叢良良，孫德勇

（1.杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310020；2.浙江省河海測繪院，浙江 杭州 31000 8）

超聲波水位計(jì)在水閘工程中的應(yīng)用

叢良良1，孫德勇2

（1.杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310020；2.浙江省河海測繪院，浙江 杭州 31000 8）

現(xiàn)代水閘工程的建設(shè)，自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)廣泛運(yùn)用其中。水位數(shù)據(jù)監(jiān)測作為自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為工程的安全起到至關(guān)重要的作用。運(yùn)用水位數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確計(jì)算出水體的容量、流量、壓力等數(shù)據(jù)，為水閘工程的安全運(yùn)行及統(tǒng)一調(diào)度提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

超聲波水位計(jì)；水閘工程；應(yīng)用

1 問題的提出

水閘工程多用于防汛防臺(tái)、防洪排澇中。防汛安全性要求非常高，工程的安全可靠運(yùn)行責(zé)任重大。而水位數(shù)據(jù)作為水閘啟閉調(diào)度、測算水體容量、閘體上下游流速的重要依據(jù)具有至關(guān)重要的作用。因此準(zhǔn)確測量水位，對于水閘工程來說非常重要。測量水位的方法主要是使用水位計(jì)，水位計(jì)的種類主要有：電容式水位計(jì)、浮子式水位計(jì)、壓力式水位計(jì)、超聲波水位計(jì)、雷達(dá)水位計(jì)，激光水位計(jì)、電子水尺等。

水閘工程中最常用的水位計(jì)有浮子式水位計(jì)、壓力式水位計(jì)與超聲波水位計(jì)，其中浮子式水位計(jì)傳感器的優(yōu)點(diǎn)是分辨率高、量程大、壽命長、性能穩(wěn)定可靠。但浮子式水位計(jì)的使用必須配合水位測井或測管，設(shè)備安裝前期投入費(fèi)用較大。且設(shè)備配件較為復(fù)雜，浮子測繩容易打滑絞纏。壓力式水位計(jì)的傳感器部分可直接投入到液體中，安裝使用較為方便。但壓力式水位計(jì)受水質(zhì)及水下淤泥影響較大，測量精度比較差。超聲波水位計(jì)由于設(shè)備與測量液體無接觸，不易受污泥堵塞、沖刷、液體腐蝕；設(shè)備造價(jià)低安裝不破壞水體結(jié)構(gòu)不需建造水位測井，節(jié)省投資；檢測技術(shù)先進(jìn)適用各種復(fù)雜環(huán)境；無機(jī)械磨損，穩(wěn)定耐用，安裝檢修方便等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用在水閘工程的水位測量中。

2 超聲波水位計(jì)的原理

超聲波水位計(jì)簡單運(yùn)用速度、時(shí)間、距離的計(jì)算公式s = vt，超聲波在空氣中傳播的速度v是一定的，只要計(jì)算出超聲波水位計(jì)在發(fā)送和接收超聲波信號之間的時(shí)間t，則可以計(jì)算出超聲水位計(jì)與被測液體之間的雙向距離s。由于發(fā)送與接收信號使用的是雙倍時(shí)間，所以最終被測距離為：s = vt/2。因?yàn)槌晜鞲衅髋c容器的底部距離H是一定的，則被測液位h = H - s（見圖1）。

圖1 超聲波水位計(jì)測量原理圖

超聲波水位計(jì)多數(shù)采用二線制、三線制或四線制技術(shù)。二線制為：供電與信號輸出共用，為無源測量傳感器；三線制為：供電回路和信號輸出回路獨(dú)立，當(dāng)采用直流24 V供電時(shí)，可使用1根3芯電纜線，供電負(fù)端和信號輸出負(fù)端共用1根芯線；四線制為：當(dāng)采用交流220 V供電時(shí)，或者當(dāng)采用直流24 V供電，要求供電回路與信號輸出回路完全隔離時(shí)，應(yīng)使用1根4芯電纜線。

3 超聲波水位計(jì)在水閘工程中的應(yīng)用

3.1 超聲波水位計(jì)在水閘工程中的安裝

超聲波水位計(jì)在水閘工程的安裝位置不宜選擇在靠近閘門的位置，閘門啟閉時(shí)靠近閘門處水流波動(dòng)起伏較大，容易使測量不準(zhǔn)確。安裝位置宜選擇在水流波動(dòng)小且沒有漂浮物（如水葫蘆）及沒有船只靠近的水流平緩處。

選擇安裝位置時(shí)應(yīng)計(jì)算超聲波水位計(jì)量程，避免超出測量范圍；接線時(shí)應(yīng)采用密封接線端子盒，防止水侵造成短路。同時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮水閘工程的設(shè)計(jì)警戒水位，避免水體過高時(shí)浸泡設(shè)備造成損壞。

3.2 超聲波水位計(jì)的主要輸出形式

水閘的水位數(shù)據(jù)采集，主要由傳感設(shè)備、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換設(shè)備及后臺(tái)處理軟件等組成。根據(jù)不同環(huán)境、安裝要求選擇相適應(yīng)的水位計(jì)。各種水位計(jì)原理不同，但輸出信號基本是下面3種：開關(guān)量信號、模擬量信號（4 ～ 20 mA或5 V電壓）和485通訊。

3.2.1 開關(guān)量信號輸出

開關(guān)量信號直接接入控制回路，通過水位的變化控制電路。

3.2.2 模擬量信號輸出

模擬量信號需要通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化，最常用的是接入PLC模擬量模塊。二線制接線方式見圖2。

模擬量模塊可以設(shè)定模擬量輸入規(guī)格0 ～ 10 V、4 ～ 20 mA等，采集進(jìn)來后，將4 ～ 20 mA轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，比如6 400 ～ 32000（不同PLC模塊對應(yīng)的值不一樣），程序里進(jìn)行標(biāo)度變換對應(yīng)的0 ～ 10 m，4 mA對應(yīng)數(shù)字量6 400，對應(yīng)物理量0 m，20 mA對應(yīng)數(shù)字量32000，對應(yīng)物理量10 m。相當(dāng)于一個(gè)函數(shù)Y = KX + b的求解指令，Y為最后一個(gè)VD108就是所測的水位值，X為最初的輸入Alw0。轉(zhuǎn)換過程見圖3（I＿DI模塊表示整數(shù)轉(zhuǎn)化為雙整數(shù)，DI＿R模塊表示雙整數(shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)數(shù)，SUB＿R模塊表示減法，MUL＿R模塊表示乘法，DIV＿R模塊表示除法）。

圖2 二線制接線方式圖

圖3 設(shè)備原始值與計(jì)算值轉(zhuǎn)換過程圖

3.2.3 4 8 5信號輸出通訊

485信號直接與PLC串口或電腦通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。PLC與設(shè)備通訊口引腳分配定義相對應(yīng)，PLC編程梯形圖程序流程：PLC端口初始化→發(fā)送讀數(shù)據(jù)命令→適當(dāng)延時(shí)→讀端口返回?cái)?shù)據(jù)→(如果需要確認(rèn)，則發(fā)送確認(rèn)幀命令→)進(jìn)入下一輪發(fā)命令及讀數(shù)據(jù)循環(huán)。以西門子200為例，調(diào)用內(nèi)部程序塊：編程時(shí)使用SM0.1調(diào)用子程序MBUS_ INIT進(jìn)行初始化，使用SM0.0調(diào)用研究MBUS_SLAVE，并指定相應(yīng)參數(shù)。關(guān)于參數(shù)的說明，列在子程序的局部變量表中。內(nèi)容程序調(diào)用圖見圖4。

圖4 內(nèi)部程序調(diào)用圖

圖4參數(shù)意義如下：

Mode（模式選擇）：啟動(dòng)/停止MODBUS，1 =啟動(dòng)；0 =停止；當(dāng)Port0用作Modbus從站協(xié)議通訊時(shí)，不能再用作任何其它目的，包括與STEP7 — Micro/WIN通訊。MBUS_INIT指令控制Port0的設(shè)定是Modbus從站協(xié)議還是PPI。

Addr（從站地址）：MODBUS從站地址，取值1 ～ 247；

Baud（波特率）：可選1 200，2 400，4 800，9 600，19 200，38 400，57 600；

Parity（奇偶校驗(yàn)）：0 =無校驗(yàn)；1 =奇校驗(yàn)；2 =偶校驗(yàn)；

Delay（延時(shí)）：附加字符間延時(shí)，缺省值為0；

MaxIQ（最大I/Q位）：參與通訊的最大I/O點(diǎn)數(shù)，S7 -200的I/O映像區(qū)為128/128，缺省值為128；

MaxAI（最大AI字?jǐn)?shù)）：參與通訊的最大AI通道數(shù)，可為16或32；

MaxHold（最大保持寄存器區(qū)）：參與通訊的V存儲(chǔ)區(qū)字（VW）；

HoldSt ～ （保持寄存器區(qū)起始地址）：以&VBx指定（間接尋址方式）；

Done（初始化完成標(biāo)志）：成功初始化后置1；

Error（初始化錯(cuò)誤代碼）；

MODBUS執(zhí)行：通訊中時(shí)置1；

錯(cuò)誤代碼：0 =無錯(cuò)誤。

4 超聲波水位計(jì)在蕭山大治河水閘工程中的應(yīng)用

蕭山大治河閘站工程為杭州市小礫山排灌閘站除險(xiǎn)加固工程—西水東引河道工程大治河閘站項(xiàng)目。主要建筑物由泵站及船閘組成。泵站由上下游連接段、清污室、泵室等組成，船閘由上下游引航道、上下閘首、閘室組成，船閘上閘首與泵站相臨布置，配套管理用房布置在泵站東側(cè)。船閘為雙向通航船閘。

由于本項(xiàng)目為自動(dòng)化系統(tǒng)升級改造項(xiàng)目，如果使用浮子式水位計(jì)需要增加水位測井施工投入成本較大。由于大治河內(nèi)淤泥較多且為通航河道，在河道內(nèi)安裝壓力式水位計(jì)容易受淤泥堵塞及船只撞擊破壞?？紤]到大治河為蕭山城區(qū)內(nèi)水河道，水流長期穩(wěn)定水位落差不大，適合使用超聲波水位計(jì)。因此泵站上下游水位監(jiān)測和船閘通航水位監(jiān)測均使用高品質(zhì)超聲波水位計(jì)。此項(xiàng)目已經(jīng)投入使用多年，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，超聲波水位計(jì)極少發(fā)生故障，為工程的有效運(yùn)行提供了保障。

5 結(jié) 語

隨著全面推行水利工程標(biāo)準(zhǔn)化管理的進(jìn)程，水閘工程進(jìn)入“建管并重”的新型模式。水位數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集正是水閘工程安全運(yùn)行管理的基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)掌握超聲波水位計(jì)的原理與應(yīng)用有利于水閘工程基層管理人員及時(shí)有效的排查與維護(hù)系統(tǒng)，為水閘工程的安全運(yùn)行提供保障。

（責(zé)任編輯 郎忘憂）

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10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.04.011

2017-03-10

叢良良(1981 - )，男，工程師，大學(xué)本科，主要從事水利工程自動(dòng)化控制系統(tǒng)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工及管理工作。