q為過閘流量，m3/s；μ為自由出流流量系數；σs為淹沒出流流量系數。

測控一體閘門采用雷達水位計測得上下游水深，旋轉編碼器測得閘門開度，代入公式計算出流量，也可以根據目標需求流量調整閘門開度。

3 測控一體閘門硬件設備組成

3.1 閘門開度傳感器

采用多圈絕對值編碼器AM-L50S80實時采集閘門高度，內部有通過旋轉碼盤與轉軸（多轉軸）連動，閘門的機械運動通過機械轉換機構轉換為轉動，驅動碼盤轉動，精確測出閘門開度。編碼器是非接觸式超低轉矩的全量型編碼器，當閘門上升或下降時，通過連接閘門相應裝置自收纜裝置帶動編碼器旋轉，產生與閘門開度相對應的數據信息，進行數字化處理后經接口電路輸出并向上導出到液晶屏顯示，通過RS485 通信的方式傳送至閘門測控終端，在人機界面顯示閘位數據和閘門運行狀態，為自動控制提供依據。絕對式編碼器的每個位置是唯一的，即使掉電時位置也不會丟失，一旦電源接通即可讀出其準確的閘門位置信號，分辨率達1 mm，依據不同渠道閘門運行范圍，選用不同的量程，具體參數如表2所示。

表2 AM-L50S80旋轉編碼器參數表Tab.2 Parameters of AM-L50S80 rotary encoder

3.2 閘門荷重儀

荷重傳感器是通過檢驗受力載體所受的載荷測量起重機載質量。傳感器以mV 模擬量輸出供信號轉換變送裝置采集，經變送器信號處理后以4～20 mA 信號輸出，可直接供儀表或RTU 及其他系統采集。螺桿啟閉機專用超載保護器可根據2種不同安裝方式，方便地安裝在螺桿機座中間或基座下，每一邊各裝置1只超載保護裝置，通過兩邊的固定螺絲分別與基座和底角相連接，每臺螺桿啟閉機安裝2 只超載保護裝置（或一邊使用相同尺寸的鋼制件）。利用荷重傳感器正反受力的原理來實現螺桿機過載保護。傳感器與控制器及儀表組成超載限制系統后，將具有報警并切斷起重機起升回路電源的功能。

3.3 雷達水位計

采用高精度毫米波雷達水位計ZG-RD100 測量閘門上下游水位，該設備具有測量精度高、功耗低、體積超小等優勢。使用76～81 GHz 的調頻連續波（FMCW），工作頻率更高，帶寬更大，測量精度更高，最大量程可以達到30 m，盲區在10 cm以內。具有非接觸、高精度、小體積、節能等特點，測量時不受腐蝕、溫度梯度、氣壓、水面水汽、水中氣泡和沉淀物的影響。ZG-RD100雷達水位計參數如表3所示。

表3 ZG-RD100雷達水位計參數表Tab.3 Parameters of ZG-RD100 radar water level gauge

3.4 閘門測控終端

閘門測控終端是集存儲、通信、電機驅動與檢測、閘門控制等功能于一體的終端系統。第一，通信功能。內置4G 全網通模塊，支持所有運營商和頻段的卡，解決了信號覆蓋問題，可以同時收發短信和網絡數據，可同時與4個服務器進行數據通信，且具有低功耗待機功能，可以遠程喚醒；原生以太網絡接口，自主研發的TCP/IP 協議棧，支持10/100 Mb/s全雙工以太網絡接口。第二，存儲功能。內置NANDFLASH 固態存儲模塊，內存≥128 MB，可存儲5 a 以上的數據；可擴展1～512 G 固態硬盤存儲；內置MRAM，用于存儲需實時存儲的數據，次數不限，安全可靠。第三，輸出控制。具有多路三極管輸出功能，可用于外部控制，最大負載電流為500 mA。第四，視頻采集。具有RJ45 網口支持視頻網絡球機的接入，可以接入任意廠家的網絡攝像機，實現視頻直播；支持遠程視頻實時直播、視頻定時拍攝并遠程提取歷史視頻、采集超閾值數據視頻聯動抓拍，共3種視頻錄制模式。第五，電機驅動與檢測功能。設備可控制直流電機和交流電機的正反轉運行；可實時監測電機電流，防止電流過載；驅動能力30 A 以上。第六，閘門控制功能。設備可根據閘門開度、過閘流量、閘后水位等多種方式自動調節閘門開啟高度；閘門開度采集精度0.1 mm，閘門開度控制精度0.5 mm。第七，設備保護功能。設備具有多種防護機制，發生供電異常、通信異常、異物卡阻等情況時，都能快速響應，啟動保護機制，確保設備正常。

測控終端人機界面采用原生支持24 位RGB 的TFTLCD 接口。默認配置25.4 cm（10 英寸）LVDS 全視角真彩色電容式觸摸屏，分辨率不低于1 280×800，色彩豐富，顯示清晰，可實時顯示視頻圖像；觸摸材質為電容式，操作方便可靠，工作溫度為-20～70 ℃；具有按鍵式喚醒按鈕，控制觸摸屏的開啟和關閉，其測控終端界面如圖3 所示。為滿足應用要求，設計多種工作模式：流量控制模式、開度控制模式、閘前水位控制模式、閘后水位控制模式、聯動控制模式等。每種工作模式下，實時流量都由閘門測控終端上傳至云控制中心。

圖3 閘門測控終端界面Fig.3 Gate control terminal interface

4 測控一體閘門通信系統

閘門測控終端采集閘門開度傳感器、荷重儀、雷達水位計的數據信息，并計算顯示閘門開度、上下游水位、當前流量和累計流量等信息，各傳感器通過RS485、GPRS、物聯網等方式與閘門測控終端建立通信，在測控一體閘門旁建立閘門控制柜，并做好防雨防潮措施。測控終端通過信號線將閘位、水位數據傳輸到閘門控制柜中的控制單元，控制單元通過4GTD-LTE 寬帶無線通信專網將閘位數據和閘門狀態傳輸到現地管理站及灌區管理處，管理人員通過管理工作站來實現閘門的遠程的控制。通信系統組成如圖4所示。

圖4 通信系統組成圖Fig.4 Diagram of communication system composition

5 測控一體閘門供電系統

各閘口處于野外環境，現場無市電供給。七一灌區平均日照時數2 854.8 h/a，平均蒸發量1 727.5 mm/a，平均風速2.4 m/s。有視頻監控需求的站點采用風光互補的方式供電，太陽能與風能在時間和地域上有很強的互補性，風光互補能夠降低系統的總成本。綜合考慮現場環境和施工成本，故選用太陽能供電。

系統配置蓄電池的容量要滿足在無風、陰雨天情況下至少維持10 d 對設備供電，其輸出電壓按照24 V設計，以蓄電池放電容量70%計算。根據遙測終端機、視頻監控、傳感器等硬件設備的參數和工作時間，選用24 V、200 Ah 的蓄電池。風力發電使用垂直式，風速為2～60 m/s 都可安全使用。風力發電機組采用渦輪風葉造型，能達到空間360°受風，在微風和臺風天氣下都可以正常發電。同時，根據現場風力情況，配置1 臺額定功率200 W 的風力發電組件，滿足風力無法達到風機的額定運行風速時也能正常發電。為最大化利用太陽照射時間內的發電，以較短的時間給蓄電池組充電，配置2組額定功率100 W 的太陽能發電組件，以滿足系統需要。

6 結論

針對七一灌區渠道類型和設計流量，自主設計研發配套的新型測控一體閘門，測流原理為閘孔出流，雷達水位計和旋轉編碼器分別測得閘門下游水位和閘門開度。其終端采集各個傳感器的數據，分析計算水位、瞬時流量、累積流量等信息，并通過4G 網絡傳輸到管理端和各級單位。同時設計了風光互補的供電系統，可滿足野外灌區測控一體閘門10 d 的用電需求。新型測控一體閘門實際運行情況良好，測流精度較高，閘門控制準確，符合預期要求。