基于物聯網和PLC的灌區測控閘門智能化控制設計

王 翌

(新疆水利電力建設總公司,烏魯木齊 830091)

0 引 言

農田水利建設與應用的目的是為了能夠有效增強農業種植的穩產性,確保在地質災害時期,能夠通過水利設施的運行,減少對種植產量的影響。灌溉系統是農業生產的重要基礎設施,其中控制灌區測控閘門是灌溉系統的重要組成部分,但傳統的控制方式無法有效滿足灌溉系統的要求,因其需要大量的人力、物理,且易出現操作失誤及技術故障[1-2]。為此,許多學者針對灌溉系統展開了相關研究。張璐[3]根據油阻尼變力制動的原理,研制了一種閘門控制系統,具有良好的安全性能和可靠性,并取得了良好的應用效果。它不僅能夠精確控制閘門的開啟速度,而且還能夠滿足各種水文條件和水力參數的要求,實現了閘門的自動控制。劉堯等[4]通過設計基于MM32智慧農業閘門控制器,實現了農業閘門的智能控制。它可以實現多種模式的灌溉控制,滿足了農業灌溉的多樣化需求,同時還可以減少能耗。試驗結果表明,該控制器具有良好的性能,可以滿足實際應用的要求。

上述研究中,均未深入考慮實際安全問題,也未提及如何應對環境變化對控制系統的影響,以及如何提高可靠性和穩定性。此外,也未深入研究閘門控制系統實施過程中的質量問題。因此,本文通過研究物聯網和PLC技術,設計一種基于物聯網和PLC的灌區測控閘門智能化控制系統,以期更好地滿足灌溉系統的要求。

1 基于物聯網和PLC的灌區測控閘門測流原理及系統設計

1.1 灌區測控閘門測流方法

灌區測控閘門測流原理:灌區測控閘門測流是指在水利樞紐(如大壩、水閘、溢洪道等)上,采用自動控制閘門排出一定流量的灌溉水,從而控制灌溉水流量的一種技術手段[5]。板式閘門可以調整其開啟的高度,在閘門開啟到某一點時,由于受到閘門的影響,水流會從閘門底部和閘門底部邊緣之間的空洞中流出,即閘門的出流情況。當閘門徹底打開,水流的上邊不再受閘門下邊束縛,反而會順著閘門的底部向外流動,即所謂的堰流?；谒蹨y流理論,水流形態轉變的條件除了取決于孔口的相對張開程度外,還取決于底坎的形式。在相對開度小于0.65的情況下,為閘孔出流狀態;在相對開度大于0.65的情況下,則為堰流型。

根據閘門孔出流的不同,可將閘門的出流區劃分為閘孔自由出流和浸沒自由出流。設置相應的節流剖面水深,設定對應收縮斷面水深h的躍后共軛水深度hc,在閘門后的溝槽下游水深ht。當ht>hc時,該水躍出現在節理段的下游或節理段,對應于該節理的水躍被稱作遠驅動型或臨界型水躍。在該情況下,節段內水流仍然是湍流,而下游水流深度對孔口的通過能力沒有任何影響,該溢流現象稱作閘孔自由出流。當ht

圖1中,H代表閘前的水位,e代表閘后的開口率,ht代表實測得到的下游的水位,這三者皆由測量而得出具體數值。H0代表閘門前的總水頭,由于灌溉渠系統的流速v0較慢,因此在工程應用中,一般把閘前的總水位v0/2g忽略不計。在利用平板閘門測量水流量時,首先要識別其流型,識別的具體步驟見圖2。再根據不同的流型,選擇相應的計算公式。

圖1 平頂型底坎的平板閘門出流方式

圖2 流態判別流程圖

圖2中,hc代表收縮斷面水深,ht代表實測得到的下游水位。在收縮截面上,共軛平均水深計算公式如下:

式中:ε與e的乘積為在該截面上的弗汝德數;ε為垂直的收縮因子[6]。

根據圖2的流程圖判斷,流量的計算方法如下:

式中:當e/H>0.65時,為堰流狀態;當e/H≤0.65且ht≤hc″時,閘孔自由泄流出流為水流狀態;H為堰頂水頭;b為閘門寬度;a為堰頂高度,該數值為固定數值[7];μ0為水流量系數;e為水流量開口。

閘孔自由出流流量計算結果的差異,主要與流量系數μ0的選取有較大關系[8]。許多學者通過試驗和研究,得出多種流動因子的經驗公式,現列出最近使用較多的計算方法,以供比較。具體公式如下:

式中:μ1為周奕琦所提出的公式[9];μ2為王茂松所提出的公式[10];μ3為曾有孝等所提出的公式[11];μ4為研究改進后所提出的公式;e為閘門開度;H0為閘前水位。

綜上可知,灌區測控閘門測流是一種技術手段,用于控制水利樞紐(如大壩、水閘、溢洪道等)上的灌溉水流量。在使用平板閘門進行流量測量時,必須先進行流態判別,根據閘門的開啟高度來判別水流形態。當相對開度小于0.65時,為閘孔出流;當相對開度大于0.65時,為堰流。然后根據不同流型,選取相應的計算公式計算流量。

1.2 基于物聯網和PLC的灌區測控閘門控制系統設計

水庫出水管應當在耕地春灌水到冬灌水之間,保證灌溉所需的供水量,這樣就可以保證對耕地滴灌帶主管道的供水壓力。即使是在用水高峰時期,也不會發生水壓不夠的現象,并且還要保持水庫電機的高速運轉。閘門系統的基本作用是利用遠程計算機和移動電話來實現操作,可以監控閥門的前后和上下游水位的變動以及閥門的開度等數據,達到對過閘流量的遠程控制效果。使用者可以根據需要,在手機上和因特網上發出命令,該系統即可控制相應溝渠上的水閘,對其進行分流和灌溉。采用4G移動通訊技術,通過對每個渠道的閘門末端進行遠距離監控,可達到對閘門進行實時動態調節的目的。

基于物聯網和PLC技術的一體化灌溉檢測與監控技術,可實現運河前后水位檢測和流量檢測與開關機的自動調節,可實現灌溉過程的精準調控。4G無線通信系統使用的是4G無線通訊網絡,在遠程監管系統中,對服務器、計算機、移動終端、系統軟件等展開全面部署,一個完整的灌區測控一體化閘門系統的結構見圖3。

系統構成中,最重要的部分就是中央處理單元,其功能為負責收集、處理各種信息,并執行各種指令?，F在常用的嵌入式控制器,從低端處理到高端應用分為許多種。經過多方位綜合考慮,研究選取大型工業應用方面應用較多的PLC系統,其型號具體為S7-200 SMART。其電源參數為DC 24V,I/O參數為12輸入、8輸出。該系統的主要控制部分由西門子S7-200SMART系列PLC構成,包括電機驅動控制、數據采集、無線通訊、接近開關、人機界面、數據儲存等多個部分。

圖3 系統構成框架圖

按照明渠測流原理,在采用界面閘門進行測試的同時,必須得到閘前水深H、閘后水深ht和閘門開度e等相關數據。研究通過對3個參量的測定,分別使用一個水位和一個閥門開啟的傳感器來測定以上參數指標。傳感器具體布置見圖4。

圖4 傳感器安裝位置示意圖

圖4中,本研究的水位傳感器選擇超聲波液位計,兩個水平儀的探針分別位于閘口上游和下游的水平儀頂端,以確保水位的準確性和精度;而超聲水平儀的安裝高度則充分考慮其盲區,以保證測量的準確性和精度。超聲波液位計采用的是一種具有良好精度和可靠性的液位測量技術,可以實時監測水位,并可以根據實際情況進行調整。同時,采用一種新型的變速旋轉式編碼器來檢測閘門開啟,它是一種利用電機轉動位置來檢測門扇開啟的方法,可以提高閘門開啟控制的準確性。

此外,該系統還提供了一個遠程監測平臺,可以實時監測水位變化,并可以提供水庫運行狀態監測、水位變化趨勢分析、水庫水位異常報警等功能。同時,平臺還提供了一個在線的報警系統。如果水位變化超出預設的范圍,系統將會自動發出報警信息,以便及時采取措施。該系統的遠程監控軟件開發流程見圖5。

由圖5可知,本系統利用與其相匹配的ECSManger和一個虛擬網口,將PLC的主機和本系統的一個子系統連接在一起,從而完成本系統的遠程監控,具體包括申請賬號、添加項目、添加變量、下載上傳配置信息、配置編輯、PC和手機端查看等。

圖5 遠程監控軟件開發流程

2 灌區測控閘門智能化控制設計系統應用效果研究

本研究在中國農科院田徑場灌區水利所的渠系水力特性實驗臺進行了試驗。試驗采用一種新型鋼化玻璃材料,槽長0.6m,槽寬0.58m。在渠道前端,有蓄水池、消力池和水泵等裝置。為了在真實情況下讓水流進入到渠道中,利用變頻控制柜調節水泵,利用電子流量計讀取流量。板式開關機可以通過PC端、移動端,或在現場進行開關機的操作。在溝道的盡頭,設置隔水層,形成一個完整的水循環體系。調節擋水片可以有效調節下游水位,使其保持在能夠流出閘口的位置。這樣,渠道中的水就可以經過水循環系統,重新回到水池中,從而達到水資源再利用的目的。

在進行測流試驗時,平板閘門的開度最小設定為3cm,然后在各種情況下,按工況順序依次提升1cm。為了維持出流狀態,閘門開度與上游水位比例不能超過0.65。利用一個水平傳感器,測量和紀錄閘門前的水位。試驗設定過流速率100～200m3/h,坡面坡度為20m3/h。在試驗中,考慮到渠道特性和流態等因素,分別對5種條件下的流場進行試驗。

首先利用1.1一節中3種國內研究提出的流量系數經驗公式進行對比研究,分別對流量進行計算,將試驗測試數據代入閘孔自由出流方程(3)中,通過測試數據與3種流量系數經驗公式的數值關系,可以得出閘門相對開度e/H0和閘孔自由出流流量系數μ。見表1。

表1 不同工況下的試驗數據與計算數據

由表1可知,由5組不同工況的實測流量、閘門開度、閘前水位、相對開度和閘門寬度,可以計算出5組流量系數。通過物聯網和PLC等智能化技術,可以實時采集河道的水文特征,精確控制閘門,以達到智能化控制灌區的目的。所得到的(e/H0,μ)各點分別與1.1一節所提出的3種流量系數的經驗公式函數圖像進行對比,結果見圖6。

由圖6可知,在周奕琦公式中,μ0與e/H0之間的關系是呈線性的,而實測的μ0與e/H0之間的對應關系明顯不相符,并且存在著較大偏差。吳立新公式和李紅公式所得到的曲線與觀測數據的曲線有一定的一致性,其中李紅公式曲線與觀測數據的一致性要更好一些。而研究提出的新公式試驗擬合結果,則為最佳。

圖6 3種流量系數經驗公式下的流量系數對比圖

把3個流速系數的經驗公式引入到流速計算公式中,并與實際流速進行比較。結果表明,周奕琦、李紅、吳立新流速公式的流速最大偏差分別為0.017 7、0.011 3及0.018 3m3/s,平均值為0.013 6、0.008 6及0.014 2m3/s。各公式計算結果相對誤差比較見圖7。

圖7 各公式計算結果相對誤差比較

根據3個經驗公式得出的過閘量相對偏差可知,吳立新與李紅兩個公式的相對偏差均較大,偏差幅度為30%～40%,周奕琦公式的最大偏差為37.57%,而李紅公式的在20%處浮動,相對于另外兩種經驗公式來說誤差較小,表明系統采用基于李紅公式計算的流量值與實際值更為接近。而研究提出的公式計算出的過閘量與實際過閘量的絕對偏差最大為4.16%,平均偏差為1.68%。同時,研究提出的計算方法與《灌溉渠道系統量水規范》(GB/T 21303-2017)中所提出的計算方法相比較,可以達到計算結果的準確性。

綜上所述,基于物聯網和PLC的灌區測控閘門智能化控制設計系統應用效果研究,通過采用相機、流量計以及PLC控制系統,可實現對灌區流量的智能化檢測和控制,可以有效提高灌區的運行效率、節約水源和降低污染,達到智能化管理的目的。

3 結 語

為了更好地滿足灌溉系統的要求,本文設計了一套基于物聯網和PLC的灌區測控閘門智能化控制系統,針對明渠平板閘門過閘流量特性進行了研究,探討了周奕琦、李紅及吳立新流速流量系數對該系統的匹配度。結果顯示,吳立新與李紅兩個公式的相對偏差都較大,偏差幅度30%～40%。其中,周奕琦公式的最大偏差為37.57%,李紅公式偏差在20%處浮動,而研究所提出的公式相對誤差僅為4.16%,表明該公式對于系統的實用性較強。研究表明,基于物聯網和PLC的灌區測控閘門智能化控制系統可行,該系統可以有效控制明渠平板閘門的流量,從而滿足灌溉需求。