灌區中小渠道一體化測控平板閘門設計與測湍狀況分析

楊 志

(盤錦市興隆臺區農業和水利服務中心，遼寧 盤錦 124010)

1 一體化測控平板閘門與測湍分析策略設計

1.1 一體化測控平板閘門設計

本文旨在介紹一種基于物聯網和PLC技術的一體化測控平板閘門的設計，并結合湍流分析策略對水流流動特性進行研究。該設計是作者的原創成果。一體化測控平板閘門是一種用于水利工程的設備，是通過搭載或集成傳感器和控制器等裝置，以實現水位、流量、閘門開度等參數的測量和監控，并通過自動調節閘門開度等方式實現水量控制和灌溉計量等功能一體化。研究設計的一體化測控平板閘門是基于物聯網和PLC技術的測控系統，通過將測算水位、測算流量和閘門調節有機地結合在一起，并利用無線通信網絡，實現長距離監控和動態性水調配，人機界面使數據可視化和操作更加方便。系統由水閘裝置、無線通信和遠程監控三大模塊組成，實現對渠道輸水量的精確控制。該系統具有高水位報道及時良好應用效果，旨在搭建為盤錦市數個學區及小城鎮提供管理決策支持、促進區域防洪應急與頻繁高水位任務有效應對能力的一體化測控平板閘門，如圖1所示。

圖1 一體化測控平板閘門

測控一體化閘門由平板閘門、測量控制模塊、傳動模塊和傳感模塊等構成。矩形平板閘門采用電動執行機構控制，通過PLC編程實現對閘門開度的精確控制和調整。測控系統包括閘前、閘后水位計、液位計、壓差傳感器、流量計等測量設備，可實時監測閘門前后水位、過閘流量等參數。傳動機構可以將傳感器采集的數據傳輸給PLC主機進行處理。無線通信系統采用4G無線通信網絡，可實現遠程通信及數據傳輸。遠距離監控系統1、遠距離監控系統2為基于不同移動端設備的遠程監控，遠距離監控系統3為基于物聯網控制終端的遠程監控。閘門控制系統1為閘門終端控制系統，閘門控制系統2為水閘裝置自動控制系統。通過遠程監測平臺實現實時信息顯示、閘門控制、流量計算和異常報警等功能。操作者可在該系統中根據需要，監測水位信息、流量、閘門狀態。提高閘門的自動化控制水平，減少人工控制的不確定性，提高灌溉效率，同時可以降低能源消耗和運行成本。一體化平板閘門的機械結構由閘門框架、閘板、傳感器、減速器、馬達和驅動器組成。在閘門啟閉操作中，伺服電動機通過蝸輪蝸桿減速器完成減速行為，并輸出驅動力矩。齒輪與齒條的聯結帶動閘板升降，從而控制牽引閘門開啟或關閉狀態。閘門機械結構如圖2所示。

圖2 閘門機械結構

綜合考慮渠道的水位測控和閘門運動控制，設計的平板閘門采用縱向齒條穿過橫梁的設計，與閘板頂部相連，從而能有效地保證閘門在運行過程中的穩定性。此外，伺服電機和蝸輪蝸桿減速機也安裝于框架橫梁上，以提供必要的動力輸出。齒輪和齒條之間需要保持良好嚙合，這能夠確保設備運行時的精準性和穩定性。為了提高設備的可靠性，該設計中使用了增量式編碼器，連接減速齒輪，將數據反饋到測控系統。此外，伺服馬達還具有自動制動的特性，保證斷電時閘板不會意外移動。為了避免電氣故障對測控系統的影響，設計中添加了升降系統。在智能控制系統出現故障時，還可以使用外部連接桿進行人工操作。從而實現閘門的升降運動。這個設計不僅能夠確保渠道的過水通暢，也提高了測控系統的可靠性。

1.2 測湍分析策略設計

在盤錦市的實際應用中，通過采用本研究設計的一體化測控平板閘門系統，成功實現了對區域渠道輸水量的精確控制，提高了灌溉效率。同時，實際運行中的能源消耗和運行成本也都得到了有效降低，有力地支持了盤錦市水利工程的高效運行。研究在設計一體化測控平板閘門下的湍流分析策略時，主要針對中小型渠道下的自由化出入湍流進行分析，采用的流渠結構如圖3所示。

圖3 流渠結構

從圖3中可以看出，研究設計為檢測水力學性能，設計了一種測控一體化平板閘門模擬模型，將其布置在距離消力池15 m處的渠道中。閘門過水寬度達到0.6 m。該平板閘門的啟閉高度與當下水位高度存在關系，只有在正確的啟閉高度下，才能確保閘門測流的準確性。該研究的主要設備是在溝道端部安裝了隔水板和水循環系統。通過控制閘門開度，實現了對閘門下游水位的有效調控，確保了閘門出口水流暢通無阻。同時，為了防止水資源的浪費，該系統采用水循環系統對管道內的水進行循環利用。這個設計能夠有效地減小水流進入渠道時所產生的波動，從而減小對閘門測流的影響。為了完整地分析水流的湍流現象，設計了一系列的測湍分析策略。首先，在平板閘門關閉的情況下，通過電子流量計按照一定流量加注水，測試水流動態下的變化，并將數據記錄下來。然后，若平板閘門啟開后水流中出現了較大的湍流現象，可以采集脈動信號，分析湍流特性參數。最后，為了進一步研究水流湍流現象，可以采用激光多普勒測速儀對水流速度的峰值、均值、波動度、湍動強度等參數的空間分布進行測量。這樣的測湍分析策略，可以有效地實現對水流湍流現象的全面檢測和分析，提高渠道的水力學性能和測量精度。研究在計算流量系數μ0時采用式(1)為基礎。

(1)

式中：H0為閘前總水頭；e為閘門開度。類似常見的流量系數經驗公式還有Garbrecht公式、杜嶼公式等。研究采用最小二乘法將實測數據進行擬合，此時流量系數值近似計算如式(2)所示。

(2)

式中：A，B，C均為常數。常數值可以通過擬合方程進行求解，擬合方程如式(3)所示。

(3)

為了分析平板式閘門的紊流，進行了流量測量和水深檢測。本研究采用超聲液面儀對溝道上游和下游兩側的水深進行測量，并利用增量式轉動編碼器檢測電機轉動位置的變化，獲得閘門開度信息。該方法可在閘口前后進行測量，為紊流分析提供數據支持。采用這種技術手段，能夠對閘門控制效果進行精確分析。同時超聲波液位計的盲區距離安裝高度已充分考慮，可準確測量水深。兩個液位計的探頭分別位于上游渠道和下游渠道的頂部，可以確定橫截面積，進而計算流量。采集到的數據可用于湍流分析，進而設計相應的流控措施，以優化通流效果。設計的監控平臺通過實時監控過閘流量，可以更加準確地掌握水位情況，從而提高監控的效率。此外，設備日志和異常報警功能，也能夠及時將監測到的問題反饋給操作人員，方便他們及時處理。歷史數據分析和遠程下載更新等功能，則可以更好地支持監控平臺的管理和維護?？刂瞥绦蚝腿藱C界面軟件程序等相關控制模式，支持自動和手動控制，監控軟件可以迅速更換控制模式，并達成自動運行，并及時反饋給操作人員，為了方便管理，可以將這些監控及控制功能集中在一起，呈現給用戶，以達到全面管理和可視化控制的目的。

另外，在計算相對誤差時，采用基本的誤差法進行計算，如式(4)：

Re=(Ac-Pc)/Ac

(4)

式中：Re為相對誤差；Ac為實測值；Pc為模擬值。

2 一體化測控平板閘門下的湍流分析

2.1 過閘流量分析

研究首先利用設計的測控與計算方式來進行流量系數分析，分析過程中從不同閘門開度角度出發，對實測數據Ac與擬合數據Pc進行對比，并分析其間產生的相對誤差。具體結果如表1所示。

表1 流量系數分析結果

表1針對不同開度下的實測數據進行了多數據種類的分析。數據中可以看出，不同閘門開度下實測流量系數和擬合流量系數之間存在一定差異，這可能表明擬合模型存在誤差，在某些情況下無法準確地預測實測流量，這在擬合模型中是較為正常的現象，需要進一步對誤差進行確認，進而確定擬合模型的性能。通過確認相對誤差，可以發現實測流量系數和擬合流量系數之間的相對誤差比較小，這可能表明擬合模型在大多數情況下還是比較準確的。從相對誤差的變化狀態中也可以注意到，計算流量與實測流量之間的相對誤差不太穩定，具有較大的波動范圍。這可能與多種因素有關，例如環境條件、測量儀器誤差、計算公式等等。因此，在進行過閘流量分析時，我們需要考慮和排除這些因素對誤差的影響，以提高計算流量的準確性和可靠性。對比分析結果如表2所示。

表2 對比分析

在水利工程中，公式流量計算是常用的一種方法，其基本原理是根據水流經過一定斷面的流速和流量之間的關系，推導出計算公式來預測水量流量。但是，在公式流量計算過程中，也存在一定的誤差或偏差，因此需要對不同的公式進行精度分析，以便更準確地預測和計算水流量。對于不同的公式流量計算方法，可以采用Rmax和Cv兩種指標來評估其計算精度。其中，Rmax為公式相對誤差的最大值，Rave為公式相對誤差的平均值，Cv為公式相對誤差的變異系數。根據上述不同指標的計算值，可以評估公式流量計算方法的優劣。Garbrecht計算方法、杜嶼計算方法、武漢水利學院計算方法和研究設計方式是常用的四種公式流量計算方法。根據計算結果，研究設計方式的Cv值最大，達到了0.863，相對于另外三種公式，其精度更高。但是，在實際的水利工程中，往往需要根據實際情況選擇公式流量計算方法。針對不同的水流情況和流量計算需求，可以選擇不同的公式，但是從精度角度來看，研究設計的方法計算得到的流量具有更高的精度，在實際應用中具有更大的優越性。

2.2 流態分析

在進行流態分析前，首先對不同工況下的閘前水位高度進行分析，確認實測值與模擬值是否能夠良好吻合，如表3所示。

表3 實測值與模擬值

根據表3數據，在流量和閘門開度變化的情況下，閘前水位高度存在一定的誤差。例如，在流量變化較小的情況下，控制系統的自動控制較為準確，可以通過閘門開度的調整來控制水流的流向和速度，從而使得閘前水位高度在一定的誤差范圍內保持穩定；而在流量變化較大的情況下，自動控制誤差會相應增大，需要采用其他控制手段來應對流量變化，例如增加閘門數量或提高限流堤高度等。對閘門開度的調整也會對閘前水位高度產生一定的影響，例如在流量為0.0342的情況下，閘門開度增加會使得水位降低。流態分析結果如圖4所示。

圖4 流態分析

圖4中水流深度1、水流深度2與水流深度3分別代表由淺到深的三個水流深度，在流量和閘門開度變化的情況下，在閘前的某一范圍內，渠道的水流變化比較平穩，但當接近閘口時，出現了一定程度的壅高現象，并隨著水流強度的增加而變得更加明顯。而在該渠道的下游，水流則相對穩定。這種流態表明，在明渠自由出流的情況下，水流的流動受到閘門開度和流量等因素的影響，而壅高現象與流量之間呈正相關關系。因此，在進行明渠自由出流的控制時，需要針對流量和閘門開度等關鍵因素進行相應的調整和控制，以確保水流流態的穩定和流動特性的優化。

3 結 論

研究通過一種基于物聯網和PLC技術的一體化測控平板閘門的設計，結合湍流分析策略對水流流動特性進行了研究。結果顯示研究設計方式的Cv值最小，為0.863，相比之下，Garbrecht公式、杜嶼公式、武漢水利學院公式的Cv值為分別1.099、0.887、0.927。這表明，研究設計方式具有更高的精度。在流態分析方面，水流的流動受到閘門開度和流量等因素的影響，壅高現象與流量之間呈正相關關系。在流量變化較小的情況下，系統的自動控制較為準確，可以通過閘門開度的調整來控制水流的流向和速度，從而使閘前水位高度保持穩定。本研究在盤錦市的實際應用中取得了良好的效果，具有較高的參考價值。