H-ADCP水深定位控制系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

吳德波 陳濤

摘要：H-ADCP是流量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的先進(jìn)手段，是水文測(cè)驗(yàn)現(xiàn)代化的重要方式之一。水利樞紐下的水文站測(cè)驗(yàn)斷面水位變動(dòng)頻繁且幅度較大，準(zhǔn)確快速調(diào)整儀器所處水深位置是確保H-ADCP測(cè)驗(yàn)精度的關(guān)鍵，也是H-ADCP投產(chǎn)運(yùn)用的難題之一。本文給出了一種H-ADCP水深定位控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了所處水深位置的自動(dòng)準(zhǔn)確調(diào)整。在黃河干流小川水文站等應(yīng)用情況表明，該系統(tǒng)性能可靠，保證了H-ADCP流量測(cè)驗(yàn)成果的精度。

關(guān)鍵詞：H-ADCP;水深定位;控制系統(tǒng);PLC

Abstract：Using H-ADCP for on-line flow monitoring is one of the important ways of hydrological modernization. The water level of the test section of the hydrological station under the water control project changes frequently and greatly. Accurate and rapid adjustment of the water depth position of the instrument is the key to ensure the accuracy of the H-ADCP test，and it is also one of the difficult problems in the operation of the H-ADCP. This paper presents a H-ADCP water depth positioning control system，which realizes the automatic and accurate adjustment of the water depth position.The application in Xiaochuan hydrological station of the Yellow River shows that the system has reliable performance and ensures the accuracy of H-ADCP flow measurement results.

Key words：H-ADCP;depth positioning;control system;PLC

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)水利的重視，大量的水利水電工程不斷興建，受頻繁調(diào)蓄水影響，許多水文站，比如黃河流域享堂、小川、青銅峽、小浪底水文站等，測(cè)驗(yàn)斷面水沙情勢(shì)和測(cè)驗(yàn)環(huán)境受到了巨大影響，水位陡漲、陡落，且變幅大（有的測(cè)站斷面在1h內(nèi)水位變幅可達(dá)數(shù)米），流量測(cè)次布置困難，有時(shí)來(lái)水時(shí)間也無(wú)法完成單次流量測(cè)驗(yàn)。國(guó)家全面推進(jìn)最嚴(yán)格的水資源管理制度，對(duì)水文監(jiān)測(cè)能力提出了越來(lái)越高的要求。隨著水文測(cè)報(bào)能力的提升，ADCP已經(jīng)在黃河水文系統(tǒng)得到了較為廣泛的運(yùn)用，但對(duì)于上述水位漲落頻繁且變幅大的水文站，常用的走航式ADCP和纜道式ADCP都存在明顯不足，不能完全滿(mǎn)足流量精度控制要求。[1]

H-ADCP作為在水平方向上進(jìn)行多普勒測(cè)量的在線(xiàn)流量測(cè)驗(yàn)設(shè)備，通過(guò)控制和監(jiān)測(cè)測(cè)流斷面水平方向?qū)恿魉俜植?，在高、中、低水位選取代表性流速后加以率定，從而實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)獲取高精度流量信息，對(duì)于很難測(cè)驗(yàn)的低流速和非恒定流，也能較好保證測(cè)驗(yàn)精度。流量測(cè)驗(yàn)過(guò)程可遠(yuǎn)程操控或自動(dòng)運(yùn)行，受天氣狀況影響小，數(shù)據(jù)精度高，適用性好。[2]H-ADCP測(cè)量精度主要受儀器整體水平狀態(tài)、測(cè)量盲區(qū)設(shè)置和所處水深位置精度影響。通過(guò)調(diào)試儀器縱搖角度和橫搖角度，可以較好地控制整體水平狀態(tài)，盲區(qū)也可通過(guò)實(shí)測(cè)精準(zhǔn)設(shè)置，水深定位控制成為影響H-ADCP測(cè)量精度的重要因素。因此，探索研制自動(dòng)水深定位控制系統(tǒng)，對(duì)于H-ADCP的投產(chǎn)運(yùn)用意義重大。

1 H-ADCP的工作原理

H-ADCP由多普勒流速測(cè)量傳感器探頭、雷達(dá)水位計(jì)、智能遙測(cè)終端設(shè)備RTU、電源和信號(hào)防雷裝置、供電裝置、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（一般選用GPRS遠(yuǎn)傳系統(tǒng)）、數(shù)據(jù)處理終端等組成（總體構(gòu)成見(jiàn)圖1）。

H-ADCP多普勒流速測(cè)量傳感器探頭中的超聲波測(cè)速換能器不斷水平發(fā)射某一特定頻率的超聲波（發(fā)射方向與水流方向盡量成直角），再通過(guò)RTU計(jì)算接收到的回波信號(hào)的多普勒頻移來(lái)分析計(jì)算流速。在工作中，可同時(shí)測(cè)取最多128個(gè)位置的點(diǎn)流速，通過(guò)這些分布在不同水平面的點(diǎn)流速，可以估算得出斷面平均流速。與此同時(shí)，用傳統(tǒng)流速儀法或走航式ADCP等方式測(cè)量同一斷面的斷面平均流速。達(dá)到一定的數(shù)據(jù)量后，就可以將兩種方式獲取的平均流速建立數(shù)學(xué)模型，計(jì)算斷面流速。再用水位數(shù)據(jù)和大斷面數(shù)據(jù)計(jì)算面積，從而算出瞬時(shí)流量。上述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)傳輸系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳送到數(shù)據(jù)處理終端，經(jīng)統(tǒng)計(jì)、分析后支持查詢(xún)、保存和打印，[3]也可以支持水情軟件的自動(dòng)采集，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)推流和報(bào)汛。

2 水深定位控制系統(tǒng)的原理

2.1 研制思路和方案確定

我們選取美國(guó)TRDI生產(chǎn)的CM300規(guī)格的H-ADCP，其流速分辨率為0.001m/s，精度為±0.5%±0.2cm/s。為取得最佳流速代表性，保證流量測(cè)驗(yàn)成果質(zhì)量，H-ADCP應(yīng)始終處于0.5H水深的位置。在水位漲落頻繁、變幅較大的情況下，保證H-ADCP始終處于相對(duì)水深的固定位置，需要及時(shí)獲取準(zhǔn)確的水深數(shù)據(jù)，能夠準(zhǔn)確定位，并具有很高的靈活性。

水深數(shù)據(jù)可通過(guò)實(shí)時(shí)水位在大斷面圖上查詢(xún)獲取。實(shí)時(shí)水位可以采用H-ADCP的水位數(shù)據(jù)，也可以借用水文測(cè)站的水位觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)。H-ADCP內(nèi)置有高精度的聲學(xué)水位計(jì)和壓力水位計(jì)，主要是為了在測(cè)速的同時(shí)計(jì)算流量和累計(jì)水量。水文測(cè)站的水位觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自基本斷面，一般通過(guò)雷達(dá)水位計(jì)觀(guān)測(cè)獲取，準(zhǔn)確性更高，建議優(yōu)先采用水文測(cè)站的水位數(shù)據(jù)。

利用測(cè)站雷達(dá)水位計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位，通過(guò)PLC（可編程邏輯控制器）接收水位信息并計(jì)算水深，根據(jù)水深計(jì)算0.5H水深的位置，并通過(guò)PLC自動(dòng)控制水平ADCP的升降，使H-ADCP始終處于0.5H水深的位置，以保證H-ADCP的流量測(cè)驗(yàn)精度。

2.2 系統(tǒng)組成

H-ADCP水深定位系統(tǒng)主要由雷達(dá)水位計(jì)、PLC、升降系統(tǒng)（包括滑道、電機(jī)、減速器、卷?yè)P(yáng)機(jī)）、供電系統(tǒng)（一般選用太陽(yáng)能發(fā)電，包括太陽(yáng)能板、充電控制器及蓄電池）、避雷系統(tǒng)等五個(gè)部分組成。（系統(tǒng)組成見(jiàn)圖2）

雷達(dá)水位計(jì)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)水位。可直接使用測(cè)站原有雷達(dá)水位計(jì)的水位數(shù)據(jù)。

PLC將計(jì)算機(jī)編程、通信協(xié)議融合到了自動(dòng)控制的過(guò)程中，可以方便地對(duì)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行編程，可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)，具有完善的自診斷功能和網(wǎng)絡(luò)功能，能及時(shí)診斷出控制系統(tǒng)的軟硬件故障[4]，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、進(jìn)行 PLC 內(nèi)部通訊以及與上位機(jī)進(jìn)行通訊，是現(xiàn)在應(yīng)用十分普遍的自動(dòng)控制裝置。PLC自動(dòng)控制裝置一般由CPU、編程模塊、通信模塊、電源模塊、輸入輸出模塊、存儲(chǔ)模塊等組成。[5]在水深自動(dòng)控制系統(tǒng)中，PLC是“大腦”，負(fù)責(zé)接收雷達(dá)水位計(jì)的水位信息，并計(jì)算0.5H水深位置的高程，對(duì)H-ADCP的位置和速度信號(hào)進(jìn)行采樣、處理及與上機(jī)位的通信。由于本系統(tǒng)的控制功能較為單一，主要是H-ADCP的上升、下降和制動(dòng)，輸入輸出的點(diǎn)數(shù)少，性能要求以簡(jiǎn)單、可靠為主，經(jīng)比對(duì)選擇，采用CPU 222型西門(mén)子S7-200編程器。該型PLC集成數(shù)字量輸入8路、輸出6路，4個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出，內(nèi)存6K，1個(gè)RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力，非常適合于本系統(tǒng)這種小點(diǎn)數(shù)控制。

升降系統(tǒng)（滑道、卷?yè)P(yáng)機(jī)、電機(jī)和減速器）負(fù)責(zé)控制H-ADCP升降和制動(dòng)?；啦捎貌讳P鋼材質(zhì)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況定制。安裝有H-ADCP的行車(chē)安裝在滑道上，根據(jù)測(cè)驗(yàn)斷面情況對(duì)H-ADCP儀器的縱搖、橫搖調(diào)整到位。卷?yè)P(yáng)機(jī)、電機(jī)和減速器共同實(shí)現(xiàn)H-ADCP在水下的制動(dòng)和穩(wěn)定，并有效防止水流及雜物沖擊可能導(dǎo)致的振動(dòng)、位移。供電系統(tǒng)負(fù)責(zé)為系統(tǒng)運(yùn)行提供電源。

2.3 工作流程

本系統(tǒng)的升降控制由PLC完成。在前期，需要先將雷達(dá)水位計(jì)與PLC的通信模塊通道進(jìn)行定義，設(shè)置好量程。西門(mén)子S7-200可編程序控制器可以使用西門(mén)子公司免費(fèi)提供的編程軟件編程，目前常用的版本是支持Win7的 Step7 Microwin4.0 Sp9。

在工作中，雷達(dá)水位計(jì)監(jiān)測(cè)斷面水位變化，并將水位數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC。常用雷達(dá)水位計(jì)每6s采集一次水位數(shù)據(jù)?？梢晹嗝嫠蛔兓闆r，按水位變幅或時(shí)間間隔設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸頻次。接收到水位數(shù)據(jù)信號(hào)后，PLC控制系統(tǒng)先根據(jù)編程指令掃描，并結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析計(jì)算，并將執(zhí)行程序分析計(jì)算結(jié)果發(fā)送到控制主機(jī)?？刂浦鳈C(jī)接收到運(yùn)算結(jié)果后，會(huì)發(fā)送升降系統(tǒng)的具體操控指令信號(hào)。由此，PLC完成對(duì)升降控制系統(tǒng)的一次調(diào)整控制。[6]升降系統(tǒng)按照指令啟動(dòng)電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)進(jìn)行加速、勻速、減速，將H-ADCP調(diào)整到目標(biāo)位置。

由于系統(tǒng)工作環(huán)境差，為保障儀器設(shè)備安全，建議采用電子限位和機(jī)械限位裝置進(jìn)行雙行程限位。在含沙量大的測(cè)驗(yàn)河道，應(yīng)關(guān)注斷面沖淤變化情況，根據(jù)河底高程變化及時(shí)調(diào)整電子限位，并視情況調(diào)整機(jī)械限位裝置。

H-ADCP安裝運(yùn)用后，應(yīng)及時(shí)分析H-ADCP位置起調(diào)的水位變幅對(duì)流量測(cè)驗(yàn)精度的影響，合理確定并調(diào)整H-ADCP位置的起調(diào)標(biāo)準(zhǔn)。如果設(shè)置值過(guò)小，水位發(fā)生很小的變化，H-ADCP就會(huì)調(diào)整所處位置，調(diào)整過(guò)于頻繁，不但影響儀器使用壽命，也會(huì)影響單次流量測(cè)驗(yàn)精度。

3 系統(tǒng)的應(yīng)用

截至目前，本系統(tǒng)已在黃河小川、青銅峽等水文站安裝應(yīng)用，系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定。現(xiàn)以小川水文站為例闡述其應(yīng)用的具體情況。

小川水文站位于甘肅省永靖縣劉家峽鎮(zhèn)川西路69號(hào)，為大河重要控制站，距離劉家峽水電站0.6km，水位變幅很大，常規(guī)水文纜道測(cè)驗(yàn)不能滿(mǎn)足實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理對(duì)水量、水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)控的需要，急需采用測(cè)流歷時(shí)短、勞動(dòng)強(qiáng)度低的流量測(cè)驗(yàn)方式，原有浮標(biāo)纜道的部分部件多年未做改進(jìn)更新，高水水面波動(dòng)較大，浮標(biāo)測(cè)驗(yàn)精度太低。該站2018年安裝H-ADCP并率定后，嚴(yán)格按照《水文資料整編規(guī)范》對(duì)流量測(cè)驗(yàn)精度進(jìn)行了比對(duì)分析，樣本比測(cè)數(shù)據(jù)分析表明：小川水文站H-ADCP的流量測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)精度滿(mǎn)足規(guī)范要求，其H-ADCP的水深定位控制系統(tǒng)運(yùn)行是有效和可靠的。

4 結(jié)論

本文所研制的水深定位系統(tǒng)可以快速、準(zhǔn)確地自動(dòng)調(diào)整H-ADCP所處水深位置，保證了流量測(cè)驗(yàn)精度，為H-ADCP在水位變動(dòng)頻繁的水文測(cè)站的推廣運(yùn)用創(chuàng)造了條件，對(duì)推進(jìn)水文流量測(cè)驗(yàn)現(xiàn)代化，更好服務(wù)和保障最嚴(yán)格的水資源管理具有重要意義。

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作者基本情況及聯(lián)系方式：

吳德波（1982-），男，江蘇連云港人，本科，高級(jí)工程師，主要從事水文水資源測(cè)報(bào)與建設(shè)管理。 通訊地址：河南省鄭州市金水區(qū)城北路東12號(hào)水文局;郵編：450004;手機(jī)：（0）13838585655。電子信箱：54009240@qq.com。