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闸控系统方案
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灌区水量调度是通过闸口分水实现的,有必要对灌区配水的重要闸口实施远程控制,具体体现灌区水量调度方案的执行,确保灌区节水治理目标的实现。
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方案介绍


1、概述

灌区水量调度是通过闸口分水实现的,有必要对灌区配水的重要闸口实施远程控制,具体体现灌区水量调度方案的执行,确保灌区节水治理目标的实现。

2、系统结构

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系统结构图

系统结构主要包含闸控硬件设备、传输模块、服务器端、用户使用端四部分组成。闸控硬件设备包含电动闸门、闸前闸后量水测水设备、视频摄像机等设备,属于停水放水、基础数据采集、和视频监视的基本硬件设施。传输控制模块则是通过485或232信号将数据采集上来和对闸门进行控制,本地进行少量存储及通过触摸显示屏显示当前闸门开度、闸前水位、闸后水位、瞬时流量等基础数据。服务器端是所有数据的接收、计算、转发、存储、逻辑操作的中心。用户使用端分为电脑端和手机APP端,用户使用端可以查询当前闸门的基础数据、发送远程控制闸门升降停指令。

2.1、闸控硬件设备

闸控硬件设备包含电动闸门、闸前闸后量水测水设备、视频摄像机等设备。


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电动闸门

2.1.1 电动闸门

电动闸门通过启闭机控制闸门的开启和关闭,当触碰到限位开关时,启闭机自动停止,防止产生闸门螺杆顶弯等状况。

闸门启动有三种方式,现场手动、遥控器控制、远程控制。

1、现场手动∶指在闸门所在现场的闸室内放置有闸门监控柜,监控柜设置有闸门控制用的升降停按钮和控制权限切换开关,在现场具备开机条件下,按下升降停按钮可以使控制回路动作,从而使闸门做相应的运动。

2、遥控器控制:指遥控器有升降停三个按钮,手持遥控器在闸控室外5米范围内对闸进行遥控,按下遥控器升降停按钮,使闸门做相应的运动

3、远程控制:是指用电脑端软件和手机端APP对闸门进行远程控制。

 

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电脑端闸门控制页面


 

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手机APP闸门控制页面

电脑端和手机APP都可以通过视频监控看到当前闸门的状态,然后再对闸门进行控制。控制方式有,手动远程控制、恒定开度控制、流量控制。手动远程控制是控制闸门的升降停。恒定开度控制是设定一个开度值,然后点击闸门启动,闸门自动升或降到这个开度,点击闸门停止,闸门则立即停止。流量控制是设定目标用水量和瞬时流量,点击设置,闸门自动升或降达到需要的瞬时流量,然后等本次用水达到目标用水后自动关闭闸门。

2.1.2 闸前水位设备

水闸是主要利用闸门挡水和泄水的建筑物。灌区渠道中水闸的主要作用是调水配水的作用。

灌区用水涉及信息量大,且又处于动态变化中,通过传统的人工处理手段,既费时间,且精度也不高,难以适应现代化水管理需要,这就用到了量水测水设备。量水测水设备实时监测闸前闸后水数据,通过传输模块将数据上报到服务器端,用户通过手机端或电脑端实时查询水闸数据,进行实时监控、分析及操作。

闸前水位是水闸前的水位。测量闸前水位的方式有多种。传统测量水位的方式是在水闸两侧合适位置安装水尺,人工获取当前水位值,数据不能实时进行获取且容易有偏差。现代化测量水位可通过雷达水位计和超声波水位计。

雷达水位计:水闸位置需探出横臂,雷达水位计安装到横臂上,然后进行水位测量。雷达数位计的原理是天线发射极窄的微波脉冲,这个脉冲以光速在空间传播,遇到被测水面,其部分电磁波被反射回来并被天线接收。雷达水位计内部采用一种高速芯片加上特殊的软件算法,可以准确的识别发射电磁波与接收电磁波的时间间隔,这个时间X电磁波速度/2=雷达天线到水面的距离。测量范围为0-30米,测量精度为±3mm,分辨率为1mm,测量时间为10s。测量数据是准确和及时的。

超声波水位计:需要在水闸旁,渠道岸旁增加观测井,将超神波探头固定到观测井上方,进行水位测量。超声波物位计安装于容器上部在电子单元的控制下,探头向被测物体发射一束超声波脉冲。声波被物体表面反射,部分反射回波由探头接收并转换为电信号。从超声波发射到被重新被接收,其时间与探头至被测物体的距离成正比。电子单元检测该时间,并根据已知的声速计算出被测距离。通过减法运算就可得出物位值。由于温度对声速具有影响,所以仪表应测量温度,以修正声速。测量范围为0-5米,测量精度为±3mm,分辨率为1mm。测量数据也是准确和及时的。


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雷达水位计安装示意图

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超声波水位计安装示意图

2.1.3 闸后量测水设备

闸后量测水也有多种方式,根据现场不同的情况对量水设备进行选择。

在非满管状敞开渠道测量自由表面自然流时,可以使用明渠电磁流量计。明渠电磁流量测量系统的组成,最常用的方法一般由一台流量显示仪、一台流速计、一台液位计组成。明渠电磁流量计以流速-水位运算法为基础,并采用了先进的伺服水位跟踪测速系统和微处理器,从而确保测速和运算的准确性的一种新型智能化流量系统,根据渠道的宽度和测量精度的要求,采用一线一点法或多线一点法明渠测流的数学模型。电磁流量计中微处理器根据水位计测出的实际水位值,输出控制信号去驱动伺服跟踪执行机构带动电磁流速仪自动跟踪,在垂线平均流速点0.4倍水深处检测流速,并根据实测的水位值、流速值和已置入的渠道几何尺寸、边坡系数、渠道精度、水力坡道、流速垂直平面修正系数,按照预定的数学模式计算出渠道的流量。明渠流量计的精确度为流速±1.5%、水位2mm、系统精度±2.5%;测量范围是0 ~ 10m/s(流速)。

在现场具有标准量水槽时可通过测量水槽位置水位,通过标准量水槽计算公式计算出流量。 如下图:

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量水槽流量计算规范

现场可采用低功耗水位计测量水槽位置水位。因为一般这种位置都处于野外,市电不易接到此位置,太阳能供电成本高。低功耗水位计每天定时上报数据,可一次上报上传多条数据。电池可更换或可充电,成本低,无需更换整个水位计。水位计测量范围:0-5米,精度:±3mm。


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低功耗水位计安装图

2.1.4 视频摄像机

视频摄像机的作用,一是,当远程控制闸门时可远程查看闸门开启状况,二是起到起到防盗作用。

为了保证灌溉配水高效快捷、及时到位、方便群众,每年灌区都对斗农闸门配套设施投入大量的资金进行更新改造。在灌溉季节,各管理站将所辖区域内的斗农渠闸门配备齐全,落实到各条斗农渠上,管理人员随时跟班蹲点巡回检查,督促闸门的拆移、转交等工作,但管理人员不可能每时每刻对放水斗农渠进行蹲点看护,而斗农渠闸门又基本是钢制的,其体积小、重量轻、易拆除、易搬运是其优点。一些思想落后,法制观念淡薄,贪图一时小利的人便利用这些优点常在夜晚或人少时将闸门盗窃或挪用,用来制做家庭用具的材料,出现闸门设备、常盗、常配恶性循环的结果,不仅给农户及时配水造成一些麻烦,而且给管理单位和管理人员造成了上不同程度的损失。目前全区斗农渠闸门配套完好率只有 60%左右,已成为灌区急待解决的课题之一。

为了解决此问题,在监控立杆上安装安防设备。安防设备可进行布放,当处于布放状态时,安防控制箱底部安装人体监测传感器,当有人靠近时,通过tcp协议传输到服务器端,然后服务器端给监控发送指令,进行拍照,服务器端并发送短信给对应管护人员和手机APP信息提醒。

2.2、传输控制模块

传输控制模块是连接闸门和外界的网关。遥控器控制和远程控制通过网络或红外线通知控制模块,控制模块收到信号后通过485或232传输到设备上,然后闸门进行升降停。

2.3、服务器端

服务器端,从广义上讲,服务器是指网络中能对其它机器提供某些服务的计算机系统(如果一个PC对服务器端外提供ftp服务,也可以叫服务器)。主要的硬件构成仍然包含如下几个主要部分:中央处理器、内存、芯片组、I/O总线、I/O设备、电源、机箱和相关软件。

服务器端的功能:1,接受闸控硬件设备通过传输控制模块上传的数据,并进行存储、转发、处理、整合等;2,给用户使用端提供一系列数据,比如账号、权限、水闸实时数据、水闸控制、监控播放、监控历史拍照、预警信息等;3、提供第三方API接口,供第三方使用。

如果服务器宕机,整个闸控系统将处于不可测状态,水闸只能进行离线本地操作,阻碍了实现信息化闸控系统,所以服务器端是一个很重要的环节。

2.4、用户使用端

用户使用端分为移动端和电脑端两部分。两者的区别是使用的工具不同和页面展现形式不同,不过最终实现的效果都是闸控量测水系统。

闸控量测水系统有控制系统、监测系统、安防系统、统计分析等功能。

控制系统是用户在电脑或手机上选择进入相应水闸站点,用户输入安全操作码(防止非操作人员违规操作),可以看到当前水闸的开度、闸前水位、闸后水位和闸后流量,点击播放闸门视频监控,然后选择控制方式,控制方式分为手动远程控制、恒定开度控制、流量控制。

手动远程控制是用户使用电脑或手机端,进入相应水闸页面,点击升降停3个按钮进行控制,视频监控查看闸板位置,水闸开度数据实时变化,根据具体情况进行水闸的关闭。

恒定开度控制是设定一个开度值,点击启动闸门,闸门将会移动到此开度值上。开度值有上限和下限,当设定的开度值超出限值时,点击启动闸门后闸门远程控制指令不会下发。

流量控制是值水闸在一定时间段内流过用水量达到设定的用水量时自动关闭闸门的控制方式。首先需要设置目标用水量和瞬时流量,目标用水量是本次水闸需要流过的水量,瞬时流量是闸后测流设备实时监测的瞬时流量。运行过程是用户进入水闸控制页面,选择流量控制,输入目标用水量和瞬时流量,点击设置,闸门自动根据闸后量水设备采集的瞬时流量实时的调整闸门的开度,当瞬时流量达到设置的流量值时闸门自动停止。当量水设备采集的用水量达到设置的目标用水量时自动关闭闸门,并将本次闸门放水过程上传到服务器端。

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闸门控制页面

监测系统是闸前闸后量测数据的展现。已图表和表格的形式展示闸前水位、闸后水位和流量数据,用户可选择某天去查看水闸此天的数据,也可选择多天去查看数据。

安防系统的功能为了防止斗农渠闸门被盗。它是由人体监测传感器、安防RTU、视频摄像头、喇叭等组成。管理人员可以通过遥控器对安防RTU下发布放命令,当有人靠近时,人体监测传感器会监测到附近有人,安防RTU收到此信息后,会上报给服务器端,服务器端将信息存储,调取监控拍照,并已短信的形式发给相应的管护工作人员。管护工作人员可通过手机APP查看对应监控并给安防RTU下达鸣笛命令,安防控制柜中喇叭会发出刺耳的声音警告。

统计分析是水闸数据的按年度、月度的图表形式的展现。可查看单个水闸或多个水闸的年度累计用水量和月度累计用水量。还可进行不同年度月度的数据对比,分析多年用水量的变化。





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