AFS型吊箱式纜道自動化測流系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

1、畢業(yè)論文答辯AFS型吊箱式纜道自動化測流系統(tǒng)的研究與應(yīng)用學(xué)生姓名：楊紅星指導(dǎo)老師：武利生研究背景河流流量的測量對于水情監(jiān)測和防洪防汛來說是一份極其重要的工作選題來源于黃河水利委員會吳堡水文站大跨度吊箱纜道改造項目目前我國水文站廣泛采用的纜道測流設(shè)備，許多測流關(guān)鍵環(huán)節(jié)還主要依托人的參與，測流效率低，安全性不高國內(nèi)外測流技術(shù)分析0102橋測法：在橋面或護欄上安裝起重機，起重機攜帶測驗儀器對河流流量完成巡測工作，在國外應(yīng)用比較普遍，美國USGS有60%以上的監(jiān)測站采用橋測設(shè)施進行流量的測驗工作。但這種方法必須在有橋梁的地方進行，而且實施成本較高。涉水測驗：通過手持流速儀直接對河流流量進行測驗簡單便捷

2、，適用于水深較淺、流量較小的河流。國內(nèi)外最常用測驗方法是流速面積法，即根據(jù)水面寬度、垂線水深和垂線平均流速來演算斷面流量。然而受地理因素、社會環(huán)境等多方面影響，國內(nèi)外圍繞流速面積法所展開的具體施測方法有所差異。國內(nèi)外測流技術(shù)分析0304纜道測驗法：利用跨河索道系統(tǒng)將測驗儀器或測驗人員運送到測驗斷面內(nèi)的指定垂線位置和測點位置，進而完成測流作業(yè)。國外應(yīng)用較少，美國USGS僅有6%的測站具備纜道設(shè)施，技術(shù)并不先進。但在我國是應(yīng)用最廣泛、測量最有效的一種流量測驗技術(shù)，目前國內(nèi)有65%以上的水文監(jiān)測站以纜道為主要的測流設(shè)施。船測法：巡測船開到指定的測驗斷面位置，懸吊測驗鉛魚、測流懸桿等測驗裝置到水面以下

3、完成測驗工作，適用于水面較寬、水深較大的集水區(qū)和庫區(qū)。國內(nèi)外最常用測驗方法是流速面積法，即根據(jù)水面寬度、垂線水深和垂線平均流速來演算斷面流量。然而受地理因素、社會環(huán)境等多方面影響，國內(nèi)外圍繞流速面積法所展開的具體施測方法有所差異。水文纜道的兩種主要形式鉛魚纜道：將鉛魚懸吊在跨河索道下面，測量儀器安裝在鉛魚上，測驗人員在岸上控制鉛魚的水平或垂直運行并進行測驗作業(yè)。吊箱纜道：相比于鉛魚纜道，吊箱纜道在作為水文站日常運載工具的同時，又是可擴展的綜合測驗平臺，在我國的應(yīng)用比重也比較大，尤其是對于大跨度河流，輕鉛魚入水困難，重鉛魚又嚴重降低了纜道運行的安全性，吊箱纜道是更好的選擇，在黃河上就有50%以上

4、的駐測站以吊箱纜道為主要的測流設(shè)施。課題采用的技術(shù)方案AFS型吊箱式纜道自動化測流系統(tǒng)主要由總控演算中心，起點距測控系統(tǒng)和測驗平臺測控系統(tǒng)三個部分組成，三個子系統(tǒng)之間通過標準的通訊接口聯(lián)接，如圖所示。吊箱式纜道測流的基本原理流量的計算方法斷面流量的測算通常采用流速面積法，即先用部分面積乘以部分面積內(nèi)的平均流速計算出部分流量，再對各部分流量求和得到斷面總流量。測流斷面示意圖吊箱式纜道測流的基本原理1-水文絞車；2-水平測距輪；3-巡回索；4-水平行車架；5-主索；6-塔架；7-平臺懸吊索；8-測驗平臺；9-測流懸桿吊箱式纜道測流的基本原理工作過程1、水文絞車拖動巡回索，通過水平行車架運送測驗平臺

5、到測驗斷面內(nèi)指定的垂線位置。2、由于纜道垂度的原因，測驗平臺的垂直高度需要隨時調(diào)整，一般調(diào)整到距水面高度1米左右位置時，再通過測流懸桿進行測深。3、然后通過測流懸桿攜帶轉(zhuǎn)子流速儀到指定測點深度進行測速。4、根據(jù)測驗規(guī)范選取多組垂線位置和測點位置按如上步驟重復(fù)測量，最后根據(jù)測得的河道斷面流速分布情況演算出過水?dāng)嗝娴目偭髁?。吊箱式纜道測流的基本原理副索拉偏由于測流懸桿進入水面以下作業(yè)時，受水流沖擊影響會產(chǎn)生偏角，偏角過大時則會嚴重影響測流精度。因此，纜道還設(shè)有副索拉偏裝置，在測流過程中，通過調(diào)節(jié)拉偏索的長短可將測驗平臺的偏角控制在允許范圍內(nèi)。1-測流懸桿；2-測驗平臺；3-平臺懸吊索；4-水平行車

6、架；5-拉偏滾輪；6-拉偏索；7-游輪；8-副索；9-主索；10-巡回索主要執(zhí)行機構(gòu)水平巡回機構(gòu)由水文絞車驅(qū)動巡回輪轉(zhuǎn)動，從而帶動巡回索的循環(huán)移動，拖動水平行車架完成水平運動。在合適位置安裝測距輪和旋轉(zhuǎn)編碼器，測算巡回索運行長度即可實現(xiàn)起點距的位置測算。1-水文絞車；2-巡回輪；3-測距輪；4-巡回索；5-水平行車架；6-主索；7-導(dǎo)向滑輪;8-測驗平臺主要執(zhí)行機構(gòu)吊箱式測驗平臺能夠自主完成平臺的升降、懸桿的升降、拉偏的收放等必要動作。上面集成了平臺升降機構(gòu)、懸桿升降機構(gòu)、電動拉偏機構(gòu)以及其他輔助機構(gòu)，實現(xiàn)了測流過程中所有動作的電動操作。主要執(zhí)行機構(gòu)吊箱式測驗平臺平臺升降機構(gòu)：由平臺升降電機、

7、蝸輪蝸桿減速器、平臺升降卷筒和懸索導(dǎo)向及張緊裝置等部分組成。平臺升降電機經(jīng)蝸輪蝸桿減速器減速，驅(qū)動平臺升降卷筒，進而完成平臺的升降懸桿升降機構(gòu)：由懸桿升降絞車、懸索導(dǎo)向輪和測距輪、懸桿導(dǎo)向裝置、懸桿及其他附件構(gòu)成，升降卷筒、減速器、電機設(shè)計成一體式絞車，由直流電機驅(qū)動，經(jīng)行星減速器減速，采用失電制動器進行同步剎車電動拉偏絞車：卷筒、減速器、電機設(shè)計成一體式絞車，由直流電機驅(qū)動，經(jīng)行星減速器減速，采用失電制動器進行同步剎車控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)起點距測控系統(tǒng)控制系統(tǒng)測驗平臺測控系統(tǒng)水下信號的采集與傳輸轉(zhuǎn)子流速儀流速的測驗最常用轉(zhuǎn)子式流速儀，流速儀受到水流沖擊產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，并將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為脈沖信號，單

8、位時間內(nèi)流速儀輸出的信號數(shù)直接反映流速的快慢。但由于流速儀要進入水面以下進行作業(yè)，水下環(huán)境極為復(fù)雜，極易產(chǎn)生各種干擾，給流速信號的計數(shù)帶來困難。水下信號的采集與傳輸信號采集難點水電阻影響，河水泥沙量經(jīng)常變化，電阻也變化，流速儀會誤導(dǎo)通流速儀信號觸發(fā)部分為機械式，易產(chǎn)生抖動流速儀工作過程常常受到水下環(huán)境干擾，時常產(chǎn)生抖動信號和尖峰脈沖在高流速水域，接觸時間過短，造成信號數(shù)漏記、少記；低流速水域，接觸時間過長，信號數(shù)多記。水下信號的采集與傳輸水面流速信號甄別水下信號的采集與傳輸流速信號消抖 流速儀的抖動信號會錯誤的觸發(fā)PLC計數(shù)，影響測流精度。特別是轉(zhuǎn)子流速儀，受制于其機械式的信號觸發(fā)裝置，抖動信

9、號的干擾非常明顯，因此流速儀信號的去抖動至關(guān)重要。水下信號的采集與傳輸去抖電路時序圖水下信號的采集與傳輸流速儀信號的傳輸 流速儀信號在水面以下產(chǎn)生，懸桿時常上下運動，位置不確定，這給信號的傳遞帶來極大的不便，通過有線線纜將采集的流速儀信號傳遞到測驗平臺PLC的辦法存在著很多弊端。水下信號的采集與傳輸總體電路水下信號的采集與傳輸采集模塊水下信號的采集與傳輸水深的計算水下信號的采集與傳輸水底信號的采集水底信號是懸桿測流中最棘手，也是最重要的一個問題。由于河底環(huán)境和水中情況的制約，水底信號的判斷一直沒有得到完美的解決。在此設(shè)計了一種轉(zhuǎn)臂式失重開關(guān)，來檢測懸桿觸底時懸吊索的失重情況。通訊系統(tǒng)通訊方案通

10、訊采用主-從式結(jié)構(gòu)，工控計算機IPC為主站，兩臺西門子PLC為從站。工控計算機定期發(fā)出指令查詢PLC的狀態(tài)，PLC接到查詢指令后，將狀態(tài)數(shù)據(jù)返回給主站工控計算機，主站計算機通過綜合分析判斷，向PLC發(fā)出控制指令，PLC負責(zé)執(zhí)行。通訊系統(tǒng)Modbus通訊機制Modbus采用主-從方式，主站對各個從站進行尋址，發(fā)送廣播信息給各從站，從站對主站發(fā)出的信息進行查詢。主站的查詢格式包括機器的地址，功能碼，發(fā)送數(shù)據(jù)以及校驗碼；從站響應(yīng)的信息格式則包括機器地址，動作確認碼，返回數(shù)據(jù)及校驗碼，從站接收中如果產(chǎn)生錯誤或遇到指令無法正確完成時，會返回錯誤信息。通訊系統(tǒng)通訊協(xié)議的定義 在Modbus RTU的數(shù)據(jù)傳

11、輸格式中，具體通訊內(nèi)容的定義，要通過建立數(shù)據(jù)段與從站保持寄存器地址之間的映射關(guān)系來完成。為了確?？偪刂行腎PC與兩臺PLC之間通訊的準確性，也為了方便主站程序和從站程序的編程，對IPC與測驗平臺PLC、IPC與起點距PLC之間分別制定了標準的通訊協(xié)議字。RTU數(shù)據(jù)傳輸格式通訊系統(tǒng)指令優(yōu)先級出于安全性、操作任務(wù)的輕重緩急等方面考慮，將指令劃分為五組優(yōu)先級別：第一組為停止指令:包括緊急停止以及各運行動作的停止指令第二組手動控制指令:包括平臺升降、懸桿升降等控制指令第三組為自動控制指令:包括平臺的定位、懸桿的定位等控制指令第四組為值設(shè)定指令:包括測流歷時設(shè)定、平臺和懸桿的當(dāng)前值設(shè)定、極限值設(shè)定等指令

12、第五組為其他輔助指令:云臺控制、報警確認等通訊系統(tǒng) 通訊流程軟件系統(tǒng) 軟件組織結(jié)構(gòu)軟件系統(tǒng) 起點距PLC程序起點距PLC程序的主要部分包括Modbus初始化、高速計數(shù)器初始化、遙控指令轉(zhuǎn)換程序、觸摸屏指令轉(zhuǎn)換程序和起點距控制程序等部分，并配置相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊軟件系統(tǒng) 測驗平臺PLC程序測驗平臺PLC程序的主要內(nèi)容包括Modbus初始化，高速計數(shù)器初始化，遙控指令轉(zhuǎn)換程序，觸摸屏指令轉(zhuǎn)換程序和懸桿升降、平臺升降、拉偏云臺控制、測深測速程序等部分并配置相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊軟件系統(tǒng) IPC測流軟件測流軟件使用高級語言C#編程，在Visual studio 2010開發(fā)環(huán)境上開發(fā)，通過SQL Server 201

13、2 Express建立標準的數(shù)據(jù)模型實現(xiàn)對測流數(shù)據(jù)的存儲與管理，測流軟件的主要部分包括：通訊部分、起點距測控部分、測驗平臺測控部分、流量演算部分和人機交互界面。主要研究成果成果0102030405在保留常規(guī)載人操作的同時，實現(xiàn)了所有測流環(huán)節(jié)岸上的集中控制以及信號的自動采集與處理。實現(xiàn)流速信號與水面信號的自動甄別，并采取了硬件去抖及智能判斷等措施，使傳回到PLC中的流速信號和水面信號精準可靠。新設(shè)計的轉(zhuǎn)臂式失重開關(guān)采集水底信號，結(jié)構(gòu)簡單而無入水部分，信號穩(wěn)定可靠測流懸桿集自動測深、自動測速功能于一體，不僅提高了操作精度，更提高了測流效率采用標準的串行通信接口，開發(fā)了兩級控制單元之間的通訊協(xié)議，為主從兩級之間提供了標準的編程入口，系統(tǒng)可靈活配置，適