張慧玲

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)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(huì)西峰治理監(jiān)督局與西安理工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院、水利水電學(xué)院合作研究項(xiàng)目：模擬降雨自動(dòng)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(yàn)提供科學(xué)依據(jù)，定量的評(píng)價(jià)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(jìn)行定位觀測(cè)耗時(shí)費(fèi)力的缺點(diǎn)，縮短試驗(yàn)周期，加速雨水入滲規(guī)律及土壤侵蝕規(guī)律研究的進(jìn)程[1]。

1 工藝簡(jiǎn)介

整個(gè)模擬降雨系統(tǒng)由3大部分組成，分布采用上、下二級(jí)結(jié)構(gòu)，分別為上級(jí)用上位機(jī)IPC部分，下級(jí)用下位機(jī)可編程控制器PCC單元[2]和現(xiàn)場(chǎng)控制機(jī)構(gòu)[3]，重點(diǎn)介紹壓力傳感器在現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)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(dòng)調(diào)速控制系統(tǒng)，進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水，系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性好[3]；

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

按照試驗(yàn)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(biāo)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(shí)間段內(nèi)，降雨量大小可通過閉環(huán)控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)和手動(dòng)調(diào)節(jié)兩種方法實(shí)現(xiàn)。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)要求，常隨不同時(shí)段對(duì)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(huì)出現(xiàn)很多意想不到的問題而達(dá)不到工程要求。

近年來，隨著檢測(cè)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(yīng)用，由于在供水控制系統(tǒng)中，流量是供水系統(tǒng)的基本對(duì)象。但流量的測(cè)量比較復(fù)雜，考慮到在動(dòng)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(shí)，則壓力p增大；反之則壓力p減?。蝗绻┧芰G等于噴頭出水量QU時(shí)，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(dá)到的最終目的[5]。當(dāng)水泵供水量恒定時(shí)，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(dá)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(hào)送至變頻器的反饋信號(hào)輸入端VPF（電壓信號(hào)），組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，并通過變頻器的輸出信號(hào)控制水泵電機(jī)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(chǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過對(duì)雨強(qiáng)大小的分析可知，決定雨強(qiáng)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(qiáng)的大小則取決于噴頭打開的情況，所有噴頭全部打開時(shí)，則雨強(qiáng)最大；打開噴頭數(shù)目減小時(shí)，則雨強(qiáng)減小。在該降雨系統(tǒng)中，根據(jù)對(duì)不同區(qū)域、不同時(shí)間段內(nèi)對(duì)不同雨強(qiáng)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(shí)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(gè)噴頭組下均帶有4個(gè)相同的噴頭，每一組由一個(gè)電磁閥控制，雨強(qiáng)的大小則由打開各噴頭組上電磁閥的組合決定。通過對(duì)3種型號(hào)噴頭打開的不同組合，可產(chǎn)生7種不同的雨強(qiáng)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(jì)中重點(diǎn)解決了3個(gè)問題：

1）解決設(shè)定值ur的大小和雨強(qiáng)大小之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

2）解決決定雨強(qiáng)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(jī)構(gòu)送出信號(hào)之間的關(guān)系；

3）解決由手動(dòng)調(diào)節(jié)向自動(dòng)調(diào)節(jié)切換時(shí)控制信號(hào)的匹配問題。

具體解決辦法：

為了實(shí)現(xiàn)恒壓力供水的目的[5]，系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，同時(shí)考慮系統(tǒng)的安全性，附加開環(huán)控制，作為備用。當(dāng)雨強(qiáng)大小要求變化時(shí)，可通過上位機(jī)從界面上選擇不同支路上的電磁閥對(duì)不同噴頭進(jìn)行組合，保證噴頭能夠正常噴水，必須同時(shí)改變電磁調(diào)節(jié)閥的開度，當(dāng)雨強(qiáng)增大時(shí)，則電磁調(diào)節(jié)閥的開度增大；當(dāng)雨強(qiáng)減小，則電磁調(diào)節(jié)閥的開度減小，這時(shí)水管壓力會(huì)隨之跟著變化。水管壓力的變化通過傳感器實(shí)際檢測(cè)，將檢測(cè)到的信號(hào)uf送變頻器與雨強(qiáng)大小的設(shè)定值進(jìn)行ur比較處理，比較處理的結(jié)果調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速改變出水量，從而調(diào)節(jié)雨強(qiáng)大小。雨強(qiáng)大小的設(shè)定值ur可根據(jù)實(shí)際需要隨時(shí)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(shí)現(xiàn)在線控制電機(jī)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(jī)、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(shí)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(shí)體模型建設(shè)和試驗(yàn)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(jī)選用15 kW的電機(jī)，水泵揚(yáng)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(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)通過壓力傳感器對(duì)管道內(nèi)壓力變化檢測(cè)，經(jīng)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵出水量，以滿足實(shí)驗(yàn)所需降雨量的大小要求，從而實(shí)現(xiàn)了進(jìn)行土壤侵蝕科學(xué)研究的重要實(shí)驗(yàn)手段，其特點(diǎn)克服了徑流小區(qū)進(jìn)行定位觀測(cè)耗時(shí)費(fèi)力的缺點(diǎn)，縮短試驗(yàn)周期，加速雨水入滲規(guī)律和土壤侵蝕規(guī)律的研究進(jìn)程，對(duì)水土保持以及水資源科學(xué)利用具有相當(dāng)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(yīng)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?gòu)?qiáng).水輪機(jī)調(diào)速器的控制軟件在PCC上的實(shí)現(xiàn)[D].南京：河海大學(xué)，2005：1－69.

[3]高小梅，李兆麟，賈雪.人工模擬降雨裝置的研制與應(yīng)用[J].輻射防護(hù)，2000，20（1）： 86－90.

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

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