七一灌区新型测控一体闸门的设计与应用

康蛇龙，张宽义，颜 华，王世隆

（1.河北省水利水电勘测设计研究院集团有限公司，天津 300250；2.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100）

明渠自流灌溉是灌区主要的灌溉输水方式之一，闸门是调节渠道流量的基础水工建筑物。测控一体闸门主要利用传感器采集闸门开度和水位信息，结合网络通信和物联网技术，实现对渠道流量的实时监测和控制，其具备闸门启闭、自动控制、流量测量、远程通信等功能[1-7]，并按照输配水计划控制渠道以给定水位或水量运行。近年来，我国一些灌区陆续在干、支渠上引进国外的测控一体闸，实现了闸门的自动化和信息化改造，提高了灌溉水利用效率。但由于各灌区斗、农渠，及以下渠道类型各异、数量众多，引进的测控一体闸门应用中仍然存在通信不稳定、传感器失效、参数有待优化等问题[8-10]，自主研发适用不同灌区的新型测控一体闸门至关重要。基于此，本文结合七一灌区输配水渠道的特点，设计了不同规格的新型测控一体闸门，对于促进灌区现代化和信息化建设、提高用水管理水平、推动农业高质量持续发展具有重要的现实意义。

1 七一灌区概况

七一灌区地处涿鹿县桑干河南，涿鹿县隶属河北省张家口市，位于河北省西北部永定河上游，北京市西北部。灌区西起与宣化区接壤的石湖沟，东至五堡镇的代家沟，南至石门沟口，北至桑南一干渠。七一干渠渠首自桑干河引水，末端尾水排入代家沟河。灌区覆盖面积4 573.3 hm2，有效灌溉面积3 933.3 hm2，实灌面积3 527.3 hm2，其中自流灌溉面积2 557.3 hm2，扬水灌溉面积970.0 hm2。七一干渠全长37.8 km，其中输水总干渠16.9 km，有隧洞48 座，长83 km，设计过水能力12.0 m3/s；灌溉干渠21.0 km，有隧洞14 座长4.8 km，灌溉干渠21 支渠节制闸上游段设计过水能力5.0 m3/s，21支渠节制闸下游段设计过水能力3.0 m3/s。七一灌区处于太行山背风区，属于温带半干旱大陆性季风气候，田间用水受天气影响较大，冬灌和春灌受冬季降雪量影响，夏灌受雨水影响。正常年份田间灌溉净用水量为130 m3/667 m2，降水少的干旱年份，田间灌溉净用水量为160 m3/667 m2。灌区以大田农作物为主，其中有少量水果，玉米产量为900～1 050 kg/667 m2，水果产量为3 000 kg/667 m2。

七一灌区闸门自动化改造集中在民生渠、南二干渠、广济渠、合作二渠，共计建设测控一体闸门127 套，配套测流设施98 套，增设视频监控45 个，用于实时监控各分水口闸门现场运行情况及调度中心周边环境。

2 测控一体闸门系统构成及测流原理

2.1 系统构成

测控一体闸门主要由闸体、控制系统、通信系统和供电系统组成，包括门板、导轨、立柱、止水、执行机构、防护罩等部分。其中，门板采用37 mm或60 mm厚的蜂窝铝芯与5 mm 厚的铝板复合压制而成；立柱选用工业铝合金制作挤出式型材连接成型，闸框连接接合面设计相应的定位结构，以保证装配精度和结构稳定性。执行机构包括直流电机，编码器和传动轴。闸门启闭过程如下：电机转动带动传动轴旋转，编码器记录旋转圈数和速度，传动轴带动导轨上下移动，联动门板启闭，双导轨设计保证门板移动的稳定性，避免发生偏移和卡顿；闸门采用大功率涡轮减速直流电机驱动，蜗轮蜗杆减速机具有反向自锁功能，电机轴与启闭机连接，通过电机的正反转控制启闭机转动，实现闸门板的上升和下降，紧急情况下可使用专用手柄对闸门进行手动操作。电机配套自动化控制柜，使闸门实现远程控制和现地操作，满足闸门开启和关闭的自动化要求。测控一体闸门的结构示意图和实物图，具体如图1所示。

图1 闸体结构与实物图Fig.1 Gate body structure and physical picture

闸门控制系统具备流量监测和闸门自动控制功能，提供本地手动控制、闸门开度控制等功能。根据实时监测的渠道水位流量，通过闸控软件来控制闸门的开度，实现闸门的自动化控制。在闸门上下游配置水位计，实时监测上游水位、下游水位、当前流量、现场监控等信息，通过通信系统将信息上传至配水管理站、调度中心及各级水务机构。根据七一灌区多年的灌溉用水量和渠道规格，设计的多种规格类型测控一体闸门水深范围0.97～2.38 m、流量0.1～3 m3/s，涵盖多数斗、农渠过流范围。测控一体闸门的具体参数如表1所示，通信网络拓扑如图2所示。

表1 测控一体闸门参数Tab.1 Parameters of measurement and control integrated gate

图2 通信网络拓扑图Fig.2 Communication network topology

2.2 测流原理

灌区渠道流量测量有多种方式，常见的有水工建筑物量水、特设量水设备量水和仪器仪表量水等[11]。利用闸门测流属于水工建筑物量水，在分水口设立平板闸门作为节制闸或分水闸，通过改变闸门开度大小控制渠道分水量。闸门测流的原理是闸孔出流，根据测得的闸门上下游水深和闸门开度计算过闸流量。当闸门开度与上游水深之比e/H≤0.65 时，过流状态为闸孔出流；e/H＞0.65时，过流状态为堰流。闸孔出流又分为自由出流和淹没出流，当下游水深较小不影响闸门出流时为自由出流，反之则为淹没出流。闸孔自由出流和淹没出流计算与闸门开度、上下游水深有关，具体计算方式见文献[12-13]。

式中：b为闸门宽度，m；H为闸门上游水深，m；e为闸门开度，m；g 为重力加速度，取9.81 m/s²；Q为过闸流量，m³/s；μ为自由出流流量系数；σs为淹没出流流量系数。

测控一体闸门采用雷达水位计测得上下游水深，旋转编码器测得闸门开度，代入公式计算出流量，也可以根据目标需求流量调整闸门开度。

3 测控一体闸门硬件设备组成

3.1 闸门开度传感器

采用多圈绝对值编码器AM-L50S80实时采集闸门高度，内部有通过旋转码盘与转轴（多转轴）连动，闸门的机械运动通过机械转换机构转换为转动，驱动码盘转动，精确测出闸门开度。编码器是非接触式超低转矩的全量型编码器，当闸门上升或下降时，通过连接闸门相应装置自收缆装置带动编码器旋转，产生与闸门开度相对应的数据信息，进行数字化处理后经接口电路输出并向上导出到液晶屏显示，通过RS485 通信的方式传送至闸门测控终端，在人机界面显示闸位数据和闸门运行状态，为自动控制提供依据。绝对式编码器的每个位置是唯一的，即使掉电时位置也不会丢失，一旦电源接通即可读出其准确的闸门位置信号，分辨率达1 mm，依据不同渠道闸门运行范围，选用不同的量程，具体参数如表2所示。

表2 AM-L50S80旋转编码器参数表Tab.2 Parameters of AM-L50S80 rotary encoder

3.2 闸门荷重仪

荷重传感器是通过检验受力载体所受的载荷测量起重机载质量。传感器以mV 模拟量输出供信号转换变送装置采集，经变送器信号处理后以4～20 mA 信号输出，可直接供仪表或RTU 及其他系统采集。螺杆启闭机专用超载保护器可根据2种不同安装方式，方便地安装在螺杆机座中间或基座下，每一边各装置1只超载保护装置，通过两边的固定螺丝分别与基座和底角相连接，每台螺杆启闭机安装2 只超载保护装置（或一边使用相同尺寸的钢制件）。利用荷重传感器正反受力的原理来实现螺杆机过载保护。传感器与控制器及仪表组成超载限制系统后，将具有报警并切断起重机起升回路电源的功能。

3.3 雷达水位计

采用高精度毫米波雷达水位计ZG-RD100 测量闸门上下游水位，该设备具有测量精度高、功耗低、体积超小等优势。使用76～81 GHz 的调频连续波（FMCW），工作频率更高，带宽更大，测量精度更高，最大量程可以达到30 m，盲区在10 cm以内。具有非接触、高精度、小体积、节能等特点，测量时不受腐蚀、温度梯度、气压、水面水汽、水中气泡和沉淀物的影响。ZG-RD100雷达水位计参数如表3所示。

表3 ZG-RD100雷达水位计参数表Tab.3 Parameters of ZG-RD100 radar water level gauge

3.4 闸门测控终端

闸门测控终端是集存储、通信、电机驱动与检测、闸门控制等功能于一体的终端系统。第一，通信功能。内置4G 全网通模块，支持所有运营商和频段的卡，解决了信号覆盖问题，可以同时收发短信和网络数据，可同时与4个服务器进行数据通信，且具有低功耗待机功能，可以远程唤醒；原生以太网络接口，自主研发的TCP/IP 协议栈，支持10/100 Mb/s全双工以太网络接口。第二，存储功能。内置NANDFLASH 固态存储模块，内存≥128 MB，可存储5 a 以上的数据；可扩展1～512 G 固态硬盘存储；内置MRAM，用于存储需实时存储的数据，次数不限，安全可靠。第三，输出控制。具有多路三极管输出功能，可用于外部控制，最大负载电流为500 mA。第四，视频采集。具有RJ45 网口支持视频网络球机的接入，可以接入任意厂家的网络摄像机，实现视频直播；支持远程视频实时直播、视频定时拍摄并远程提取历史视频、采集超阈值数据视频联动抓拍，共3种视频录制模式。第五，电机驱动与检测功能。设备可控制直流电机和交流电机的正反转运行；可实时监测电机电流，防止电流过载；驱动能力30 A 以上。第六，闸门控制功能。设备可根据闸门开度、过闸流量、闸后水位等多种方式自动调节闸门开启高度；闸门开度采集精度0.1 mm，闸门开度控制精度0.5 mm。第七，设备保护功能。设备具有多种防护机制，发生供电异常、通信异常、异物卡阻等情况时，都能快速响应，启动保护机制，确保设备正常。

测控终端人机界面采用原生支持24 位RGB 的TFTLCD 接口。默认配置25.4 cm（10 英寸）LVDS 全视角真彩色电容式触摸屏，分辨率不低于1 280×800，色彩丰富，显示清晰，可实时显示视频图像；触摸材质为电容式，操作方便可靠，工作温度为-20～70 ℃；具有按键式唤醒按钮，控制触摸屏的开启和关闭，其测控终端界面如图3 所示。为满足应用要求，设计多种工作模式：流量控制模式、开度控制模式、闸前水位控制模式、闸后水位控制模式、联动控制模式等。每种工作模式下，实时流量都由闸门测控终端上传至云控制中心。

图3 闸门测控终端界面Fig.3 Gate control terminal interface

4 测控一体闸门通信系统

闸门测控终端采集闸门开度传感器、荷重仪、雷达水位计的数据信息，并计算显示闸门开度、上下游水位、当前流量和累计流量等信息，各传感器通过RS485、GPRS、物联网等方式与闸门测控终端建立通信，在测控一体闸门旁建立闸门控制柜，并做好防雨防潮措施。测控终端通过信号线将闸位、水位数据传输到闸门控制柜中的控制单元，控制单元通过4GTD-LTE 宽带无线通信专网将闸位数据和闸门状态传输到现地管理站及灌区管理处，管理人员通过管理工作站来实现闸门的远程的控制。通信系统组成如图4所示。

图4 通信系统组成图Fig.4 Diagram of communication system composition

5 测控一体闸门供电系统

各闸口处于野外环境，现场无市电供给。七一灌区平均日照时数2 854.8 h/a，平均蒸发量1 727.5 mm/a，平均风速2.4 m/s。有视频监控需求的站点采用风光互补的方式供电，太阳能与风能在时间和地域上有很强的互补性，风光互补能够降低系统的总成本。综合考虑现场环境和施工成本，故选用太阳能供电。

系统配置蓄电池的容量要满足在无风、阴雨天情况下至少维持10 d 对设备供电，其输出电压按照24 V设计，以蓄电池放电容量70%计算。根据遥测终端机、视频监控、传感器等硬件设备的参数和工作时间，选用24 V、200 Ah 的蓄电池。风力发电使用垂直式，风速为2～60 m/s 都可安全使用。风力发电机组采用涡轮风叶造型，能达到空间360°受风，在微风和台风天气下都可以正常发电。同时，根据现场风力情况，配置1 台额定功率200 W 的风力发电组件，满足风力无法达到风机的额定运行风速时也能正常发电。为最大化利用太阳照射时间内的发电，以较短的时间给蓄电池组充电，配置2组额定功率100 W 的太阳能发电组件，以满足系统需要。

6 结论

针对七一灌区渠道类型和设计流量，自主设计研发配套的新型测控一体闸门，测流原理为闸孔出流，雷达水位计和旋转编码器分别测得闸门下游水位和闸门开度。其终端采集各个传感器的数据，分析计算水位、瞬时流量、累积流量等信息，并通过4G 网络传输到管理端和各级单位。同时设计了风光互补的供电系统，可满足野外灌区测控一体闸门10 d 的用电需求。新型测控一体闸门实际运行情况良好，测流精度较高，闸门控制准确，符合预期要求。