水库远程自动控制计量闸门控制系统设计

计算过程如下。
[4]。传感器把测量的数据经过 GPRS 模块远程通信输送至远
hc''
=
hc 2
(
1 + 8Fr2c − 1)
程控制终端，然后依照检测获得的闸上下游水位来抉择闸门 的开/关。
收稿日期：2016-10-22
作者简介：刘寿辉（1977-），男，山东临沂人，山东省费县胡阳水利站助理工程师，主要从事水利工程建设等方面的研
第 17 卷 第 1 期 2017 年 1 月
中国水运 China Water Transport
Vol.17 January
No.1 2017
水库远程自动控制计量闸门控制系统设计
刘寿辉
（山东省费县胡阳水利站，山东 临沂 273400）
摘 要：灌区控制和量水领域由于渠系点多、线长、面广、供电困难等实际问题一直沿用人工观测，使得灌区流量
依照三种不同状况的出流形态实现其流量的运算，仅需 测取闸门开度 e、闸门上及下游的水位 H 及 h 即可[3]。利用 位置传感器侧闸门的开度，用水压传感器侧闸门前后的水位， 即可实现对闸门测流的计算。
图 1 闸孔出流形态的两种形式
图 2 流态判断流程图
实现闸门测流的过程中，依照流态不同择取相异的方法， 判别流程如下，其中 hc 及 hc'' 分别表示收缩段水面及收缩断面
二、计量闸门测流原理
依照明渠测流概念，运用无底坎闸孔出流的方法来完成 运算闸门测流的流量，按照闸门开度水位比的结果，可将其 分成闸孔出流以及堰流两种形态，针对闸孔出流形态，如果 下游水位不干扰闸下流出的射流那么就定义成自由出流，相 反情况就定义成淹没出流[2]，两种出流形式见图 1。H 及 h 分别表示闸门上及下游的水位，e 表示闸孔开度。
中图分类号：TV663
文献标识码：A
文章编号：1006-7973（2017）01-0145-02
一、水库概述
山东某水库主要包括主坝、副坝、引水闸、引水渠、放 水闸和分水闸等相关设施。水库设计水位 913.6m，库容为 0.98 亿立方，水利灌溉下游沿线各县区，灌区总面积、耕地 以及设计灌溉面积分别等于 168.5、121.5 及 72 万亩。灌 区内水利工程包含引/输水、灌溉以及排水等 4 部分工程， 大中型节制闸目前来看均依赖人工现场操控，具有工作维修 护理劳作强度比较高、人为干预成分多以及数据采集周期较 长等缺点[1]，由于人为因素的干预其误差比较大，同时很难 对其进行全面、及时地掌控节制闸工作状况。
监测和闸门控制信息化程度低，控水、调水能力较差。针对山东某水库灌区，设计开发了远程自动控制计量闸门控
制系统。利用明渠测流原理和传感测量技术实现闸门计量，借助数据的无线传输实现闸门远程控制，对系统数据采
集和电机驱动进行阐释。系统运行稳定、精度高、操作简单，适应性强满足灌区信息化建设要求。
关键词：灌区；计量；闸门；远程控制
究。
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中国水运
第 17 卷
图 3 系统结构图 1．系统数据采集设计 （1）远程水位数据采集设计 水位传感器择取 STM32-F407IGT，把水位数据变换成 4~20mA 的电流信号并输出，随后经过信号变换把 4-20mA 的电流信号变换为 0~3.3V 的电压信号然后输送至主控板。 电流信号向电压信号的变换是水位数据采集的重点，为了确 保其准确性，在转换电路择取 RCV420JP 精密电流环接收 器芯片，它能够准确的实现 4~20mA 电流信号至 0~5V 的电 压信号的转换，同时其内部配置有精密电阻网络、运算放大 器以及 10V 的精准电压，从其输送出的电压信号是 0~5V 无 法立即输送至主控板，还应该串联一个 100 及 200 电阻当 做它的分压电路。 （2）闸门开度数据采集设计 通常情况下择取机械接触式及光电编码器和光栅传感器 实现闸门的开度数据采集，此类传感器拥有停电时数据轻易 缺失、检测角度通常是单圈以及分辨率很低等缺点。所以择 取多圈绝对角度传感器完成系统设计，从而避免掉电时缺失 数据的缺点，同时还能够实现多圈角度测量，并且还具有较 长的应用寿命长。最终把输送出来的数据经过 RS484 通信 输送至主控板。 （3）闸门开度数据采集电路设计
ε 旋滚末端的过水断面，Fr2c 及 分别表示佛氏数及垂直收缩系
三、远程自动控制计量闸门控制系统 远程自动控制计量闸门控制系统结构见图 3，控制器择 取以 ARM Cortex - M4 内核的 STM32F4 系列微处理器，它
数，其运算步骤如下。
拥有很快的运算速度、非常小的能耗以及很高的效率等优点
响应闸门的位置消息，较传统的机械式行程开关，接近开关 的使用寿命更长，精度更高。为了能够很好地去除干扰，将 由 74LV245A 芯片组成的隔离电路添加到主控芯片及接近 开关中间，实现信号的隔离及变换，在很大程度上缩减了干 扰的产生，其设计电路见图 4。
2．电机驱动电路设计 步进电机拥有很高的运行稳定性、非常低的噪声以及很高 的扭力等优点非常适宜来驱动闸门，因此该系统择取步进电机 经过主控板上的电机驱动器来实现电机的驱动。步进电机的调 速归属开环控制，经过把电脉冲信号转变成角位移，同时运用 脉冲信号的频率以及其数量来判定转速及位置，并且经过控制 脉冲完成准确定位的同时还能够完成调速的功能[5]。 电机驱动器择取两相混合步进电机驱动器，同时将光耦 隔离电路添加到控制处理器以及驱动器中间，以完成他们之 间的电平转变的功能，另外运用光栅隔离管的低通特点以避 免外部干扰经过他们中间的通信而导致处理器产生干扰及损 伤，排除其高频干扰信息，进而大大提升系统的稳定性。考 虑到灌区的气候一年之内温差变化比较大，因此择取 DS26C31 差动线路驱动器当做电机的驱动器，它拥有能够 快速实现信号变换的优点，并且工作温度区间是-40~85℃， 非常适宜当地的气候。 3．系统软件设计
Fr2c
=
2φ 2 (H hc
−
hc )
hc = eε
ε
=
0.6159
−
0.0343
e H
+
0.1923(
e Hቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
)2
则自由出流流量 Q = μ0eb 2gH0
σ 淹没出流流量是 Q = σm0b 2gh3/2 ， 及 m0 分别表示淹没
及流速系数。
坎堰流流量是 Q = ϕbεe 2g(H0 − h) ， ϕ 表示流速系数