面向灌区调水工程的远程自动计量闸门研究

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1、2014年8月农业机械学报第45卷第8期doi:10．6041/j．issn．1000-1298．2014．08．027*面向灌区调水工程的远程自动计量闸门研究张从鹏罗学科李玏一毛潭岳向泉(北方工业大学机电工程学院，北京100144)摘要:设计了一种基于远程无线通信技术的灌区动态调水系统，由安装于各级渠道上的自动计量闸门集群和运行于调度中心的远程调水控制系统组成。利用明渠测流理论和传感测量技术，实现了闸门的计量功能;对称双轮双向卷拉驱动机构和中空蜂窝闸板结构设计，提高了闸门启闭运动的可靠性和闸门运行能效;开发了基于AＲM的闸门终端控制器，实现了闸门终端的智能控制和无线远

2、程通讯，多种闸门工作模式可满足不同的应用需求;设计了太阳能供电与电源管理系统，解决了闸门野外工作的供电问题;开发了远程动态调水控制的应用软件包，实现了对闸门的远程监控与联动调水。实验表明，闸门终端环境适应性强，性能稳定，动态水位误差小于5mm，闸门定位误差小于1mm，自由流的测流误差小于4.6%，淹没流测流误差小于8.3%，可满足各类自动调水工程应用。关键词:自动计量闸门远程动态调水明渠测流远程无线控制中图分类号:TV663;TP29文献标识码:A文章编号:1000-1298(2014)08-0172-06装方便等优点，性价比高，非常适合在各型灌区中使引言用。根据明渠测

3、流理论，矩形平板闸门通过闸门开目前，我国灌溉用水量约占总用水量的60%以度调节流量，当开度水位之比e/H≤0.65时，属于闸上，大部分灌区输水系统中使用的传统分水和节制孔出流状态;当e/H＞0.65时，为堰流状态。闸孔出闸门，均采用单闸门的离散手动操作和开环控制，测流又分为自由出流和淹没出流，如果下游水位不影流计量和灌溉方式粗放，渠道输水过程中经常出现响闸下流出的射流，称之为自由出流;反之，称为淹［4］“退水”现象，水流失十分严重。“十一五”末全国农没出流，如图1所示。图中，H为闸前水位，ht为业灌溉用水有效利用系数的预期指标为0.5，大部下游水位，e为闸孔开度，这3个

4、参数可采用传感器分灌区的实际水有效利用率不到50%，灌溉水的利测量得到;H0为包含水流动能的闸前总水头，在灌［1］用率和利用效益较低。国外的灌区自动输水控区渠系应用中，水流速度v0较小，实际应用中忽略动制技术开发较早，澳大利亚通过采用渠道控制系统，将墨尔本维多利亚北灌区几千公里渠道的灌溉水有效利用系数提高至84%～90%，并且实现了全流域［2］动态调水与灌溉自动化。我国相关的研究起步较晚，设备技术落后，现有测流装置和分水控制闸门各自独立，信息融合与系统集成成本高，不能满足建［3］设自动化灌区的需求。本文面向我国各型灌区自动化建设的迫切应用，基于明渠测流理论，研究具有测流

5、计量功能的自动化闸门及其控制系统;融合广域无线物联网技术，实现闸门终端的远程无线测控，通过全流域闸门集群系统的协同控制，以期实现灌区高效、精确、按需配水，提高水资源的利用率和利用效益。1闸门测流原理与系统构成图1闸孔出流方式Fig．1Sluiceflowmode1.1矩形平板闸门测流原理(a)自由出流(b)淹没出流矩形平板闸门具有占地面积小、驱动功耗低、安收稿日期:2014-03-17修回日期:2014-04-20*北京市人才强教计划资助项目(PHＲ201108053)和山西省水利科学技术资助项目(JSKY201007001)作者简介:张从鹏，副教授，主要从事数字化制造

6、工艺装备和计算机测控技术研究，E-mail:soaringroc@ncut．edu．cn第8期张从鹏等:面向灌区调水工程的远程自动计量闸门研究1732水位v0/(2g)，用H代替H0。m0———流速系数采用闸门进行测流时，需根据不同流态采用不a———堰高，闸门安装后a为一个确定值［5－12］同的流量计算方法。根据闸门安装和使用条件，出国内、外学者对此开展了深入的研究，证流状态依照图2所示的流程进行判别。明在不同安装及流态条件下，明渠闸门的流量计算系数取值不同，对测流精度影响较大，本文中，各计算系数设计为智能可调参数，方便根据使用条件进行调整。1.2系统构成基于远程自动计

7、量闸门的动态调水系统通过将流量测量、上下游水位和闸门控制结合为一个整体来精确控制渠道输水。采用解耦控制使水位波动降至最低，确保所有分水口供水稳定;通过按需供水及订水计算机网络化，提高农业用水利用率;用水户可根据自己需要通过手机或网络订水，系统控制相应的闸门定时定量的分水灌溉。一个完整的自动计量闸门动态调水系统构成如图3所示。图2流态判断流程图Fig．2Flowstatusjudgingflowchart［4］收缩断面的跃后共轭水深为hc2h″c=2(槡1+8Frc－1)(1)22其中Frc=2φ(H－hc)/hc(2)hc=eε(3)2e