CN105951694B - 灌区闸门远程自动控制节水系统 - Google Patents
灌区闸门远程自动控制节水系统 Download PDFInfo
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Abstract
灌区闸门远程自动控制节水系统，属于灌区现代化、自动化管理技术领域，包括监控中心、闸门现地控制单元、渠系、闸门以及量水槽；监控中心包括主控制器和显示单元，主控制器包括水位流量监测单元、故障分析单元、存储单元、报警器以及优化配水单元；闸门现地控制单元包括可编程序控制器、闸门启闭传动机构、水位传感器，渠系包括两条渠道或两条以上的渠道，且每条渠道的入水口均设置有闸门；渠道的内部均设置有量水槽，且渠堤均设置有一个设置有水位传感器的水位测井。本发明全面解决目前灌区管理现代化、自动化水平低的问题，提高灌溉水利用率，既节约了宝贵的水资源，又为灌区的可持续发展起到了关键作用，有助于农业现代化程度的提高。
Description
技术领域
本发明属于灌区自动化管理技术领域，特别是涉及到一种灌区闸门远程自动控制节水系统。
背景技术
世界各国利用的农业节水措施可概括为工程节水、农艺节水、生物节水和管理节水等四大类。这些节水措施的应用大致分布在四个基本环节中：一是减少渠系管道输水过程中的水量蒸发和渗漏损失，提高灌溉水的输水效率；二是减少田间灌溉过程中水分的深层渗漏和地表流失，提高灌溉水的利用率，减少单位灌溉面积的用水量；三是蓄水保墒，减少农田土壤的水分蒸发损失，最大限度地利用天然降水和灌溉水资源；四是提高作物水分利用效率，减少作物的水分奢侈性蒸腾消耗，获得较高的作物产量和用水效益。
我国灌区节水较发达国家差距较大，灌区节水改造还多限于发达国家已经完成的第一步，即解决输水过程的渗漏等跑冒滴漏初级问题，在研究领域多限于解决信息管理系统建设和闸门控制技术应用，缺乏从整个灌区系统的角度研究节水技术并将其与闸门控制和信息化管理有机地融为一体。江苏省淮安市洪金灌区管理处的孙健发表的洪金灌区自动化控制系统的开发与运用虽然提出了检测和控制闸门，但并没有量水设施，无法实现控制和流量测量的准确性；武汉理工大学的吴竞发表的灌区闸门远程控制系统设计虽然建立了数据库，但无法对明渠和管道均进行自动控制；武汉理工大学计算机学院的刘树波、徐占国等发表的陡山灌区渠首闸门自动控制与实现提出了闸门的远程自动控制，但无法实现根据流量变化实时调控闸门。因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决“渠道量水与闸门自动控制有机结合”“灌区各级闸门自动控制优化配水”“闸门远程自动控制故障诊断和模糊控制”等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种灌区闸门远程自动控制节水系统，全面解决目前灌区管理现代化、自动化水平低的问题，提高灌溉水利用率，既节约了宝贵的水资源，又为灌区的可持续发展起到了关键作用，有助于农业现代化程度的提高。
灌区闸门远程自动控制节水系统，其特征是：包括监控中心、闸门现地控制单元、渠系、闸门以及量水槽；
所述监控中心包括主控制器和显示单元，所述主控制器包括流量监测单元、故障分析单元、存储单元、报警器以及优化配水单元；
所述闸门现地控制单元包括可编程控制器、闸门启闭传动机构、水位传感器，所述水位传感器与可编程控制器通信连接，可编程控制器的信号输出端分别与闸门启闭传动机构和设置在监控中心内部的主控制器通信连接；所述闸门启闭传动机构与闸门连接；
所述渠系包括两条渠道或两条以上的渠道，且每条渠道的进水口均设置有闸门；渠道的内部均设置有量水槽，渠堤上均设置有水位测井；所述水位传感器设置在水位测井内。
所述闸门启闭传动机构为涡轮丝杠升降机。
所述量水槽为机翼形量水槽或机翼柱形量水槽。
所述可编程控制器内部设置有模糊算法器和模糊判决器。
所述优化配水单元为支持向量机的优化配水模型，采用神经网络算法，将原始数据均分为K组，其中K为自然数，将每个子集数据分别做一次验证集，其余的K-1组子集数据作为训练集，得到K个模型，取K个模型最终的验证集的分类准确率的平均数为分类器的性能指标，选取参数。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：灌区闸门远程自动控制节水系统，全面解决目前灌区管理现代化、自动化水平低的问题，提高灌溉水利用率，既节约了宝贵的水资源，又为灌区的可持续发展起到了关键作用，有助于农业现代化程度的提高。
利用动态神经网络建立的非线性动态模型可较好的反映闸门控制过程的水力特性及其机械特性；采用先进的控制策略设计的自适应模糊控制器，能够保证闸门控制系统的稳定性、可靠性及灵活性；采用故障自诊断专家系统，保证当系统各个环节出现的故障时自动急停、断电，并在上位机发出报警信号，解决闸门远程自动控制过程中可能出现的故障问题；采用模糊控制技术、Java和GPRS无线网络技术、量水技术、支持向量机优化配水建模技术进行多学科领域技术集成创新，有效地实现了灌区闸门节水高精度远程自控系统。
采用机翼柱形量水槽进行渠道流量水量监测，为闸门远程自动控制调节提供准确依据，从而保证节水系统具有很高的节水效益和控制精度，可为灌区的优化配水提供可靠的闸门开度调度方案，在保证量水精度的前提下降低量水设施的投资，实用性强，操作简单，适应性好。
监控中心可实时监视现地控制单元的闸门启闭传动机构动作状态，当闸门启闭传动机构发生故障时，可发出报警信号，并进行故障分析，有利于系统运行保持通畅。
闸门启闭传动机构采用的涡轮丝杠升降机具有起升、下降及借助辅件推进、翻转及各种高度位置的调整等功能，且结构紧凑、体积小。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
图1为本发明灌区闸门远程自动控制节水系统流程示意图。
图2为本发明灌区闸门远程自动控制节水系统结构示意图。
图中1-监控中心、2-闸门现地控制单元、3-渠系、4-闸门、5-主控制器、6-显示单元、7-水位测井、8-量水槽、9-可编程控制器、10-闸门启闭传动机构、11-水位传感器、12-渠首水源、501-流量监测单元、502-故障分析单元、503-存储单元、504-报警器、505-优化配水单元、901-模糊算法器、902-模糊判决器。
具体实施方式
灌区闸门远程自动控制节水系统，如图1和图2所示，包括监控中心1、闸门现地控制单元2、渠系3、闸门4以及量水槽8；
所述监控中心1包括主控制器5和显示单元6，所述主控制器5包括流量监测单元501、故障分析单元502、存储单元503、报警器504以及优化配水单元505；
所述闸门现地控制单元2包括可编程控制器9、闸门启闭传动机构10、水位传感器11，所述水位传感器11与可编程控制器9通信连接，可编程控制器9的信号输出端分别与闸门启闭传动机构10和设置在监控中心1内部的主控制器5通信连接；所述闸门启闭传动机构10与闸门4连接；
所述渠系3包含两条或两条以上的渠道，且每条渠道的进水口均设置有闸门4；渠道的内部均设置有量水槽8，渠堤上均设置有一个水位测井7；所述水位传感器11设置在水位测井7内。
所述闸门启闭传动机构10为涡轮丝杠升降机。
所述量水槽8为机翼形量水槽或机翼柱形量水槽。
所述可编程控制器9内部设置有模糊算法器901和模糊判决器902。
所述优化配水单元505为支持向量机的优化配水模型，采用神经网络算法，将原始数据均分为K组，其中K为自然数，将每个子集数据分别做一次验证集，其余的K-1组子集数据作为训练集，得到K个模型，取K个模型最终的验证集的分类准确率的平均数为分类器的性能指标，选取参数。
整个灌区闸门远程自动控制节水系统的监控中心1和设置在渠首水源12以及各个支渠闸门4节点上的若干个闸门现地控制单元2构成，监控中心1通过GPRS网络回收整个灌区闸门处流量、水位和闸门开度能状态信息，根据灌区需水量和作物生长特性实时动态分配各主、支渠配水量，通过GPRS网络下达给闸门现地控制单元2。各闸门现地控制单元2接收到配水指令后，从指令信息中分离出配水量与持续配水时间等信息，通过调节闸门4开度，实现灌溉配水的自动化。
闸门现地控制单元2中的可编程控制器9为核心部件，实现闸门现地控制单元手、自动工况切换，同时对闸门现地控制单元各组成装置进行状态监控，并将闸门现地控制单元泄水量、闸门开启时间、通过该闸门实时流量以及现地控制单元的各组成装置的运行状态通过GPRS网络传至监控中心1中。
通过与水位传感器11间通信，能实时读取安置在闸门4下游的量水槽8的水位数据，通过公式
式中：Q-渠道流量，m3/s；
H-量水槽上游水尺处渠道水深，m；
Bc-量水槽喉口宽度，m；
g-重力加速度，m/s2。
将水位数据折算为通过该闸门的流量数据，并根据时间累计水量。
完成模糊～PID调节运算，实时调整闸门开度，精细控制过闸流量。
通过本发明设计的灌区闸门远程自动控制节水系统，闸门的控制精度在95％以上，且比较稳定，量水误差可以控制在5％以内，全面解决目前灌区管理水平，提高灌区的灌溉水利用率，不仅节约了水量，更为灌区的现代化发展起到了关键作用，有助于社会整体可持续发展。
Claims (2)
1.灌区闸门远程自动控制节水系统，其特征是：包括监控中心(1)、闸门现地控制单元(2)、渠系(3)、闸门(4)以及量水槽(8)；
所述监控中心(1)包括主控制器(5)和显示单元(6)，所述主控制器(5)包括流量监测单元(501)、故障分析单元(502)、存储单元(503)、报警器(504)以及优化配水单元(505)；
所述闸门现地控制单元(2)包括可编程控制器(9)、闸门启闭传动机构(10)、水位传感器(11)，所述水位传感器(11)与可编程控制器(9)通信连接，可编程控制器(9)的信号输出端分别与闸门启闭传动机构(10)和设置在监控中心(1)内部的主控制器(5)通信连接；所述闸门启闭传动机构(10)与闸门(4)连接；
所述渠系(3)包括两条渠道或两条以上的渠道，且每条渠道(3)的进水口均设置有闸门(4)；渠道的内部均设置有量水槽(8)，渠堤上均设置有水位测井(7)；所述水位传感器(11)设置在水位测井(7)内；
所述闸门启闭传动机构(10)为涡轮丝杠升降机；
所述量水槽(8)为机翼形量水槽或机翼柱形量水槽；
所述可编程控制器(9)内部设置有模糊算法器(901)和模糊判决器(902)。
2.根据权利要求1所述的灌区闸门远程自动控制节水系统，其特征是：所述优化配水单元(505)为支持向量机的优化配水模型，采用神经网络算法，将原始数据均分为K组，其中K为自然数，将每个子集数据分别做一次验证集，其余的K-1组子集数据作为训练集，得到K个模型，取K个模型最终的验证集的分类准确率的平均数为分类器的性能指标，选取参数。
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