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1、具有测流计量功能的自动化闸门及其控制系统设计 引言 目前,我国灌溉用水量约占总用水量的60%以上,大部分灌区输水系统中使用的传统分水和节制闸门,均采用单闸门的离散手动操作和开环控制,测流计量和灌溉方式粗放,渠道输水过程中经常出现退水现象,水流失十分严重。十一五末全国农业灌溉用水有效利用系数的预期指标为0.5,大部分灌区的实际水有效利用率不到50%,灌溉水的利用率和利用效益较低。国外的灌区自动输水控制技术开发较早,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
2、现了全流域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,研究具有测流计量功能的自动化闸门及其控制系统;融合广域无线物联X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 1.1矩形平板闸门测流原理 矩形平板闸门具有占地面积小、驱动功耗低、安装方便等
3、优点,性价比高,非常适合在各型灌区中使用。根据明渠测流理论,矩形平板闸门通过闸门开度调节流量,当开度水位之比e/H≤0.65时,属于闸孔出流状态;当e/H>0.65时,为堰流状态。闸孔出流又分为自由出流和淹没出流,如果下游水位不影响闸下流出的射流,称之为自由出流;反之,称为淹没出流,如图1所示。图中,H为闸前水位,ht为下游水位,e为闸孔开度,这3个参数可采用传感器测量得到;H0为包含水流动能的闸前总水头,在灌区渠系应用中,水流速度v0较小,实际应用中忽略动水位v20/(2g),用H代替H0。 采用闸门进行测流时
4、,需根据不同流态采用不同的流量计算方法。根据闸门安装和使用条件,出流状态依照图2所示的流程进行判别。 m0流速系数 a堰高,闸门安装后a为一个确定值 国内、外学者对此开展了深入的研究,证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
5、及订水计算机X络化,提高农业用水利用率;用水户可根据自己需要通过或X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3中,灌区全流域动态远程调水控制系统安装于调度中心的服务器上,通过广域无线通信技术实现对安装于各级渠系上的闸门终端远程监控,实现动态调水控制,同时处理和X络客户端的订水及控制指令;远程自动计量闸门集群是实现全流域自动动态调水的关键终端设备,主要由机械本体、控制系统、电源系统3部分组成。 2、自动计量闸门设计 2.1机械结构设计 自动计量闸门的机械结构
6、如图4所示,主要包括闸门框架、闸门门板、密封条、升降杆、钢线拉绳、绳轮、减速机、驱动电动机和传感器等。闸门启闭过程为:步进电动机的驱动力矩通过减速机传递到传动轴,传动轴带动钢绳卷轮转动,从而牵拉闸门开启或关闭。 保障闸门的正常启闭是机械设计的关键,常见的螺杆式闸门启闭装置为单点受力结构,门板在上下运动中容易侧斜、卡阻;而一般的卷扬式闸门启闭机,需依靠门板自重实现闸门闭合,容易造成卡阻,不适用于小型闸门。 设计一种对称双轮双向卷拉驱动机构,门板的施力点对称布置,2个卷轮的线槽分别设计为左、右向螺旋,门板启闭运动过程中2个
7、受力点始终保持对称和同步,上下运动均受到升降杆对称的同向驱动力作用,可有效避免门板走偏卡阻及门板底部一端翘起的情况。绳轮结构如图5所示。 为减轻供电系统负荷,设计一种基于蜂窝技术的轻量化、高强铝合金复合门板,主体框架采用高强铝合金,空腔内复合了蜂窝结构压粘面板,惯量小于实心铝板的50%,并满足高水压下的强度和刚度要求。 2.2终端控制系统设计 远程自动计量闸门终端控制系统的主要功能有:闸门启闭运动控制、传感器数据采集及测量计算、远程无线通信功能、多模式闸门控制、本地操作及信息显示等。 (1)控制系统总体方案 远程
8、自动计量分水闸门的控制系统硬件组成如图6所示,主控模块采用ARMCortexM4系列的主控芯片,包括数据采集接口、无线通信接口、电动机驱动接口、限位开关接口、LCD模块和数据存储模块等。 (2)测量系统设计 根据明渠测流理论,通过闸门计量流量,至少要测量闸前水位H、闸后
