灌区中小渠道一体化测控平板闸门设计与测湍状况分析

杨 志

(盘锦市兴隆台区农业和水利服务中心，辽宁 盘锦 124010)

1 一体化测控平板闸门与测湍分析策略设计

1.1 一体化测控平板闸门设计

本文旨在介绍一种基于物联网和PLC技术的一体化测控平板闸门的设计，并结合湍流分析策略对水流流动特性进行研究。该设计是作者的原创成果。一体化测控平板闸门是一种用于水利工程的设备，是通过搭载或集成传感器和控制器等装置，以实现水位、流量、闸门开度等参数的测量和监控，并通过自动调节闸门开度等方式实现水量控制和灌溉计量等功能一体化。研究设计的一体化测控平板闸门是基于物联网和PLC技术的测控系统，通过将测算水位、测算流量和闸门调节有机地结合在一起，并利用无线通信网络，实现长距离监控和动态性水调配，人机界面使数据可视化和操作更加方便。系统由水闸装置、无线通信和远程监控三大模块组成，实现对渠道输水量的精确控制。该系统具有高水位报道及时良好应用效果，旨在搭建为盘锦市数个学区及小城镇提供管理决策支持、促进区域防洪应急与频繁高水位任务有效应对能力的一体化测控平板闸门，如图1所示。

图1 一体化测控平板闸门

测控一体化闸门由平板闸门、测量控制模块、传动模块和传感模块等构成。矩形平板闸门采用电动执行机构控制，通过PLC编程实现对闸门开度的精确控制和调整。测控系统包括闸前、闸后水位计、液位计、压差传感器、流量计等测量设备，可实时监测闸门前后水位、过闸流量等参数。传动机构可以将传感器采集的数据传输给PLC主机进行处理。无线通信系统采用4G无线通信网络，可实现远程通信及数据传输。远距离监控系统1、远距离监控系统2为基于不同移动端设备的远程监控，远距离监控系统3为基于物联网控制终端的远程监控。闸门控制系统1为闸门终端控制系统，闸门控制系统2为水闸装置自动控制系统。通过远程监测平台实现实时信息显示、闸门控制、流量计算和异常报警等功能。操作者可在该系统中根据需要，监测水位信息、流量、闸门状态。提高闸门的自动化控制水平，减少人工控制的不确定性，提高灌溉效率，同时可以降低能源消耗和运行成本。一体化平板闸门的机械结构由闸门框架、闸板、传感器、减速器、马达和驱动器组成。在闸门启闭操作中，伺服电动机通过蜗轮蜗杆减速器完成减速行为，并输出驱动力矩。齿轮与齿条的联结带动闸板升降，从而控制牵引闸门开启或关闭状态。闸门机械结构如图2所示。

图2 闸门机械结构

综合考虑渠道的水位测控和闸门运动控制，设计的平板闸门采用纵向齿条穿过横梁的设计，与闸板顶部相连，从而能有效地保证闸门在运行过程中的稳定性。此外，伺服电机和蜗轮蜗杆减速机也安装于框架横梁上，以提供必要的动力输出。齿轮和齿条之间需要保持良好啮合，这能够确保设备运行时的精准性和稳定性。为了提高设备的可靠性，该设计中使用了增量式编码器，连接减速齿轮，将数据反馈到测控系统。此外，伺服马达还具有自动制动的特性，保证断电时闸板不会意外移动。为了避免电气故障对测控系统的影响，设计中添加了升降系统。在智能控制系统出现故障时，还可以使用外部连接杆进行人工操作。从而实现闸门的升降运动。这个设计不仅能够确保渠道的过水通畅，也提高了测控系统的可靠性。

1.2 测湍分析策略设计

在盘锦市的实际应用中，通过采用本研究设计的一体化测控平板闸门系统，成功实现了对区域渠道输水量的精确控制，提高了灌溉效率。同时，实际运行中的能源消耗和运行成本也都得到了有效降低，有力地支持了盘锦市水利工程的高效运行。研究在设计一体化测控平板闸门下的湍流分析策略时，主要针对中小型渠道下的自由化出入湍流进行分析，采用的流渠结构如图3所示。

图3 流渠结构

从图3中可以看出，研究设计为检测水力学性能，设计了一种测控一体化平板闸门模拟模型，将其布置在距离消力池15 m处的渠道中。闸门过水宽度达到0.6 m。该平板闸门的启闭高度与当下水位高度存在关系，只有在正确的启闭高度下，才能确保闸门测流的准确性。该研究的主要设备是在沟道端部安装了隔水板和水循环系统。通过控制闸门开度，实现了对闸门下游水位的有效调控，确保了闸门出口水流畅通无阻。同时，为了防止水资源的浪费，该系统采用水循环系统对管道内的水进行循环利用。这个设计能够有效地减小水流进入渠道时所产生的波动，从而减小对闸门测流的影响。为了完整地分析水流的湍流现象，设计了一系列的测湍分析策略。首先，在平板闸门关闭的情况下，通过电子流量计按照一定流量加注水，测试水流动态下的变化，并将数据记录下来。然后，若平板闸门启开后水流中出现了较大的湍流现象，可以采集脉动信号，分析湍流特性参数。最后，为了进一步研究水流湍流现象，可以采用激光多普勒测速仪对水流速度的峰值、均值、波动度、湍动强度等参数的空间分布进行测量。这样的测湍分析策略，可以有效地实现对水流湍流现象的全面检测和分析，提高渠道的水力学性能和测量精度。研究在计算流量系数μ0时采用式(1)为基础。

(1)

式中：H0为闸前总水头；e为闸门开度。类似常见的流量系数经验公式还有Garbrecht公式、杜屿公式等。研究采用最小二乘法将实测数据进行拟合，此时流量系数值近似计算如式(2)所示。

(2)

式中：A，B，C均为常数。常数值可以通过拟合方程进行求解，拟合方程如式(3)所示。

(3)

为了分析平板式闸门的紊流，进行了流量测量和水深检测。本研究采用超声液面仪对沟道上游和下游两侧的水深进行测量，并利用增量式转动编码器检测电机转动位置的变化，获得闸门开度信息。该方法可在闸口前后进行测量，为紊流分析提供数据支持。采用这种技术手段，能够对闸门控制效果进行精确分析。同时超声波液位计的盲区距离安装高度已充分考虑，可准确测量水深。两个液位计的探头分别位于上游渠道和下游渠道的顶部，可以确定横截面积，进而计算流量。采集到的数据可用于湍流分析，进而设计相应的流控措施，以优化通流效果。设计的监控平台通过实时监控过闸流量，可以更加准确地掌握水位情况，从而提高监控的效率。此外，设备日志和异常报警功能，也能够及时将监测到的问题反馈给操作人员，方便他们及时处理。历史数据分析和远程下载更新等功能，则可以更好地支持监控平台的管理和维护。控制程序和人机界面软件程序等相关控制模式，支持自动和手动控制，监控软件可以迅速更换控制模式，并达成自动运行，并及时反馈给操作人员，为了方便管理，可以将这些监控及控制功能集中在一起，呈现给用户，以达到全面管理和可视化控制的目的。

另外，在计算相对误差时，采用基本的误差法进行计算，如式(4)：

Re=(Ac-Pc)/Ac

(4)

式中：Re为相对误差；Ac为实测值；Pc为模拟值。

2 一体化测控平板闸门下的湍流分析

2.1 过闸流量分析

研究首先利用设计的测控与计算方式来进行流量系数分析，分析过程中从不同闸门开度角度出发，对实测数据Ac与拟合数据Pc进行对比，并分析其间产生的相对误差。具体结果如表1所示。

表1 流量系数分析结果

表1针对不同开度下的实测数据进行了多数据种类的分析。数据中可以看出，不同闸门开度下实测流量系数和拟合流量系数之间存在一定差异，这可能表明拟合模型存在误差，在某些情况下无法准确地预测实测流量，这在拟合模型中是较为正常的现象，需要进一步对误差进行确认，进而确定拟合模型的性能。通过确认相对误差，可以发现实测流量系数和拟合流量系数之间的相对误差比较小，这可能表明拟合模型在大多数情况下还是比较准确的。从相对误差的变化状态中也可以注意到，计算流量与实测流量之间的相对误差不太稳定，具有较大的波动范围。这可能与多种因素有关，例如环境条件、测量仪器误差、计算公式等等。因此，在进行过闸流量分析时，我们需要考虑和排除这些因素对误差的影响，以提高计算流量的准确性和可靠性。对比分析结果如表2所示。

表2 对比分析

在水利工程中，公式流量计算是常用的一种方法，其基本原理是根据水流经过一定断面的流速和流量之间的关系，推导出计算公式来预测水量流量。但是，在公式流量计算过程中，也存在一定的误差或偏差，因此需要对不同的公式进行精度分析，以便更准确地预测和计算水流量。对于不同的公式流量计算方法，可以采用Rmax和Cv两种指标来评估其计算精度。其中，Rmax为公式相对误差的最大值，Rave为公式相对误差的平均值，Cv为公式相对误差的变异系数。根据上述不同指标的计算值，可以评估公式流量计算方法的优劣。Garbrecht计算方法、杜屿计算方法、武汉水利学院计算方法和研究设计方式是常用的四种公式流量计算方法。根据计算结果，研究设计方式的Cv值最大，达到了0.863，相对于另外三种公式，其精度更高。但是，在实际的水利工程中，往往需要根据实际情况选择公式流量计算方法。针对不同的水流情况和流量计算需求，可以选择不同的公式，但是从精度角度来看，研究设计的方法计算得到的流量具有更高的精度，在实际应用中具有更大的优越性。

2.2 流态分析

在进行流态分析前，首先对不同工况下的闸前水位高度进行分析，确认实测值与模拟值是否能够良好吻合，如表3所示。

表3 实测值与模拟值

根据表3数据，在流量和闸门开度变化的情况下，闸前水位高度存在一定的误差。例如，在流量变化较小的情况下，控制系统的自动控制较为准确，可以通过闸门开度的调整来控制水流的流向和速度，从而使得闸前水位高度在一定的误差范围内保持稳定；而在流量变化较大的情况下，自动控制误差会相应增大，需要采用其他控制手段来应对流量变化，例如增加闸门数量或提高限流堤高度等。对闸门开度的调整也会对闸前水位高度产生一定的影响，例如在流量为0.0342的情况下，闸门开度增加会使得水位降低。流态分析结果如图4所示。

图4 流态分析

图4中水流深度1、水流深度2与水流深度3分别代表由浅到深的三个水流深度，在流量和闸门开度变化的情况下，在闸前的某一范围内，渠道的水流变化比较平稳，但当接近闸口时，出现了一定程度的壅高现象，并随着水流强度的增加而变得更加明显。而在该渠道的下游，水流则相对稳定。这种流态表明，在明渠自由出流的情况下，水流的流动受到闸门开度和流量等因素的影响，而壅高现象与流量之间呈正相关关系。因此，在进行明渠自由出流的控制时，需要针对流量和闸门开度等关键因素进行相应的调整和控制，以确保水流流态的稳定和流动特性的优化。

3 结 论

研究通过一种基于物联网和PLC技术的一体化测控平板闸门的设计，结合湍流分析策略对水流流动特性进行了研究。结果显示研究设计方式的Cv值最小，为0.863，相比之下，Garbrecht公式、杜屿公式、武汉水利学院公式的Cv值为分别1.099、0.887、0.927。这表明，研究设计方式具有更高的精度。在流态分析方面，水流的流动受到闸门开度和流量等因素的影响，壅高现象与流量之间呈正相关关系。在流量变化较小的情况下，系统的自动控制较为准确，可以通过闸门开度的调整来控制水流的流向和速度，从而使闸前水位高度保持稳定。本研究在盘锦市的实际应用中取得了良好的效果，具有较高的参考价值。