基于物聯網技術的水閘自動化遠程控制方法

何立軍

（甘肅省疏勒河流域水資源利用中心，甘肅 玉門 735211）

在水利工程與調蓄工程協同發展的背景下，對調蓄設備使用質量與性能的要求不斷升高[1]。水閘作為水利工程與調蓄工程中的重要組成設備，對調蓄、引水與退水等操作具有直接影響[2]。傳統的水閘控制多數采用人工手動控制方法，無法實時獲取調蓄工程水位與調蓄庫容的動態變化情況，降低了水閘控制的效率，且導致水利工程中存在較大的安全隱患[3]。在自動控制技術快速發展的趨勢下，水閘自動化控制方法逐漸興起，能夠根據調蓄工程的動態變化進行水閘閘門的控制[4]。然而傳統的水閘自動化控制方法在實際應用中仍然存在一定的不足，主要體現在自動化控制的范圍有限，無法實現自動化遠程控制，當水閘布設位置超出自動化控制范圍時，不光控制時間較長，并且在控制過程中，閘門門縫錯位情況嚴重，控制效果不佳[5]。為了解決以上問題，本文在傳統水閘自動化控制方法的基礎上，以M調蓄工程為例，引入物聯網技術，提出了一種新的自動化遠程控制方法。采用公有云服務，應用分布式網絡，提高水閘自動化遠程控制功能[6]。為提高水利工程與調蓄工程遠程控制的質量與效率提供技術支持。

1 水閘自動化遠程控制方法設計

1.1 計算過閘流量

結合物聯網技術中的計算功能，對水閘閘孔出流以及過閘流量進行計算，為水閘的自動化遠程控制提供數據支持。設置調蓄工程中的閘底板作為過閘流量計算的基準面，基于能量方程原理，計算閘底板斷面的局部水頭損失，公式：

式（1）中，ha表示閘底板斷面的局部水頭損失；表示水頭損失系數；va2表示閘底板斷面的局部水頭流速；g表示閘后收縮斷面的水頭距離。根據閘底板斷面的局部水頭損失，推導出閘孔的流速系數，公式：

式（2）中，ξ表示水閘閘孔的流速系數；η表示閘孔單孔出流流量。在此基礎上，設置水閘閘孔的寬度為ι，計算調蓄工程中水閘的過閘流量，公式：

式（3）中，H表示調蓄工程中上游水頭的垂向收縮數值；e表示水閘閘孔的開度，通過計算，獲取調蓄工程中水閘的過閘流量。

不同地區調蓄工程的閘底板斷面存在較大的差異，對于部分曲線型的閘底板斷面，為了避免水閘閘孔出流發生淹沒，應當對閘孔的出流流量進行適當修正，提高水閘過閘流量計算的精度。根據收縮斷面閘孔出流的實際情況與具體特征，基于水力學原理，計算調蓄工程水閘閘孔流量系數，計算公式：

式（4）中，λ表示調蓄工程水閘閘孔流量系數；μ表示水閘閘孔初始流速系數；a表示水閘閘孔斷面局部水頭與閘孔開度的比值系數；表示水閘閘門的相對開度。根據計算獲取到的水閘閘孔流量系數，對閘孔出流流量進行修正，獲取精確度較高的水閘過閘流量，提高后續水閘自動化遠程控制的質量與效率。

1.2 基于物聯網技術設計水閘遠程控制中心

在上述調蓄工程水閘過閘流量計算結束后，采用物聯網技術，對水閘的遠程控制中心進行全方位地設計。首先，利用物聯網技術中的SQL Sever2014，設計水閘自動化遠程控制中心數據庫，為實現精細化的遠程控制提供保障[7]。在設計數據庫時，需要綜合考慮調蓄工程水閘的各項信息及閘門的相關數據。本文設計的水閘自動化遠程控制數據庫如表1所示。

在表1所示數據庫基礎上，分別從水閘遠程監控與水閘終端控制器遠程操作2個角度，綜合設計水閘的遠程控制中心[8]。在水閘各個閘門所在位置布設GPRS服務器與Socket服務器，通過服務器的實時數據采集功能，遠程無線監控各個水閘的分水閘門，并通過遠程無線通訊，向控制中心傳遞數據[9]?；谖锫摼W技術的監聽功能，對調蓄工程引水、退水與調水現場進行實時監聽。指揮控制中心接收到水閘數據后，對數據的字符串進行解析，將解析后的信息上傳至控制界面中。工作人員根據調蓄工程的動態變化情況，在控制中心設置水閘閘門的控制模式，自動轉換手動控制模式與自動控制模式，調節過閘目標流量，維持過流量的穩定。在此基礎上，設置水閘閘門的控制服務，基于物聯網技術，實現水閘自動化遠程控制的通信傳輸。本文設計的水閘閘門自動化遠程控制服務結構如圖1所示。

表1 水閘自動化遠程控制數據庫

圖1 水閘閘門自動化遠程控制服務結構

本文設計的水閘閘門自動化遠程控制服務包括遠距離水閘、物聯網平臺與客戶端三個部分，通過交互界面，進行調蓄工程水閘遠程監視與控制。在此基礎上，設計水閘閘門控制服務相應的功能（表2）。

表2 水閘閘門控制服務相應功能設計

本文設計的基于物聯網技術的水閘閘門自動化控制服務及對應的控制功能，可結合物聯網技術與無線數據透傳功能，下發自動化控制指令，調節水閘閘門控制位置與指揮中心控制界面交互設置一致，保證遠方水閘閘門與指揮控制中心的實時通信，實現水閘自動化遠程控制的目標。

2 試驗分析

為了進一步對本文設計的基于物聯網技術的水閘自動化遠程控制方法的可行性作出驗證，選取某地區M調蓄工程為研究目標，進行試驗測試。該調蓄工程位于干渠與河流交匯處，工程總庫容量約為368 m3，其中，調蓄庫容量約為355 m3，引水線路長度約為105 km。M調蓄工程的水閘分布較廣泛，且布設位置距離相對較遠，引水閘位于攔河閘上游，退水閘位于退水渠下端2.5 km處，水閘主要負責工程的引水、調蓄與退水。M調蓄工程的水閘控制仍然為人工手動化控制，控制效率較低，且無法根據調蓄工程的動態變化作出實時調整，尤其在雨季與防汛期間，控制水閘需要消耗大量的人力資源。

在此基礎上，將上述設計的水閘自動化遠程控制方法應用到M調蓄工程中。在調蓄工程控制現場與指揮中心之間，布設遠程控制信息通道，進行整個工程自動化遠程信息交換與傳遞，設置各個水閘與控制指揮中心的距離不超過5 km，采用適用于長距離通信的光纖，作為本文實驗的通信媒質，通過光端機的轉換作用，實現調蓄工程電光電的動態轉換以及控制節點遠距離雙向通信的目標。在各個水閘閘門處安裝攝像頭，建立退水閘、引水閘對應的獨立控制單元，以圖像的形式，通過光纜，將調蓄工程的實時圖像上傳至指揮監控中心，工作人員根據調蓄庫容量與閘門的動態變化，對水閘進行遠程操控，保障調蓄工程的順利建設。工作人員在指揮監控中心，對閘門的控制柜進行操控，調整啟閉機的運行狀態，使閘門到達所需的位置。遠程設置閘門開度的預定數值，當閘門自動上升或下降時，到達開度預定數值后，自動停止，減少人力資源的浪費。水閘自動化遠程控制示意圖如圖2所示。

圖2 水閘自動化遠程控制示意圖

圖2 為本次實驗中M調蓄工程水閘自動化遠程控制示意圖。工作人員在指揮監控中心實時觀察閘門開度當前值的變化，進而確定閘門調節的高度范圍。利用鼠標按住三角滑塊，在標尺上拖動，調節閘門的位置值，閘門會根據調節的指令作出反應，并自動記錄水閘的變化狀態與變化時間，生成水閘變化報表與曲線。

為了更加直觀地驗證本文設計的控制方法的可行性，采用對比分析的試驗方法，將上述本文設計的基于物聯網技術的水閘自動化遠程控制方法，與傳統的基于PLC技術的水閘控制方法進行對比。利用有限元分析模型與MATLAB分析軟件，在水位發生大幅度變化的背景下，測定兩種自動化遠程控制方法應用后，水閘閘門門縫的錯位情況，根據門縫錯位的變化，判斷兩個控制方法的有效性，結果如表3所示。

如表3的對比結果所示，在兩種水閘自動化遠程控制方法中，本文設計的基于物聯網技術的控制方法，其在水位大幅度變化的情況下，對水閘閘門進行控制，門縫錯位改動值與初始值較為接近，左下關終延時參數與右下關終延時參數并未發生變化，較傳統控制方法相比閘門錯位較小，優勢顯著。

表3 兩種自動化遠程控制方法閘門門縫錯位變化對比

在此基礎上，分別測定兩種自動化遠程控制方法針對調蓄工程中的不同水位變化，自動遠程控制閘門的時間，如圖3所示。傳統閘門控制方法的控制時間隨著水位的增加產生了較大的波動，控制時間為4～9 s；而本文設計的自動化遠程控制方法，其在水位變化幅度不斷增長的趨勢下，閘門遠程控制時間較穩定，均在4 s以下，閘門控制時間并未隨著水位的增長而增加，較傳統方法相比，能夠在較短的時間內完成水閘的自動化遠程控制，可行性較高。

圖3 兩種方法自動化遠程控制閘門時間對比

3 結束語

為了改善傳統水閘控制效率較低，且需要消耗大量人力資源，增加了調蓄工程建設成本的問題。在傳統水閘控制方法的基礎上，引入物聯網技術，提出了一種新的水閘自動化遠程控制方法。通過研究，有效地提升了水閘閘門控制的效率，使水閘能夠根據調蓄工程的動態變化情況，自動作出相應的控制動作，保障調蓄工程的順利建設。