基于单片机的河道自动化闸门流量控制系统

河道自动化闸门流量控制系统

摘要

电子系统、通信系统和信息技术的现代发展帮助了运河自动化系统的设计。渠道灌溉大量使用了灌溉用水。以微控制器为基础的系统是非常灵活的，而这个系统可以比PLC更轻松地连接到不同的模块。系统采用基于智能微控制器的远程终端（RTU），可以通信不同的传感器、通信调制解调器、存储器、模数转换器和不同的模块。

在本文中，我们提出了一个基于单片机的流量控制系统的设计闸门在运河自动化。流量控制系统由子系统组成：RTU、太阳能发电系统、液位测量系统、流量测量系统、闸门执行系统、通信系统。本文着重研究分流流量控制活动、分支和直接管出口。远程终端单元监控上游水位，下游水位，下游流量，电力状态，闸门开度，闸门的健康和安全。所有系统组件设计用于太阳能和电池备份。传统的操作系统有些缺点和不准确。本文建议的系统有助于提高灌溉作业效率，电力使用，测量的准确性，水的分布和反应的不平衡，并控制在闸门位置的流量连续。该系统也有助于减少水的浪费和劳动依赖。

关键词河道自动化；渠流控制系统；渠门控制系统

一、引言

渠道灌溉被广泛用于灌溉水源。因此，灌溉渠水管理是全面灌溉发展的关键因素。传统的方法是使用水的用户（农民）以旋转的形式提供水的需求。传统的系统有着许多弱点，包括预测和实际流量。而一旦有错误可能会引入流量测量和水库的水含量，这也没有考虑到人类和自然干预的不平衡，在传统的系统中。由于这一点，用户在最后忍受缺水的问题。为了提供有效的输送和避免不平衡，渠道自动化在灌溉中起着至关重要的作用。

很多研究人员在研究流量控制的时候。Mahesh Nandania已经解决了闸门运行中出现的一些实际问题。系统控制运河闸门运用PLC（可编程逻辑控制器）和VFD（变频驱动）系统和监控与数据采集与监控（SCADA）系统。mandavia在印度提到操作系统，送水的做法，需要的操作管理系统，现代化的管自动化系统现状。马加德等人，提到该系统是在尼罗河的大运河在艾伦布拉德利使用PLC。它包括远程监控和控制在所有地点从中央控制[ 3 ]。而Bautista 等人，提到了盐河项目的运河自动化系统是基于需求和服务。在这个系统中的主要策略是保持水位接近目标水平。大部分的门可以手动操作，但其中一些是自动化的。有效地处理前馈和反馈控制逻辑组合。丁等人，采用PID（比例积分微分）控制器与模糊控制相结合的渠道自动化。自动管手术通过Deshmukh等人的编程实现了，利用了使用高诺斯PLC。Manuel Rijo 已经开发了两个地方的PI（比例积分）自动控制模式，即上游和下游利用PLC 。Donia提出了计算机辅助控制系统新的排水可以成功地监测和控制流。

从文献可以看出该研究没有集中在一些重要的方面：（1）基于单片机的RTU（远程终端单元）系统可以使用便宜的新界面，开发也比PLC更灵活，（2）万一发生破坏，会影响系统的安全性，（3）对系统的不确定性的反应，（3）闸门的操作，如自动/手动和远程/本地详细模式，（4）在电源效率不可用的情况下，有效的使用备用电池电源管理技术，

（5）每个RTU时间同步在浇口位置来帮助监控和数据采集系统（SCADA）的及时分析系统，（6）适用于区域的地形和明智的可用的通信技术（7）适用于渠道结构的流量测量技术。本文提出了基于微控制器的远程流量控制系统的太阳能电池供电的12V直流电池备份。系统监视和控制水位流量，还监测电源状态，上游水平，下游水平和系统状态。在任何不确定的情况下会启动推送通信。所需的流量指令由远程SCADA自动或由操作员使用SACDA。它还显示，存储和通信所有必需的参数，如闸门水平，流量和闸门门打开和报警。第二节介绍了传统的系统和缺点。第三节介绍了建议的运河自动化系统。门流控制设计和RTU的智

能控制器设计，监控所有活动在门位置的第四和第五节。

二、传统的系统

运河系统将水从水坝或水库从不同的路径输送给用水者。根据工程设计的不同阶段，闸门控制流量。运河手术的主要目的是保持所需的流量在每个门位置的下游，并保持整个运河的期望水平。灌溉渠道的典型网络如图1所示。

图1 典型灌溉渠网

在常规工作中，用水者提前向水管理系统提出要求。人工计算的水分含量，交货时间表，旋转的数量和每次运转的时间准备与灌溉专业人士。这些运转是面向需求的，但总是有预测和实际供水之间的差异，因为有不准确的水含量和流量计算。

灌溉专业人员用伯努利方程计算流量如下所述：

Q=通闸结构放电（M3 /秒）

CD =综合流量系数（0.6-0.65）

A=加权面积（平方米）

g=重力加速度= 9.81（米/秒）

h1=上游水位（米）

H2=下游水位（米）

然后

A = W *G

W =门宽（m）

G = 门开（米）

这种计算是不准确的，因为它并没有给出准确的流量。这种不准确会直接影响下游的流量计算，因运河的操作反应的不平衡。这些错误累积到了尾部，所以远端用户承受更多的水或更少的水。如果尾水短缺，操作系统会从水库释放更多。最终用户得到足够的水，但近端用户也会收到更多的水，这是不可取的。大部分的多余的水浪费在近端和远端。在传统系统中近似水耗为5到百分之15 。渠道运行不平衡的结果：（1）作物产量下降，（2）人力损耗，（3）电力损耗，（4）社会因素如用水者不满（5）水资源浪费。

三、渠道自动化系统

渠道自动化包括头调节自动化（HR）的大门，穿过闸门，分流调节器（CR）门，外侧和直接管出口（DPO）门。主SCADA中心收集图2所示的所有远程位置的数据，运用循环式。

图2 管道通信自动化系统

用水需求从用户收集，并进入主SCADA数据库到运营商。主要以SCADA系统收集数据和大坝可用的水含量。根据用户的需求和从大坝收集的信息，水的交付和控制流量在人力资源和其他闸门。自动和手动是SCADA软件中的两种模式。在自动模式SCADA软件发送命令门位置自动控制流量。在手动模式下操作员在主SCADA站可以发送命令到门位置的流量控制。

四、远程闸门位置的自动化

本文所强调连续监测和控制在于分流门，外侧和DPO闸门。在这些门的下游流量是小于HR和CR门。同样大小的门是较少的HR和CR门相比。这里所提出的自动化系统是紧凑的，包括子系统：（1）太阳能发电系统，（2）执行器系统，（3）流量测量系统，（4）液位测量系统，（5）通信系统和（6）安全系统，如图3所示。

图3 流量控制系统框图

A.太阳能发电系统

为了提供在闸门位置的流量控制系统的电源，使用太阳能发电系统发出。太阳能发电系统由太阳能充电控制器，电池，电源状态指示和太阳能板，如图3所示。太阳能充电控制器充电电流适当。如果电池电压达到充电指示13.6v自动停止，电池充电。如果电池电压低于10.5V，控制器显示电池低信号。然而电池电压进一步下降低于削减10.25v太阳能充电控制器的输出负载。充放电过程改善电池寿命。

流量控制系统也可以在没有太阳能的情况下工作。电池容量和太阳能板的选择取决于（1）功耗的流量控制系统组件（2）所需的备份时间。RTU和执行器具有省电机构。太阳能电池板应该有25%以上的发电能力比累计，所有连接负载的瞬时额定功率。

B.执行系统

执行器系统本身是一个独立的系统。它包括控制器，键盘，显示单元，直流电机，门，增量编码器，变速箱，限位开关，模式开关和RS485数字串行接口，如图3所示。致动器控