基于物联网和PLC的灌区测控闸门智能化控制设计

王 翌

(新疆水利电力建设总公司,乌鲁木齐 830091)

0 引 言

农田水利建设与应用的目的是为了能够有效增强农业种植的稳产性,确保在地质灾害时期,能够通过水利设施的运行,减少对种植产量的影响。灌溉系统是农业生产的重要基础设施,其中控制灌区测控闸门是灌溉系统的重要组成部分,但传统的控制方式无法有效满足灌溉系统的要求,因其需要大量的人力、物理,且易出现操作失误及技术故障[1-2]。为此,许多学者针对灌溉系统展开了相关研究。张璐[3]根据油阻尼变力制动的原理,研制了一种闸门控制系统,具有良好的安全性能和可靠性,并取得了良好的应用效果。它不仅能够精确控制闸门的开启速度,而且还能够满足各种水文条件和水力参数的要求,实现了闸门的自动控制。刘尧等[4]通过设计基于MM32智慧农业闸门控制器,实现了农业闸门的智能控制。它可以实现多种模式的灌溉控制,满足了农业灌溉的多样化需求,同时还可以减少能耗。试验结果表明,该控制器具有良好的性能,可以满足实际应用的要求。

上述研究中,均未深入考虑实际安全问题,也未提及如何应对环境变化对控制系统的影响,以及如何提高可靠性和稳定性。此外,也未深入研究闸门控制系统实施过程中的质量问题。因此,本文通过研究物联网和PLC技术,设计一种基于物联网和PLC的灌区测控闸门智能化控制系统,以期更好地满足灌溉系统的要求。

1 基于物联网和PLC的灌区测控闸门测流原理及系统设计

1.1 灌区测控闸门测流方法

灌区测控闸门测流原理:灌区测控闸门测流是指在水利枢纽(如大坝、水闸、溢洪道等)上,采用自动控制闸门排出一定流量的灌溉水,从而控制灌溉水流量的一种技术手段[5]。板式闸门可以调整其开启的高度,在闸门开启到某一点时,由于受到闸门的影响,水流会从闸门底部和闸门底部边缘之间的空洞中流出,即闸门的出流情况。当闸门彻底打开,水流的上边不再受闸门下边束缚,反而会顺着闸门的底部向外流动,即所谓的堰流。基于水槽测流理论,水流形态转变的条件除了取决于孔口的相对张开程度外,还取决于底坎的形式。在相对开度小于0.65的情况下,为闸孔出流状态;在相对开度大于0.65的情况下,则为堰流型。

根据闸门孔出流的不同,可将闸门的出流区划分为闸孔自由出流和浸没自由出流。设置相应的节流剖面水深,设定对应收缩断面水深h的跃后共轭水深度hc,在闸门后的沟槽下游水深ht。当ht>hc时,该水跃出现在节理段的下游或节理段,对应于该节理的水跃被称作远驱动型或临界型水跃。在该情况下,节段内水流仍然是湍流,而下游水流深度对孔口的通过能力没有任何影响,该溢流现象称作闸孔自由出流。当ht

图1中,H代表闸前的水位,e代表闸后的开口率,ht代表实测得到的下游的水位,这三者皆由测量而得出具体数值。H0代表闸门前的总水头,由于灌溉渠系统的流速v0较慢,因此在工程应用中,一般把闸前的总水位v0/2g忽略不计。在利用平板闸门测量水流量时,首先要识别其流型,识别的具体步骤见图2。再根据不同的流型,选择相应的计算公式。

图1 平顶型底坎的平板闸门出流方式

图2 流态判别流程图

图2中,hc代表收缩断面水深,ht代表实测得到的下游水位。在收缩截面上,共轭平均水深计算公式如下:

式中:ε与e的乘积为在该截面上的弗汝德数;ε为垂直的收缩因子[6]。

根据图2的流程图判断,流量的计算方法如下:

式中:当e/H>0.65时,为堰流状态;当e/H≤0.65且ht≤hc″时,闸孔自由泄流出流为水流状态;H为堰顶水头;b为闸门宽度;a为堰顶高度,该数值为固定数值[7];μ0为水流量系数;e为水流量开口。

闸孔自由出流流量计算结果的差异,主要与流量系数μ0的选取有较大关系[8]。许多学者通过试验和研究,得出多种流动因子的经验公式,现列出最近使用较多的计算方法,以供比较。具体公式如下:

式中:μ1为周奕琦所提出的公式[9];μ2为王茂松所提出的公式[10];μ3为曾有孝等所提出的公式[11];μ4为研究改进后所提出的公式;e为闸门开度;H0为闸前水位。

综上可知,灌区测控闸门测流是一种技术手段,用于控制水利枢纽(如大坝、水闸、溢洪道等)上的灌溉水流量。在使用平板闸门进行流量测量时,必须先进行流态判别,根据闸门的开启高度来判别水流形态。当相对开度小于0.65时,为闸孔出流;当相对开度大于0.65时,为堰流。然后根据不同流型,选取相应的计算公式计算流量。

1.2 基于物联网和PLC的灌区测控闸门控制系统设计

水库出水管应当在耕地春灌水到冬灌水之间,保证灌溉所需的供水量,这样就可以保证对耕地滴灌带主管道的供水压力。即使是在用水高峰时期,也不会发生水压不够的现象,并且还要保持水库电机的高速运转。闸门系统的基本作用是利用远程计算机和移动电话来实现操作,可以监控阀门的前后和上下游水位的变动以及阀门的开度等数据,达到对过闸流量的远程控制效果。使用者可以根据需要,在手机上和因特网上发出命令,该系统即可控制相应沟渠上的水闸,对其进行分流和灌溉。采用4G移动通讯技术,通过对每个渠道的闸门末端进行远距离监控,可达到对闸门进行实时动态调节的目的。

基于物联网和PLC技术的一体化灌溉检测与监控技术,可实现运河前后水位检测和流量检测与开关机的自动调节,可实现灌溉过程的精准调控。4G无线通信系统使用的是4G无线通讯网络,在远程监管系统中,对服务器、计算机、移动终端、系统软件等展开全面部署,一个完整的灌区测控一体化闸门系统的结构见图3。

系统构成中,最重要的部分就是中央处理单元,其功能为负责收集、处理各种信息,并执行各种指令。现在常用的嵌入式控制器,从低端处理到高端应用分为许多种。经过多方位综合考虑,研究选取大型工业应用方面应用较多的PLC系统,其型号具体为S7-200 SMART。其电源参数为DC 24V,I/O参数为12输入、8输出。该系统的主要控制部分由西门子S7-200SMART系列PLC构成,包括电机驱动控制、数据采集、无线通讯、接近开关、人机界面、数据储存等多个部分。

图3 系统构成框架图

按照明渠测流原理,在采用界面闸门进行测试的同时,必须得到闸前水深H、闸后水深ht和闸门开度e等相关数据。研究通过对3个参量的测定,分别使用一个水位和一个阀门开启的传感器来测定以上参数指标。传感器具体布置见图4。

图4 传感器安装位置示意图

图4中,本研究的水位传感器选择超声波液位计,两个水平仪的探针分别位于闸口上游和下游的水平仪顶端,以确保水位的准确性和精度;而超声水平仪的安装高度则充分考虑其盲区,以保证测量的准确性和精度。超声波液位计采用的是一种具有良好精度和可靠性的液位测量技术,可以实时监测水位,并可以根据实际情况进行调整。同时,采用一种新型的变速旋转式编码器来检测闸门开启,它是一种利用电机转动位置来检测门扇开启的方法,可以提高闸门开启控制的准确性。

此外,该系统还提供了一个远程监测平台,可以实时监测水位变化,并可以提供水库运行状态监测、水位变化趋势分析、水库水位异常报警等功能。同时,平台还提供了一个在线的报警系统。如果水位变化超出预设的范围,系统将会自动发出报警信息,以便及时采取措施。该系统的远程监控软件开发流程见图5。

由图5可知,本系统利用与其相匹配的ECSManger和一个虚拟网口,将PLC的主机和本系统的一个子系统连接在一起,从而完成本系统的远程监控,具体包括申请账号、添加项目、添加变量、下载上传配置信息、配置编辑、PC和手机端查看等。

图5 远程监控软件开发流程

2 灌区测控闸门智能化控制设计系统应用效果研究

本研究在中国农科院田径场灌区水利所的渠系水力特性实验台进行了试验。试验采用一种新型钢化玻璃材料,槽长0.6m,槽宽0.58m。在渠道前端,有蓄水池、消力池和水泵等装置。为了在真实情况下让水流进入到渠道中,利用变频控制柜调节水泵,利用电子流量计读取流量。板式开关机可以通过PC端、移动端,或在现场进行开关机的操作。在沟道的尽头,设置隔水层,形成一个完整的水循环体系。调节挡水片可以有效调节下游水位,使其保持在能够流出闸口的位置。这样,渠道中的水就可以经过水循环系统,重新回到水池中,从而达到水资源再利用的目的。

在进行测流试验时,平板闸门的开度最小设定为3cm,然后在各种情况下,按工况顺序依次提升1cm。为了维持出流状态,闸门开度与上游水位比例不能超过0.65。利用一个水平传感器,测量和纪录闸门前的水位。试验设定过流速率100～200m3/h,坡面坡度为20m3/h。在试验中,考虑到渠道特性和流态等因素,分别对5种条件下的流场进行试验。

首先利用1.1一节中3种国内研究提出的流量系数经验公式进行对比研究,分别对流量进行计算,将试验测试数据代入闸孔自由出流方程(3)中,通过测试数据与3种流量系数经验公式的数值关系,可以得出闸门相对开度e/H0和闸孔自由出流流量系数μ。见表1。

表1 不同工况下的试验数据与计算数据

由表1可知,由5组不同工况的实测流量、闸门开度、闸前水位、相对开度和闸门宽度,可以计算出5组流量系数。通过物联网和PLC等智能化技术,可以实时采集河道的水文特征,精确控制闸门,以达到智能化控制灌区的目的。所得到的(e/H0,μ)各点分别与1.1一节所提出的3种流量系数的经验公式函数图像进行对比,结果见图6。

由图6可知,在周奕琦公式中,μ0与e/H0之间的关系是呈线性的,而实测的μ0与e/H0之间的对应关系明显不相符,并且存在着较大偏差。吴立新公式和李红公式所得到的曲线与观测数据的曲线有一定的一致性,其中李红公式曲线与观测数据的一致性要更好一些。而研究提出的新公式试验拟合结果,则为最佳。

图6 3种流量系数经验公式下的流量系数对比图

把3个流速系数的经验公式引入到流速计算公式中,并与实际流速进行比较。结果表明,周奕琦、李红、吴立新流速公式的流速最大偏差分别为0.017 7、0.011 3及0.018 3m3/s,平均值为0.013 6、0.008 6及0.014 2m3/s。各公式计算结果相对误差比较见图7。

图7 各公式计算结果相对误差比较

根据3个经验公式得出的过闸量相对偏差可知,吴立新与李红两个公式的相对偏差均较大,偏差幅度为30%～40%,周奕琦公式的最大偏差为37.57%,而李红公式的在20%处浮动,相对于另外两种经验公式来说误差较小,表明系统采用基于李红公式计算的流量值与实际值更为接近。而研究提出的公式计算出的过闸量与实际过闸量的绝对偏差最大为4.16%,平均偏差为1.68%。同时,研究提出的计算方法与《灌溉渠道系统量水规范》(GB/T 21303-2017)中所提出的计算方法相比较,可以达到计算结果的准确性。

综上所述,基于物联网和PLC的灌区测控闸门智能化控制设计系统应用效果研究,通过采用相机、流量计以及PLC控制系统,可实现对灌区流量的智能化检测和控制,可以有效提高灌区的运行效率、节约水源和降低污染,达到智能化管理的目的。

3 结 语

为了更好地满足灌溉系统的要求,本文设计了一套基于物联网和PLC的灌区测控闸门智能化控制系统,针对明渠平板闸门过闸流量特性进行了研究,探讨了周奕琦、李红及吴立新流速流量系数对该系统的匹配度。结果显示,吴立新与李红两个公式的相对偏差都较大,偏差幅度30%～40%。其中,周奕琦公式的最大偏差为37.57%,李红公式偏差在20%处浮动,而研究所提出的公式相对误差仅为4.16%,表明该公式对于系统的实用性较强。研究表明,基于物联网和PLC的灌区测控闸门智能化控制系统可行,该系统可以有效控制明渠平板闸门的流量,从而满足灌溉需求。