壓力傳感器在模擬降雨系統(tǒng)中的應用

張慧玲

（西安航空職業(yè)技術(shù)學院 電子工程系，陜西 西安 710089）

本課題來源于黃河水土保持委員會西峰治理監(jiān)督局與西安理工大學自動化與信息工程學院、水利水電學院合作研究項目：模擬降雨自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的研究。為了給水土保濕、雨水集蓄工程及田間試驗提供科學依據(jù)，定量的評價降雨條件下土壤水分狀況以及入滲產(chǎn)流關(guān)系，使用人工模擬降雨系統(tǒng)，可以克服常用的野外徑流小區(qū)進行定位觀測耗時費力的缺點，縮短試驗周期，加速雨水入滲規(guī)律及土壤侵蝕規(guī)律研究的進程[1]。

1 工藝簡介

整個模擬降雨系統(tǒng)由3大部分組成，分布采用上、下二級結(jié)構(gòu)，分別為上級用上位機IPC部分，下級用下位機可編程控制器PCC單元[2]和現(xiàn)場控制機構(gòu)[3]，重點介紹壓力傳感器在現(xiàn)場控制系統(tǒng)中的應用。

2 系統(tǒng)功能分析

1）可以根據(jù)需要，設(shè)定壓力值，系統(tǒng)利用壓力傳感器和變頻器組成的自動調(diào)速控制系統(tǒng)，進行自動調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)恒壓供水，系統(tǒng)的響應速度快，穩(wěn)定性好[3]；

2）系統(tǒng)設(shè)有手動、自動控制兩種模式：在手動方式下，由操作人員根據(jù)壓力表顯示的情況，進行手動啟動；在自動方式下，利用壓力傳感器和變頻器組成的自動調(diào)速控制系統(tǒng)，完全根據(jù)壓力設(shè)定值進行雨量大小調(diào)節(jié)。

按照試驗要求，本系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)如下：

1）模擬降雨系統(tǒng)的均勻度指標大于0.85（一般都大于0.8）。

2）降雨量可調(diào)范圍30～240 mm/h，要求在不同時間段內(nèi)，降雨量大小可通過閉環(huán)控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)和手動調(diào)節(jié)兩種方法實現(xiàn)。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 現(xiàn)場控制系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)思

該模擬降雨系統(tǒng)在供水過程中，流量、壓力等參數(shù)根據(jù)實驗要求，常隨不同時段對雨量的要求不同需要調(diào)節(jié)。以前，由于技術(shù)水平的限制，沒有一種合適的調(diào)速方法，只能采用控制閥門或擋板開度大小的方法來改變流量、壓力等。這樣，往往會出現(xiàn)很多意想不到的問題而達不到工程要求。

近年來，隨著檢測技術(shù)的迅速發(fā)展，壓力傳感器[4]在供水系統(tǒng)中得到了廣泛應用，由于在供水控制系統(tǒng)中，流量是供水系統(tǒng)的基本對象。但流量的測量比較復雜，考慮到在動態(tài)情況下，管道中水壓p的大小與水泵供水能力（用流量QG表示）和噴頭出水量（QU）之間的平衡有關(guān)：

如果供水能力QG大于噴頭出水量QU時，則壓力p增大；反之則壓力p減??；如果供水能力QG等于噴頭出水量QU時，則壓力p不變，即恒壓供水?？傊?，只要能保持供水系統(tǒng)中某一出水壓力的恒定，也就是保證了使該處的供水能力和用水能力處于平衡，從而滿足了工程的用水要求。這就是恒壓供水所要達到的最終目的[5]。當水泵供水量恒定時，管道所受壓力p與噴頭出水量QU之間的關(guān)系用圖1所示曲線表示。

圖1 管道壓力與噴頭出水量之間的關(guān)系Fig.1 Relationship between pipe pressure and sprinkle-nozzle outlet water

為了達到恒壓供水的控制目的，該系統(tǒng)在泵的輸出管道上加裝壓力傳感器，通過壓力傳感器將供水能力和用水能力的不平衡信號送至變頻器的反饋信號輸入端VPF（電壓信號），組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，并通過變頻器的輸出信號控制水泵電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)供水量，來改變雨量大小[5]。恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure diagram of constant voltage water supply

3.2 現(xiàn)場控制系統(tǒng)設(shè)計

通過對雨強大小的分析可知，決定雨強大小的因素有噴頭打開的組數(shù)、噴頭的出水量、管道中水的壓力大小等。在管道壓力滿足噴頭能正常噴出水的情況下，雨強的大小則取決于噴頭打開的情況，所有噴頭全部打開時，則雨強最大；打開噴頭數(shù)目減小時，則雨強減小。在該降雨系統(tǒng)中，根據(jù)對不同區(qū)域、不同時間段內(nèi)對不同雨強大小的要求，系統(tǒng)采用了3條支路供水管道供水，在3條管道支路上，分別安裝了3種不同孔徑大小的噴頭組，通過打開不同管道支路上的不同噴頭組來實現(xiàn)不同出水量的調(diào)節(jié)[3]。3種不同孔徑大小的噴頭由小到大分別用1、2、3表示。每個噴頭組下均帶有4個相同的噴頭，每一組由一個電磁閥控制，雨強的大小則由打開各噴頭組上電磁閥的組合決定。通過對3種型號噴頭打開的不同組合，可產(chǎn)生7種不同的雨強大小，其組合模式如表1所示。

表1 三種噴頭的不同組合情況Tab.1 Different combination among three sprinkle-nozzles

設(shè)計中重點解決了3個問題：

1）解決設(shè)定值ur的大小和雨強大小之間的對應關(guān)系；

2）解決決定雨強大小的電磁調(diào)節(jié)閥的開度與控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機構(gòu)送出信號之間的關(guān)系；

3）解決由手動調(diào)節(jié)向自動調(diào)節(jié)切換時控制信號的匹配問題。

具體解決辦法：

為了實現(xiàn)恒壓力供水的目的[5]，系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，同時考慮系統(tǒng)的安全性，附加開環(huán)控制，作為備用。當雨強大小要求變化時，可通過上位機從界面上選擇不同支路上的電磁閥對不同噴頭進行組合，保證噴頭能夠正常噴水，必須同時改變電磁調(diào)節(jié)閥的開度，當雨強增大時，則電磁調(diào)節(jié)閥的開度增大；當雨強減小，則電磁調(diào)節(jié)閥的開度減小，這時水管壓力會隨之跟著變化。水管壓力的變化通過傳感器實際檢測，將檢測到的信號uf送變頻器與雨強大小的設(shè)定值進行ur比較處理，比較處理的結(jié)果調(diào)節(jié)水泵電機的轉(zhuǎn)速改變出水量，從而調(diào)節(jié)雨強大小。雨強大小的設(shè)定值ur可根據(jù)實際需要隨時改變。

該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，由壓力傳感器和變頻器組成的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。以實現(xiàn)在線控制電機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)水泵出水量。系統(tǒng)主要由變速水泵、電機、變頻器（含PID調(diào)節(jié)器）、壓力傳感器、管網(wǎng)等構(gòu)成了閉環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)。調(diào)節(jié)手段采用管網(wǎng)最不利的恒壓控制。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Structure diagram of control system

3.3 系統(tǒng)設(shè)備選型

根據(jù)實體模型建設(shè)和試驗研究的需要，系統(tǒng)所需變頻器選擇ABB ACS600系列[6]的變頻器，其功率范圍：2.2～3 000 kW，電源頻率：48～63 Hz；電機選用15 kW的電機，水泵揚程在5 m左右；傳感器選擇壓差式壓力傳感器[5]；噴頭選擇下噴式人工降雨裝置。

4 結(jié)束語

試驗測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)通過壓力傳感器對管道內(nèi)壓力變化檢測，經(jīng)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)可實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)水泵出水量，以滿足實驗所需降雨量的大小要求，從而實現(xiàn)了進行土壤侵蝕科學研究的重要實驗手段，其特點克服了徑流小區(qū)進行定位觀測耗時費力的缺點，縮短試驗周期，加速雨水入滲規(guī)律和土壤侵蝕規(guī)律的研究進程，對水土保持以及水資源科學利用具有相當重要的意義。

[1]王潔，胡少偉，周躍.人工模擬降雨裝置在水土保持方面的應用[J]， 水土保持研究，2005，12（4）：188－190，194.

WANG Jie，HU Shao-wei，ZHOU Yue.Application of artificial simulation of rainfall devices to soil and water conservation[J].Research of Soil and Water Conservation，2005，12（4）：188－190，194.

[2]田少強.水輪機調(diào)速器的控制軟件在PCC上的實現(xiàn)[D].南京：河海大學，2005：1－69.

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GAO Xiao-mei，LI Zhao-ling，JIA Xue.Development and application of artificial rainfall device[J].Radiation Protection，2000，20（1）： 86－90.

[4]金發(fā)慶.傳感器技術(shù)與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004： 128－132.

[5]王金航.水幕控冷過程中供水系統(tǒng)的進化建模與控制研究[D].北京：北京工業(yè)大學，2002：70.

[6]石秋潔，變頻器應用基礎(chǔ) [M].北京：機械工業(yè)出版社，2003：49－110.