高 軍，談曉珊，周亞平，劉 戀

(1.水利部南京水利水文自動化研究所，南京 210012；2.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，南京 210012)

0 引 言

“十三五”開始，國家發(fā)展改革委員會、水利部多次發(fā)文指出水資源開發(fā)、利用要“量水而行”，以確保我國水資源的限量開發(fā)、有效利用和可持續(xù)發(fā)展，按照“水資源作為最大剛性約束”的要求，充分利用信息化手段，實現(xiàn)規(guī)模以上取水口監(jiān)測的全覆蓋，建成全天候的監(jiān)測體系[1]。由于灌溉水資源占全國水資源的 54% 以上，因此，灌溉節(jié)水就成了國家節(jié)水的重中之重。在“節(jié)水增糧(東北地區(qū))、節(jié)水增效(西北地區(qū))、節(jié)水壓采(華北地區(qū))和節(jié)水減排(華南地區(qū))”方針指導(dǎo)下，為了有效管理并控制灌溉用水量，國家從“十三五”開始，制定了一系列政策和措施對灌溉用水從水源地開始直至末級受水單元建立精準(zhǔn)量水體系及監(jiān)管措施。由于長期對農(nóng)業(yè)灌溉用水管理的重視不夠，量測水監(jiān)測設(shè)施設(shè)備和技術(shù)較為陳舊和落后[2,3]，當(dāng)前以及很長一段時間明渠自流灌溉仍是我國灌溉用水輸送的主要方式，輸水渠道水調(diào)節(jié)多采用傳統(tǒng)的鑄鐵閘門，配套螺桿啟閉機(jī)或手動操作閘門實現(xiàn)閘門的起閉。灌溉方式和水量計量較為粗放，灌溉水利用系數(shù)不高。國外采用自動測控技術(shù)在明渠灌溉輸水控制及計量上起步較早，其中澳大利亞早在1995年利用遠(yuǎn)程控制閘門實現(xiàn)明渠自流灌溉的輸水控制，后期結(jié)合全渠道控制系統(tǒng)的應(yīng)用，提高灌溉水利用系數(shù)高達(dá)90%[4-8]。

我國灌區(qū)水利工程的信息化起步較晚，對有計量功能的測控一體化閘門的研究尚在起步階段，分水控制和流量測驗基本依靠配水員的手動操作和經(jīng)驗估算，信息管理水平低,工作效率低，與灌區(qū)信息化建設(shè)的要求有很大差距。國外進(jìn)口產(chǎn)品價格昂貴，安裝條件苛刻，水情環(huán)境適應(yīng)性差，數(shù)據(jù)安全和保密無法解決，野外惡劣環(huán)境下，產(chǎn)品的可靠性不高，無法做到全面推廣使用。

因此研發(fā)了一款能集精確水位流量計量、遠(yuǎn)程實時監(jiān)控、水量記錄、太陽能驅(qū)動、無線通訊等功能齊全的智能測控化一體化閘門裝置，實現(xiàn)高效科學(xué)用水、提高灌區(qū)信息化水平，積極推進(jìn)農(nóng)田灌溉用水總量控制，促進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)水和農(nóng)業(yè)可持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展。

1 測控一體化閘門硬件設(shè)計

測控一體化閘門總體設(shè)計按照“硬件協(xié)同、軟件集成、閉環(huán)控制”的理念，將自動控制閘門、水位流量測驗設(shè)備，通過軟件集成為測控一體化的智能系統(tǒng)，水位流量測驗數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)反饋輸入，閉環(huán)控制閘門開度，從而實現(xiàn)按指定指令參數(shù)運行(水位、流量、閘門開度)[9]。其硬件設(shè)計包括閘門機(jī)械本體、控制系統(tǒng)、水位流量測量系統(tǒng)、電源系統(tǒng)，見圖1。

圖1 測控一體化閘門設(shè)備各模塊組成示意圖Fig.1 Composition of each module of the measurement and control integrated gate equipment

電源系統(tǒng)包括太陽能架桿和支架、太陽能電池板、蓄電池組、充電控制器，見圖2。

圖2 測控一體化閘門設(shè)計圖Fig.2 Design drawing of measurement and control integrated gate

水位流量采集系統(tǒng)采用高精度的超聲波水位計，實時采集測量箱內(nèi)水位，通過3層超聲波時差法流速儀測量每層流速，通過聲學(xué)時差法流速儀測得順、逆流方向的超聲波傳輸時間差計算出測線平均流速，必須通過現(xiàn)場率定獲得率定測線平均流速與斷面平均流速的相關(guān)系數(shù)，并根據(jù)現(xiàn)場斷面測量獲取的水位與斷面面積關(guān)系計算斷面和流量。并上傳給控制器和上位機(jī)，用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行全自動配水及計費等。

控制系統(tǒng)將采集到的流量信息和終端用戶發(fā)送的控制指令信息進(jìn)行比對計算，根據(jù)用戶指令控制閘門的開、關(guān)、停。驅(qū)動模塊采用直流高精度啟閉機(jī)，利用現(xiàn)有閘門的螺桿啟閉機(jī)構(gòu)，根據(jù)控制要求準(zhǔn)確定位?，F(xiàn)地人機(jī)交互模塊是通過現(xiàn)地控制裝置控制閘門，用戶在現(xiàn)場實時操作一體化控制箱面板上的按鈕,電動操控閘門開、關(guān)及停止，同時支持無電源情況下或緊急情況下手搖提閘功能，實現(xiàn)對閘門的手動控制。實現(xiàn)現(xiàn)地手動控制、現(xiàn)地自動控制、遠(yuǎn)程自動控制3種控制方式，采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，實時采集水位、閘位和流量監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用電子越限和機(jī)械越限2種保護(hù)手段，控制三相電機(jī)正反轉(zhuǎn)，具有過流、過壓和缺相保護(hù)，并采用光電隔離防雷保護(hù)[10-13]?，F(xiàn)場安裝圖見圖3。

圖3 測控一體化閘門現(xiàn)場安裝圖Fig.3 Site installation drawing of measurement and control integrated gate

2 測控一體化閘門監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

閘門監(jiān)控系統(tǒng)軟件集成閘門及被控設(shè)備的監(jiān)視及控制，在實現(xiàn)閘門自控算法的同時實現(xiàn)對閘門運行數(shù)據(jù)的管理，見圖4。

圖4 測控一體化閘門監(jiān)控系統(tǒng)功能模塊Fig.4 Function module for monitoring and controlling integrated gate system

(1)主控窗口。人機(jī)交互主界面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、狀態(tài)及報警的顯示，閘門運行模擬顯示，閘門控制按鈕、閘門開度、恒水位和恒流量參數(shù)輸入，控制權(quán)限的顯示與切換。

(2)閘門控制。實現(xiàn)水位流量的數(shù)據(jù)采集和閘門運行數(shù)據(jù)的收集，根據(jù)閘門運行方式和輸入?yún)?shù)，生成運行指令，遠(yuǎn)程控制閘控站運行。定閘位控制：在定閘位控制界面的閘位輸入窗口輸入需要的閘位值并確認(rèn)，閘位值發(fā)送給現(xiàn)場設(shè)備，現(xiàn)場控制柜負(fù)責(zé)將閘門啟閉到指定開度，然后復(fù)位此命令。定流量控制：可以根據(jù)現(xiàn)時流量調(diào)節(jié)閘門開度，從而調(diào)節(jié)閘后流量到需要的數(shù)值。定水位控制：可以根據(jù)實時的閘前、閘后水位調(diào)節(jié)閘門開度，從而調(diào)節(jié)水位到需要的數(shù)值[14,15]。監(jiān)控系統(tǒng)界面見圖5，控制動畫界面見圖6。

圖5 測控一體化閘門監(jiān)控系統(tǒng)界面Fig.5 The interface of monitoring and controlling integrated gate system

圖6 測控一體化閘門控制動畫界面Fig.6 The animation interface of monitoring and controlling integrated gate system

(3)數(shù)據(jù)處理。進(jìn)行閘控系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理，是監(jiān)控程序主要功能模塊，負(fù)責(zé)所有閘控站點上報數(shù)據(jù)的計算、存儲、查詢、統(tǒng)計、報表、圖示、打印等工作。所有數(shù)據(jù)均記錄到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中。按一定的時間間隔和一定的參數(shù)變化幅度記錄水位、閘位、流量、狀態(tài)數(shù)據(jù)，記錄操作人員對各閘控站閘門的操作命令，包括操作時間、操作人員及具體動作命令。記錄閘門超限、通訊故障、閘門故障等報警信息。根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)生成歷史曲線或直方圖，生成日、月、年報表。

(4)報警管理。在閘門運行過程中運行狀態(tài)和信息被實時監(jiān)控，作為閘門運行動作的前提判斷條件，防止發(fā)生錯誤動作無法調(diào)節(jié)，更重要的是防止損壞設(shè)備。當(dāng)監(jiān)測信息出現(xiàn)越限或邏輯矛盾時，則啟動緊急停機(jī)報警。報警包括現(xiàn)場聲光報警并同時發(fā)送警戒信息至調(diào)度中心監(jiān)控系統(tǒng)，在軟件界面上顯示報警信息并記錄存儲報警數(shù)據(jù)。

(5)通信管理。后臺通信驅(qū)動，是監(jiān)控系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)采集、命令下達(dá)均通過調(diào)用此模塊實現(xiàn)。

(6)系統(tǒng)管理。增加、刪除用戶，修改用戶權(quán)限，系統(tǒng)按用戶組來分配操作權(quán)限，劃分為操作員組、管理員組。操作員組的成員一般只能進(jìn)行簡單的日常操作；管理員組負(fù)責(zé)運行參數(shù)等功能的設(shè)置，并對重要的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，分配或收回指定操作人員對指定閘門的操作權(quán)限，限制操作人員對操作記錄的修改，修改密碼及退出系統(tǒng)。

3 測控一體化閘門的調(diào)控機(jī)制

系統(tǒng)初始調(diào)節(jié)，控制軟件設(shè)置預(yù)期給定，假定閘位和流量成線性關(guān)系，依據(jù)當(dāng)前流量、設(shè)計流量、當(dāng)前閘位，推算出預(yù)期閘位，閘門調(diào)節(jié)至預(yù)期值，等待動作時間間隔到達(dá)，比對當(dāng)前流量和預(yù)期流量差值，依據(jù)上個調(diào)節(jié)階段的數(shù)據(jù)，推算下次閘位需要上升或下降的數(shù)值，如果此數(shù)值小于閘位動作死區(qū)則閘門停止調(diào)節(jié)，等待下次動作時間間隔達(dá)到，再進(jìn)行判斷，如果此數(shù)值大于閘位動作死區(qū)，按推算出的數(shù)值進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于閘門恒流量、恒水位控制是一個時變、非線性和分布參數(shù)被控對象，一般 PID 控制其靜、動態(tài)指標(biāo)難以滿足配水要求，特別對超調(diào)難以抑制，在此基礎(chǔ)上引入帶自學(xué)習(xí)功能的智能 PID 控制算法，以一般 PID 作為基礎(chǔ)控制層，當(dāng)系統(tǒng)偏差較大時，利用上層自學(xué)習(xí)智能控制器的多模態(tài)控制，修正基礎(chǔ)層 PID 控制器的輸出，以壓低超調(diào)。當(dāng)系統(tǒng)偏差小于某閾值按一般 PID 控制，見圖7。

圖7 測控一體化閘門調(diào)制機(jī)制流程圖Fig.7 Flow chart of modulation mechanism for measurement and control integration gate

(1)PID控制算法。

PID差分方程為：

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

實時控制時取:q0=0.8，q1=-0.95，q2=0.2，采樣周期T=20 s。

(2)帶自學(xué)習(xí)功能的智能PID控制算法。上層智能控制器由數(shù)據(jù)庫、知識庫、自學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)和推理控制策略組成。數(shù)據(jù)庫是用來存儲被調(diào)整量y(k)、參考輸入yr、偏差E、偏差變化率CE和PID控制器參數(shù)q0、q1、q2以及推理的中間結(jié)果等。

4 結(jié) 論

本文研發(fā)了一種集精確的流量計量、高精度閘門控制、全太陽能驅(qū)動和無線通訊功能于一體的智能測控化一體化閘門裝置，是閘門聯(lián)動控制和灌區(qū)信息化解決方案的基礎(chǔ)。采用現(xiàn)代設(shè)計方法對閘門進(jìn)行輕量優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了驅(qū)動功率小，手自一體，可以利用太陽能浮充蓄電池供電，解決灌區(qū)大面積無交流電，只能用手動控制閘門的情況；采用無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對閘門進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，解決了國外進(jìn)口同類設(shè)備的缺陷和安全隱患，集成了定閘位、恒水位、恒流量3種控制模式，用自學(xué)習(xí)的PID控制機(jī)制實現(xiàn)動態(tài)調(diào)水，提高了輸配水的控制精度和時效，解決了渠道末端控制問題。

系統(tǒng)建成后可在第一時間對閘門進(jìn)行實時控制，縮短閘門啟閉運行時間，減少水資源浪費，有效地提高系統(tǒng)設(shè)備的可靠性和自動化水平，完成對設(shè)備參數(shù)和運行工況的實時監(jiān)視，消除設(shè)備運行隱患，確保設(shè)備的完好率和可用率，減輕運行人員勞動強(qiáng)度，實現(xiàn)無人或少人值班。