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(江西省水利科學(xué)研究院 河流湖泊研究所，南昌　330029)

1　大型河工物理模型測(cè)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

當(dāng)前國(guó)內(nèi)大型的河工物理模型主要有長(zhǎng)江防洪模型[1]、淮河防洪模型[2]等，為較好地開(kāi)展模型試驗(yàn)研究工作，均建有完備和先進(jìn)的量測(cè)控制系統(tǒng)。這些大型河工物理模型測(cè)控系統(tǒng)均建于室內(nèi)模型大廳內(nèi)，測(cè)控設(shè)備完善、測(cè)量性能優(yōu)良[3-6]。

鄱陽(yáng)湖物理模型是國(guó)內(nèi)首個(gè)室外大型物理模型，全部建于露天環(huán)境處，既有湖區(qū)模型，又有河口、河道模型，具有模型水域大(湖區(qū)模型、河口模型、河道模型分別占地80 000，40 000，30 000 m2)、河道長(zhǎng)、進(jìn)出口分布多等特點(diǎn)。開(kāi)展模型試驗(yàn)時(shí)，水流情況復(fù)雜多變，試驗(yàn)歷時(shí)長(zhǎng)，測(cè)量?jī)?nèi)容多，測(cè)點(diǎn)多，布置分散，測(cè)量難度較大。如仍按傳統(tǒng)室內(nèi)大型河工模型的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)及建設(shè)測(cè)控系統(tǒng)，顯然已經(jīng)不能滿(mǎn)足試驗(yàn)研究的實(shí)際需求。且模型全部建于室外露天空曠環(huán)境處，環(huán)境惡劣，飽受風(fēng)雨雷電侵襲，對(duì)測(cè)控設(shè)備如水位儀、流速儀、尾門(mén)控制器、控制模塊、聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器等設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性提出了更高的要求，且需考慮整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的防雷接地設(shè)計(jì)，無(wú)疑又大大增加了測(cè)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的難度。綜上，很有必要根據(jù)試驗(yàn)需求設(shè)計(jì)一套完善、可靠的測(cè)控系統(tǒng)，能夠完整測(cè)控各種試驗(yàn)參數(shù)。

2　量測(cè)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)模型試驗(yàn)研究的技術(shù)要求，以及測(cè)控設(shè)備布置比較分散的實(shí)際情況，擬采用分層分布式結(jié)構(gòu)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。首先在試驗(yàn)基地建設(shè)工業(yè)級(jí)光纖以太網(wǎng)用以連接控制中心和湖區(qū)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷?個(gè)泵房中的測(cè)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和監(jiān)控圖像高速、可靠、實(shí)時(shí)地傳輸至控制中心。

系統(tǒng)控制中心備有多臺(tái)工作終端，通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接，正常情況下主控工控機(jī)處于工作狀態(tài)，其他工作終端處于監(jiān)視狀態(tài)，一旦主控工控機(jī)異常，其他工作終端可以迅速替代主控工控機(jī)，完全實(shí)現(xiàn)主機(jī)的測(cè)控功能?？刂浦行呐c各測(cè)控子系統(tǒng)設(shè)備也都通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接，整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)以以太網(wǎng)作為主體通訊傳輸方式。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　量測(cè)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.1　模型供水系統(tǒng)

對(duì)各模型試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行對(duì)比分析，模型供水總量主要考慮最大需水量的湖區(qū)模型所需供水量。模型供水系統(tǒng)需滿(mǎn)足不同試驗(yàn)工況試驗(yàn)要求，1#泵房設(shè)置3臺(tái)水泵機(jī)組，揚(yáng)程為8 m，功率均為30 kW(2臺(tái)備用)；2#泵房設(shè)置5臺(tái)水泵機(jī)組，揚(yáng)程為7 m，功率分別為15，15,22,22 kW(1臺(tái)備用),15 kW；3#泵房設(shè)置5臺(tái)水泵機(jī)組，揚(yáng)程為7 m，功率均為15 kW(1臺(tái)備用)。模型供水系統(tǒng)采用三菱公司的F74變頻器，通過(guò)控制水泵轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)改變水泵的供水流量。采用研華公司的ADAM 4055模塊控制水泵前的電動(dòng)閘閥全開(kāi)及關(guān)閉。

1#泵房負(fù)責(zé)長(zhǎng)江口門(mén)供水，2#泵房負(fù)責(zé)潦河、修河、贛江、撫河四口門(mén)供水，3#泵房負(fù)責(zé)信江、樂(lè)安河、昌江、西河四口門(mén)供水。供水通過(guò)回水渠進(jìn)入模型各口門(mén)，流入模型區(qū)，并于1#泵房長(zhǎng)江尾門(mén)處流回回水渠。2#泵房模型供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示(1#和3#泵房類(lèi)同)。

圖2　2#泵房供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2　流量控制系統(tǒng)

模型設(shè)計(jì)流量參數(shù)直接牽涉到供水系統(tǒng)的供水設(shè)計(jì)能力，如水泵選型、管徑、電磁流量計(jì)選擇。最大流量必須滿(mǎn)足模型驗(yàn)證和方案試驗(yàn)。鄱陽(yáng)湖模型共有9個(gè)口門(mén)入流，模型流量控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)模型各口門(mén)進(jìn)水流量的恒定流、非恒定流流量控制。

流量控制系統(tǒng)[7-8]由電磁流量計(jì)、變頻器、水泵組成閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)控模型各口門(mén)進(jìn)水流量。電磁流量計(jì)選用西門(mén)子公司的MAG5000，口徑有150，250,500 mm 3種規(guī)格，采用modbus RTU協(xié)議與控制計(jì)算機(jī)通信。

系統(tǒng)工作時(shí)，電磁流量計(jì)將量測(cè)到的模型進(jìn)水流量傳送給控制計(jì)算機(jī)，控制計(jì)算機(jī)按設(shè)定的期望值或期望曲線進(jìn)行精確的跟蹤控制時(shí)，計(jì)算機(jī)通過(guò)PID控制調(diào)節(jié)變頻器輸出給水泵的工作頻率，進(jìn)而改變模型的供水流量。其控制流程框圖如圖3所示。

圖3　流量控制流程框圖

流量控制系統(tǒng)控制采用增量式PID算法進(jìn)行調(diào)節(jié)。增量式PID算法通過(guò)控制流量的增量來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)變頻器頻率。

控制器在第k刻采樣輸出值為

(1)

控制器在第k-1刻采樣輸出值為

(2)

將兩式相減，就可以得到增量式PID控制算法公式，即

(3)

其中，

(4)

式中：ek，Kp，Ti，TD，T，u0分別表示第k時(shí)刻輸入偏差、比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)、采樣周期、控制變量。

控制系統(tǒng)采用恒定采樣周期T，一旦確定了A，B，C，只要利用前后3次測(cè)量值的偏差，就可求出控制增量。試驗(yàn)中通過(guò)采用增量PID控制算法，流量的控制誤差精度≤±1%。

2.3　水位、流速測(cè)量系統(tǒng)

水位、流速測(cè)量系統(tǒng)[9]主要由自動(dòng)水位儀、流速采集儀、串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器組成。整個(gè)模型共布設(shè)68個(gè)自動(dòng)水位測(cè)點(diǎn)，考慮到水位測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，現(xiàn)場(chǎng)采用20臺(tái)以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，每臺(tái)服務(wù)器獨(dú)立負(fù)責(zé)所布置區(qū)域水位自動(dòng)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集，所有水位測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳輸入各泵房控制中心的工控機(jī)上。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)普遍使用的幾類(lèi)數(shù)字水位儀大多僅適用于室內(nèi)環(huán)境。對(duì)于室外露天環(huán)境，飽受風(fēng)雨侵襲，水位儀在這種狀況下使用，其可靠和穩(wěn)定性相較于水工大廳內(nèi)使用的一般數(shù)字水位儀需有較大的提高，且這種水位儀設(shè)計(jì)的時(shí)候需充分考慮野外防風(fēng)防雨防雷等一系列問(wèn)題。

系統(tǒng)選用自主生產(chǎn)的JS-C型精密數(shù)字水位儀，在該水位儀基礎(chǔ)上，對(duì)抗干擾、防潮濕、防雷擊、自恢復(fù)等方面進(jìn)行了一些特別的改進(jìn)與處理，主要有：①水位計(jì)外罩設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮野外露天環(huán)境狀況，防風(fēng)防雨，且水位儀內(nèi)部與外部有一定的通透性，以防長(zhǎng)期密閉，水位儀內(nèi)部開(kāi)關(guān)電源及控制電路板長(zhǎng)期處于潮濕而發(fā)生短路現(xiàn)象；②水位儀的外殼采用不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)雷擊具有很好的真空屏蔽性；此外在輸入電源及RS485接口處，采用TVS腳(瞬態(tài)抑制二極管)，避免了因雷擊而損壞儀器設(shè)備；③在主板和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間，采用了光電隔離器，切斷了部件之間的相互干擾;④設(shè)計(jì)電路版時(shí)，加了較多大電容，且盡量加寬地線，使電源噪聲減小，減小干擾。

通過(guò)以上措施，大大提高了水位儀的可靠性和抗干擾性，試驗(yàn)證實(shí)改進(jìn)后的水位儀達(dá)到了試驗(yàn)要求的動(dòng)態(tài)高精度水位測(cè)量要求。水位儀主要技術(shù)參數(shù)為:量程為300 mm;分辨率為0.05 mm；讀數(shù)精度為0.05 mm；測(cè)針?biāo)俣葹?5 mm/s。

現(xiàn)場(chǎng)斷面流速測(cè)量采用自行研制的八線智能流速儀。該儀器以單片計(jì)算機(jī)為主處理器，配以LCD字符顯示模塊、薄膜面板開(kāi)關(guān)等先進(jìn)技術(shù)而研制開(kāi)發(fā)的一種適應(yīng)性強(qiáng)、工作可靠的8個(gè)通道流速同步采集以及自動(dòng)計(jì)算的測(cè)量?jī)x器。儀器操作簡(jiǎn)便、適應(yīng)性廣泛，具有完善的數(shù)據(jù)處理功能，可大大提高試驗(yàn)人員現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的工作效率。

2.4　尾門(mén)控制系統(tǒng)

模型尾部水位控制系統(tǒng)由跟蹤式水位儀和尾門(mén)組成。改變尾門(mén)開(kāi)度即可改變其泄水能力，使下游水位升高或降低，從而實(shí)現(xiàn)模型下游的水位控制。跟蹤式水位儀測(cè)量長(zhǎng)江口門(mén)下游水位，將實(shí)測(cè)到的水位數(shù)據(jù)傳送給1#泵房測(cè)控計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)實(shí)測(cè)水位與期望值比較，通過(guò)PID計(jì)算出尾門(mén)的開(kāi)度值，將信號(hào)輸出給電動(dòng)執(zhí)行器控制尾門(mén)動(dòng)作，改變其泄水能力，完成水位的自動(dòng)控制[10]。尾門(mén)水位控制系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4　模型尾門(mén)水位控制框圖

2.4.1尾門(mén)選用

為保證模型尾水位過(guò)程的相似，需要選擇合適的尾門(mén)形式。常見(jiàn)的自動(dòng)控制尾門(mén)形式有格柵式橫拉尾門(mén)和臥倒式翻板尾門(mén)2種。其中格柵式橫拉尾門(mén)出水流量與格柵開(kāi)孔成線性關(guān)系，水位調(diào)節(jié)振蕩較小、精度高、速度快。根據(jù)模型的現(xiàn)場(chǎng)安裝條件及尾門(mén)控制的實(shí)際需求，長(zhǎng)江口門(mén)尾門(mén)選用3段格柵式橫拉尾門(mén)，每段尾門(mén)的有效長(zhǎng)度為2.5 m。格柵尾門(mén)的開(kāi)口高度和寬度根據(jù)最大水位、最小水位、最大流量等量計(jì)算，并留取一定余量，分別取48 cm和15 cm。為適應(yīng)露天環(huán)境，尾門(mén)采用不銹鋼304材質(zhì)加工。尾門(mén)布置及結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.4.2尾門(mén)控制

鄱陽(yáng)湖模型有9個(gè)進(jìn)水口門(mén)、1個(gè)長(zhǎng)江出水口門(mén)，模型水域面積大，試驗(yàn)過(guò)程中采用普通PID調(diào)節(jié)模式，工況調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，尤其是對(duì)于非恒定流控制，則更是難以達(dá)到平衡穩(wěn)定。

PID控制過(guò)程中，當(dāng)有較大幅度擾動(dòng)或大幅度改變給定值時(shí)，由于此時(shí)有較大的偏差，以及系統(tǒng)有慣性和滯后，故在積分項(xiàng)的作用下，往往會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)量和長(zhǎng)時(shí)間的波動(dòng)。為此可以先采用積分分離措施，即偏差較大時(shí)，取消積分作用。綜上所述，尾門(mén)水位控制系統(tǒng)首先采用PD控制，待水位逼近目標(biāo)值時(shí)(試驗(yàn)過(guò)程中，長(zhǎng)江尾門(mén)的水位偏差值根據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)取1 mm)，再采用模糊自適應(yīng)PID[11-12]控制算法。

模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)是在常規(guī)PID控制的基礎(chǔ)上，以偏差E和偏差變化率ΔE作為輸入，采用模糊推理確定參數(shù)Kp，Ti，TD，以滿(mǎn)足不同時(shí)刻偏差E和偏差變化率ΔE對(duì)PID自我調(diào)整參數(shù)的要求。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　模糊PID控制框圖

模糊推理的關(guān)鍵是找出PID 3個(gè)參數(shù)與E和ΔE的關(guān)系，運(yùn)行中通過(guò)不斷檢測(cè)E和ΔE，根據(jù)模糊控制原理對(duì)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿(mǎn)足不同E和ΔE對(duì)控制參數(shù)的不同要求。

圖7　工作流程

運(yùn)行過(guò)程中，控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)模糊邏輯的結(jié)果處理、查表和運(yùn)算，完成PID參數(shù)的在線自校正。其流程如圖7所示。

圖8為某一放水工況時(shí)，通過(guò)該控制策略，長(zhǎng)江口門(mén)尾門(mén)采集實(shí)時(shí)水位數(shù)據(jù)而得到的控制曲線。由圖8知，采用PD控制+模糊自適應(yīng)PID控制，響應(yīng)迅速，超調(diào)(最大偏差)小，達(dá)到平衡調(diào)節(jié)時(shí)間短，通過(guò)查看控制中心數(shù)據(jù)庫(kù)記錄表格，調(diào)節(jié)時(shí)間<20 min，控制效果令人滿(mǎn)意。

圖8　尾門(mén)水位控制曲線

2.5　就地控制系統(tǒng)

2.5.1分控制中心

由于現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備較多，信息傳輸距離較遠(yuǎn)，為現(xiàn)場(chǎng)控制及維修方便，模型1#—3#泵房?jī)?nèi)設(shè)設(shè)有分控制中心，各控制中心配備嵌入式工控機(jī)、工業(yè)以太網(wǎng)服務(wù)器、嵌入式視頻服務(wù)器等設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)各控制中心管轄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視、試驗(yàn)區(qū)圖像監(jiān)控等功能。

為防止試驗(yàn)過(guò)程中的突然斷電，導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可能丟失，控制中心配備交流不間斷電源UPS，經(jīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)不能停電設(shè)備功率進(jìn)行計(jì)算，選取UPS電池容量為10 kW/30 min。

為加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)重要測(cè)控設(shè)備及模型試驗(yàn)區(qū)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，在各控制中心總共設(shè)置23個(gè)前端監(jiān)視點(diǎn)，采用帶云臺(tái)的一體式攝像YD5409+SCC-4205P，基本可實(shí)現(xiàn)對(duì)模型試驗(yàn)區(qū)的無(wú)死角監(jiān)控，可大大減輕現(xiàn)場(chǎng)人員的工作量。

2.5.1湖區(qū)控制設(shè)備

整個(gè)湖區(qū)模型共配備29臺(tái)監(jiān)控端子箱(尺寸為500 mm×350 mm×800 mm)，主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)的水位儀、流速儀、攝像頭、云臺(tái)等設(shè)備的電源供電以及通信傳輸。內(nèi)設(shè)漏電空氣開(kāi)關(guān)、微開(kāi)、插座、開(kāi)關(guān)電源、溫濕度控制器等固有設(shè)備，根據(jù)各端子箱現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)際需要，額外配有以太網(wǎng)服務(wù)器Nport5650-8、MOXA EDS205A工業(yè)用以太網(wǎng)集線器以及智能模塊ADAM4069(可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)水位儀的遠(yuǎn)程上電、斷電控制)。監(jiān)控箱系統(tǒng)如圖9所示。

圖9　監(jiān)控箱系統(tǒng)

2.6　防雷接地系統(tǒng)

鄱陽(yáng)湖模型測(cè)控系統(tǒng)設(shè)備總類(lèi)多、數(shù)量大，且大多位于室外，工作環(huán)境惡劣，常年飽受雷雨侵襲，因此建立一套防雷系統(tǒng)對(duì)有效預(yù)防雷害、確保和減少設(shè)備遭雷擊損壞具有重要意義。系統(tǒng)的主要防雷方案如下。

2.6.1供電(電源)系統(tǒng)與信號(hào)防雷設(shè)計(jì)

(1)在3個(gè)泵房變壓器的低壓輸出端采用第一級(jí)電源大通流量型防雷器，每路進(jìn)線安裝一套設(shè)備。

(2)在網(wǎng)絡(luò)機(jī)房、弱電機(jī)房、弱電間配電箱及泵房的分層配電箱內(nèi)安裝第二級(jí)電源防雷器，采用歐申電源防雷產(chǎn)品。

(3)在服務(wù)器、計(jì)算機(jī)、控制器等重要設(shè)備前端安裝第三級(jí)電源防雷器，對(duì)設(shè)備采用一級(jí)(C級(jí))防護(hù)，采用歐申電源防雷產(chǎn)品。

信號(hào)防雷主要是控制中心及各個(gè)泵房就地控制中心的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及綜合布線系統(tǒng)的保護(hù)。凡是從室外來(lái)的信號(hào)線，如電信、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)線都應(yīng)安裝相應(yīng)的避雷器。對(duì)內(nèi)部局域網(wǎng)在每個(gè)需要作防感應(yīng)雷過(guò)電壓數(shù)字設(shè)備的接口處都要裝相應(yīng)的避雷器，對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)和數(shù)字設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行整體保護(hù)。

2.6.2接地設(shè)計(jì)

2.6.2.1模型環(huán)形接地體

采用25 mm×4 mm扁鋼做環(huán)形水平接地體，埋于土壤中1 m處，繞模型一周埋設(shè)，并于泵房就近處，與3個(gè)泵房接地網(wǎng)連通，如圖10所示。

圖10 模型環(huán)形接地網(wǎng)Fig.10 Ring grounding grid of the model

2.6.2.2湖區(qū)設(shè)備接地

湖區(qū)模型內(nèi)布有數(shù)十個(gè)就地控制柜及控制設(shè)備，需將這些控制柜良好接地并與泵房的接地體連為一體，才能有效防止雷擊損壞。

(1)湖區(qū)模型布設(shè)的鍍鋅管道、控制柜外殼、視頻桿應(yīng)全部焊接牢靠，組成一個(gè)環(huán)形接地體，在多點(diǎn)處與泵房接地網(wǎng)連通。

(2)視頻監(jiān)控桿頂端加裝一根避雷針，根據(jù)滾球法計(jì)算，避雷針的有效保護(hù)范圍在30°夾角內(nèi)，避雷針的安裝高度按照設(shè)備的安裝位置計(jì)算，取安裝高度為4 m。

(3)在帶云臺(tái)攝像機(jī)和球機(jī)的視頻線、控制線與電源線處加裝專(zhuān)用防雷器。

測(cè)控系統(tǒng)及防雷系統(tǒng)建設(shè)完工后，開(kāi)展湖區(qū)模型試驗(yàn)，當(dāng)?shù)貢r(shí)常伴有雷雨天氣，但所有測(cè)控設(shè)備均運(yùn)行良好，未出現(xiàn)設(shè)備遭雷擊損壞現(xiàn)象，表明系統(tǒng)防雷效果良好。

3　結(jié)　論

首先介紹了贛江尾閭模型量測(cè)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，而后從測(cè)控系統(tǒng)的組成部分著手，對(duì)供水系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)、水位、流速測(cè)量系統(tǒng)、尾門(mén)控制系統(tǒng)、防雷系統(tǒng)、湖區(qū)控制系統(tǒng)等部分的設(shè)計(jì)和應(yīng)用情況進(jìn)行了闡述。系統(tǒng)建成后，大大提高了模型試驗(yàn)的工作效率，較好地實(shí)現(xiàn)了各種參數(shù)的實(shí)時(shí)采集與控制，為模型試驗(yàn)提供精準(zhǔn)可靠的數(shù)據(jù)。

作為國(guó)內(nèi)最大的湖泊與江河實(shí)體露天模型，鄱陽(yáng)湖模型量測(cè)控制系統(tǒng)做了很大的創(chuàng)新，解決了模型水域面積大、露天環(huán)境惡劣、防雷、設(shè)備組合復(fù)雜等難題，為鄱陽(yáng)湖模型試驗(yàn)研究提供了關(guān)鍵的技術(shù)支持，對(duì)水利量測(cè)技術(shù)及設(shè)備在露天環(huán)境下使用具有較好的借鑒意義。