徐海：智能变坡水槽控制系统的设计与实现 |
| 2013-08-13 10:38 作者：徐海 杜云龙 来源：《硅谷》杂志-硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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设计开发的智能变坡水槽控制系统，可根据试验要求，设定水槽坡比、尾门开度、蝶阀开度、浑水与清水流量等参数，无级调节，实时显示设定参数并显示流量曲线。全部过程采用计算机控制，操作简便，人机对话，动态模拟显示。为我国水利水电重大工程项目的基础性研究提供基础。
在水利水电重大工程项目的建设设计中，都要对河床演变、水库淤积、河道整治以及电站引水防沙等问题做基础性的研究，这实质上是研究整个河流系统与水流条件和泥沙条件的关系。智能变坡水槽控制系统，通过改变水槽的坡度、流量、水位、含沙量等来研究坡面流水动力学参数随流量和坡度的变化规律，模拟实际水流条件，为水利水电工程的设计建设提供试验资料。
1系统控制过程
整个系统的工作原理如图1（a）所示。
图1系统工作原理方框图
根据试验要求在工控机中设置所需的水槽变坡比、尾门开度、蝶阀开度、浑水与清水流量等参数，通过串口RS422传送到PLC，PLC再根据接收到的指令去控制各个执行机构并把所测量的相应数据及状态上传给工控机。工控机完成系统的运算控制、参数及曲线显示等，PLC是整个智能变坡控制系统的指令执行机构。
变坡水槽共有5个水泵，其中2个清水泵，各18.5KW，其中一台用变频器控制。浑水泵共3个，各15KW，其中一台用变频器控制。另外两台使用软启动器来启动电机。
2水槽变坡控制
变坡水槽结构如图1（b）所示。根据水槽变坡控制要求，在工控机上编写如图2所示参数设置界面。
变坡水槽如同一个跷跷板，中间有支点，根据试验要求设计的水槽有80米长，变坡伺服电机带动减速机，减速机通过各个联轴器与每个涡轮涡杆相连（图中画出2个，实际11个，左边5个，右边6个），当伺服电机转动时，每个涡轮涡杆有一个支撑柱根据控制要求上升或下降。每个涡轮涡杆的传动比根据安装的位置及支撑柱的上升和下降进行设计，在工控机参数设置界面上，先读取当前水槽的坡度以及控制状态信息（本地或远程控制），然后在“变坡速度”输入框中输入需要运行的速度（速度范围为：0～10），再在“目标角度”输入框中输入实验需要的坡度（坡度范围为：0～2.967），并且确定变坡电源已加上后，点击“启动”按钮即可启动定位变坡，到达设定的角度以后，变坡控制会自动停止。如果在变坡过程中想停止当前的变坡动作，则点击“停止”按钮，立即停止当前的变坡动作。
图2变坡控制参数设置界面图3流量、水位、蝶阀调节参数设置界面
2流量与水位控制
根据流量、水位、蝶阀调节控制要求，在工控机编写如图3所示参数设置界面。
在打开图3所示的“流量调节”界面后就可获得清水/浑水的当前流量、蝶阀当前开度值以及尾门开度信息，此时就可进行流量调节和水位控制的实验。
2.1清水流量控制
当需要进行清水实验时，可通过调节“清水流量”框中的各个按键及各项数据来调节清水水泵的启停、出水量以及监视每个清水水泵的当前流量和清水的总流量。其中“水泵1”是用变频控制的水泵，可以通过改变变频器的频率来调节当前流量。水泵2是用软启动器控制的水泵，启动以后流量是保持不变的。在图中“当前流量”显示的是电磁流量计采集的流量数据，“总流量”即水泵1的流量与水泵2的流量之和。在“变频设定”中设置变频器的输出频率，点击“启动”按钮即可启动“水泵1”，“水泵1”的启动流量为70%，当设定流量小于70%时，水泵可能会不出水。当“水泵1”以70%的流量启动后，当前流量约为33L/s，如果要获得更小的流量可以调节“蝶阀1”的开度，如果要获得更大的流量可以增大变频器的频率或者直接启动“水泵2”。清水泵1频率设置为最大时（频率设定为：50Hz）所对应的出水管的流量约为125L/S；清水泵2启动后对应的出水管的流量约为125L/S。蝶阀关闭时，流量为0，综合清水泵1和清水泵2可以实现流量从0-250L/S之间任意流量的调节。
2.2浑水流量控制
当需要进行浑水实验时，可通过调节“浑水流量”框中的各个按键及各项数据来调节浑水水泵的启停、出水量以及监视每个浑水水泵的当前流量和浑水的总流量。如图3所示。其中“水泵1”是用变频控制的水泵3，可以通过改变变频器的频率来调节当前流量。“水泵2”、“水泵3”是用软启动器控制的水泵3、水泵4。启动以后流量是保持不变的。在图中“当前流量”显示的是电磁流量计采集的流量数据，水泵1的显示流量是水泵1与水泵2的流量之和，“总流量”即水泵1的流量与水泵2水泵3的流量之和。
在“变频设定”中设置变频器的输出频率，点击“启动”按钮即可启动“水泵1”，“水泵1”的启动频率为70%，当设定流量小于70%时，水泵不能出水。当“水泵1”以70%的流量启动后，当前流量为33L/s，如果要获得更小的流量可以调节相应的蝶阀的开度，如果要获得更大的流量可以增大变频器的频率或者直接启动“水泵2”以及“水泵3”。
浑水泵1频率设置为最大时（频率设定为：50Hz）所对应的出水管的流量约为60L/S；浑水泵2、浑水泵3启动后对应的出水管的流量均约为60L/S。蝶阀关闭时，流量为0，综合浑水泵1和浑水泵2、浑水泵3可以实现流量从0-180L/S之间任何流量的调节。
2.3流量坐标
为便于监视各个时间段的流量，在图3界面中还加入了一个流量坐标图表框，用于监视实验时间和总流量的对应关系。通过流量曲线可以更直观的监测当前流量。
2.4蝶阀调节
当通过调节水泵出水量无法达到用户实验要求或需要较小的流量时，可通过调节蝶阀的开度来调处所需要的流量。蝶阀的调节如图3所示。蝶阀1对应调节的是清水水泵1所对应的出水管的流量、蝶阀2对应调节的是清水水泵2所对应的出水管的流量；蝶阀3对应调节的是浑水水泵1和浑水水泵2所对应的出水管的流量、蝶阀4对应调节的是浑水水泵3所对应的出水管的流量。蝶阀开度越小，所调节出的流量越小；蝶阀开度越大，所调节出的流量越大。
2.5尾门调节
当清水参数、浑水参数及蝶阀调节完成，流量保持一定时间稳定后，可通过调节尾门的开度来控制水位。尾门开度的调节如图3所示。点击“尾门开”按键，尾门角度连续增大；点击“尾门关”按键，尾门角度连续减小；在尾门打开或关闭正在进行的过程中，点击“停止”按键，尾门角度停止于当前位置，尾门的角度实时显示在界面中。尾门开/关操作切换之前，必须首先点击“停止”按键。
如果点击“尾门开”或“尾门关”按键后一直没有点击“停止”按键，则尾门角度会一直增大到90度或减小到0度，然后自动停止。这时如果要进行尾门开度减小或增大操作，也必须首先点击“停止”按键。尾门当前开度值可在“当前角度”显示栏中看到。尾门开度越大，水位越低；尾门开度越小，水位越高。
3变坡水槽系统控制软件
变坡水槽系统的控制软件，是在微软公司提供的VisualBasic6.0的环境下开发而成的，可在windows2000、windowsXP系统上运行，通过该软件能够控制各个水泵出的水量、各个蝶阀的开度、尾门的开度以及水槽槽体坡度的改变，同时也能通过该软件实时监视各机构的工作状态和各项数据。
4结束语
智能变坡水槽控制系统目前已安装于黄河水利委员会黄河水利科学研究院北郊实验基并完成调试。该系统能完成水槽坡比、尾门开度、蝶阀开度、浑水与清水流量等控制，无级调节，实时显示设定参数并显示流量曲线，能模拟实际水流条件，为水利水电工程的设计建设提供试验资料，缩短模型试验周期，提高测量精度和工作效率，有利于模型试验研究成果质量和科研水平的提高。整套系统达到了国际先进水平泥沙试验水槽的标准，为我国水利水电工程重大基础研究、高技术发展和社会公益研究提供了可靠的科学依据和支撑。随着现代控制理论、及各项技术的迅猛发展，智能变坡水槽控制系统将会不断的完善与提高。 |
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