淺談超聲波水位計(jì)在水閘工程中的應(yīng)用

周 杰

（安徽省茨淮新河工程管理局 懷遠(yuǎn) 233400）

水位計(jì)是最為常見的水位測量方式，常見水位計(jì)通常包括電容式、浮子式、壓力式、超聲波式、電子水尺等。不同水位計(jì)的功能特點(diǎn)存在一定差異，超聲波水位計(jì)無需直接與液體進(jìn)行接觸，受干擾因素較少，設(shè)備使用和布置無需破壞現(xiàn)有水體結(jié)構(gòu)，整體成本較低，可以在不同復(fù)雜環(huán)境下有效使用，由于不存在機(jī)械磨損，使用壽命較長，目前得到廣泛應(yīng)用。

1 超聲波水位計(jì)的原理

超聲波水位計(jì)依托用速度、時(shí)間、距離三者計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，即根據(jù)s=vt，且已知超聲波在大氣環(huán)境中的傳播速度v 為固定，因此僅需獲知t，即可計(jì)算得s，此處的時(shí)間t 為該水位計(jì)發(fā)出信號至獲得信號之間的時(shí)間差，而次數(shù)的距離s 可以表示水位計(jì)至被測對象間的雙向距離。由此可見，發(fā)送信號至獲得信號之間的時(shí)間屬于雙倍距離時(shí)間，因此實(shí)際被測距離計(jì)算公式應(yīng)為：s=vt/2。同時(shí)超聲波傳感器和液體容器底部的對應(yīng)距離是固定的（可用H表示），因此計(jì)算公式為h=H-s。

超聲波水位計(jì)普遍以二線制、三線制或四線制為基礎(chǔ)，其中在二線制產(chǎn)品中，供電和信號共用一個(gè)輸出，屬于典型的無源測量傳感器；在三線制產(chǎn)品中，供電和信號均保持獨(dú)立輸出，在使用直流24V 進(jìn)行供電時(shí)，可配置一根三芯電纜線，此時(shí)供電負(fù)端與信號輸出負(fù)端可以同時(shí)使用一根芯線；在四線制產(chǎn)品中，使用交流220V 或直流24V 供電時(shí)，需確保供電和信號輸出之間保持完全獨(dú)立，此時(shí)應(yīng)配置一根四芯電纜線。

2 超聲波水位計(jì)在水閘工程中的應(yīng)用

2.1 超聲波水位計(jì)在水閘工程中的安裝

水閘工程項(xiàng)目在設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮如何完成超聲波水位計(jì)布置，通常并不將超聲波水位計(jì)布置在閘門周邊，這是由于在閘門啟閉過程中，附近流水波動較為明顯，容易導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)偏差。通常超聲波水位計(jì)需安裝于水流波動較小、無漂浮物、無傳播靠近的水勢相對平緩的位置。在實(shí)際安裝時(shí)，需結(jié)合水位計(jì)自身量程范圍，規(guī)避測量距離超限的情況；接線時(shí)需選擇密封接線盒，并確保盒子水密性，避免由于水體侵入而出現(xiàn)短路。此外也需考慮工程對應(yīng)的設(shè)計(jì)警戒水位位置，避免由于水體過高導(dǎo)致設(shè)備浸泡后失效。

2.2 超聲波水位計(jì)的主要輸出形式

水閘水位數(shù)據(jù)系統(tǒng)近年來受到社會各界關(guān)注，在智能化、高效化的控制模式下大幅提升工作效率，其數(shù)據(jù)采集組件包括傳感器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、后臺處理設(shè)備等。按照環(huán)境差異，可安裝布置適合的水位計(jì)。不同水位計(jì)的原理并不一致，但對應(yīng)輸出信號一般包括下述三種：

2.2.1 開關(guān)量信號該類信號能夠?qū)涌刂苹芈罚鶕?jù)水位變化完成對電路的控制。

2.2.2 模擬量信號

該類信號能夠可以實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，一般可以直接對接PLC 模擬量模塊。在二線制模式下的接線途徑如圖1所示。

圖1 二線制接線方式圖

模擬量模塊能夠設(shè)定具體的模擬量輸入范圍，具體規(guī)格包括0～10V，4～20mA 等，在獲得數(shù)據(jù)信息采集之后，將電流相關(guān)數(shù)值轉(zhuǎn)變?yōu)閷?yīng)的數(shù)字量，如某模塊將其對應(yīng)為6400～32000，程序內(nèi)部標(biāo)度變換數(shù)值為0～10m，即在實(shí)際測量中，4mA 的相應(yīng)數(shù)字量和物理量分比為6400 和0m，而20mA 的相應(yīng)數(shù)字量和物理量為32000 和10m。此過程與函數(shù)公式Y(jié)=KX+b 存在相通性，即Y 表示水位值，X 表示輸入值，具體轉(zhuǎn)換如圖2所示，其中I＿DI 模塊和DI＿R 模塊分別意為整數(shù)轉(zhuǎn)變成雙整數(shù)和雙整數(shù)轉(zhuǎn)變成實(shí)數(shù)，且在運(yùn)算過程中，SUB＿R、MUL＿R和DIV＿R 分別代指減法、乘法和除法。

圖2 設(shè)備原始值與計(jì)算值轉(zhuǎn)換過程圖

2.2.3 485 信號

485 信號能夠?qū)覲LC 串口端或電腦通訊端，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能。PLC 能夠和設(shè)備通訊口之間實(shí)現(xiàn)引腳匹配，PLC 編程步驟如下：首先進(jìn)行端口初始化，隨后反饋?zhàn)x數(shù)，接著進(jìn)入適當(dāng)延時(shí)和讀端口返回?cái)?shù)據(jù)環(huán)節(jié)，此時(shí)若需進(jìn)行確認(rèn)，則可反饋確認(rèn)命令，最后開始發(fā)下一輪命令，從而實(shí)現(xiàn)讀數(shù)循環(huán)。如西門子200 對內(nèi)部程序塊作出調(diào)用：在程序編輯時(shí)，基于SM0.1 完成初始化，基于SM0.0 制定對應(yīng)參數(shù)。參數(shù)說明可以在子程序?qū)?yīng)的局部變量表中實(shí)現(xiàn)（如圖3）。

圖3內(nèi)容對應(yīng)的參數(shù)意義如下所示：

圖3 內(nèi)部程序調(diào)用圖

Mode 代指模式選擇：啟停MODBUS，其中1 表示啟動，0 表示停止；在Port0 處于從站協(xié)議通訊狀態(tài)時(shí)，不得用于其他目的。MBUS_INIT 指令可用于Port0 控制，設(shè)置其處于從站協(xié)議通訊狀態(tài)或PPI 狀態(tài)。

Addr 代指從站地址：表示MODBUS 對應(yīng)的從站地址，取值范圍為1～247。

Baud 代指波特率：可選數(shù)值包括1200，2400，4800，9600，19200，38400，57600；Parity 表示奇偶校驗(yàn)，其中0 表示為“無校驗(yàn)”，1 表示為“奇校驗(yàn)”，2 表示為“偶校驗(yàn)”。

Delay（延時(shí)）：能夠反映出附加字符之間的延時(shí)情況，其中缺省值數(shù)值為0。

MaxIQ 代指最大I/Q 位：表示在通訊環(huán)節(jié)中的最高I/O 點(diǎn)數(shù)。

MaxAI 代指最大AI 字?jǐn)?shù)：表示在通訊環(huán)節(jié)中的最大AI 通道數(shù)，通常數(shù)值為16 或32。

MaxHold 代指最大保持寄存器區(qū)：表示在通訊過程中的V 存儲區(qū)字（VW）。

HoldSt 代指保持寄存器區(qū)起始地址，通常可通過&VBx 指定。

Done 和Error 分別代指初始化完成標(biāo)志和初始化錯誤代碼。

MODBUS 表示執(zhí)行，其中在通訊中設(shè)定為1。

3 超聲波水位計(jì)應(yīng)用實(shí)例

荊山湖退洪閘工程位于懷遠(yuǎn)縣荊山湖行洪區(qū)下口門上游300m 處，大（2）型水閘，主要建筑物2 級、次要建筑物3 級，按Ⅶ度地震設(shè)防。閘底板高程17.0m，開敞式水閘，共30 孔，單孔凈寬為10m，閘室總寬度為340.6m。因原淮河側(cè)水下淤泥較多，所以造成淮河側(cè)水文站連接管道經(jīng)常淤堵，原水文站使用的浮子式水位計(jì)使用效果不佳。

荊山湖退洪閘2018年對淮河側(cè)水文站水文設(shè)施改造項(xiàng)目，該項(xiàng)目屬于典型的自動化系統(tǒng)改造項(xiàng)目，軟硬件性能直接關(guān)乎水閘自動化系統(tǒng)運(yùn)行安全性，浮子式水位計(jì)需要設(shè)置圍堰，造工成本過大；水域內(nèi)淤泥較多，壓力式水位計(jì)使用效果不佳。綜合考慮水域水流、水閘作用等情況，該項(xiàng)目選用超聲波水位計(jì)對水位進(jìn)行檢測。項(xiàng)目已運(yùn)行幾年，系統(tǒng)長期保持可靠性和穩(wěn)定性，超聲波水位計(jì)在此過程中發(fā)揮重要作用。

4 結(jié)語

水利工程規(guī)范化建設(shè)與管理，能夠進(jìn)一步提高水閘工程質(zhì)量，可以為系統(tǒng)自動化采集數(shù)據(jù)帶來幫助，也可以充分發(fā)揮自動化系統(tǒng)高效化、智能化的優(yōu)勢。超聲波水位計(jì)運(yùn)用能夠提高水閘管理效率、降低水閘管理成本，有效保障水閘工程的可靠運(yùn)行■