張以文，許文龍，王艷君

（1.水發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，濟(jì)南 250000；2.山東交通學(xué)院 信息科學(xué)與電氣工程學(xué)院（人工智能學(xué)院），濟(jì)南 250357）

在水文地質(zhì)勘察的過程中，為了獲取水文地質(zhì)參數(shù)，在水位埋深較大的干旱地區(qū)，常會(huì)采用注水試驗(yàn)[1]。在水文地質(zhì)勘察工作中，注水試驗(yàn)占據(jù)非常重要的位置，關(guān)系到水文信息能否得到準(zhǔn)確的判定。滲透系數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)定對(duì)堤壩和土壩的設(shè)計(jì)和安全評(píng)價(jià)有著非常重要的意義[2]。傳統(tǒng)的采用量筒、秒表、米尺等的鉆孔注水試驗(yàn)的人工操作方式效率低、誤差高、試驗(yàn)周期長(zhǎng)，已經(jīng)不能很好地滿足當(dāng)前水文地質(zhì)勘察鉆孔注水試驗(yàn)的要求，并且常常受到水泵注水流量的限制，導(dǎo)致鉆孔中的水面波動(dòng)較大，進(jìn)一步導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)，甚至失敗。目前PLC 和變頻器應(yīng)用非常廣泛，但在地質(zhì)領(lǐng)域特別是在水文地質(zhì)勘察領(lǐng)域中的應(yīng)用卻非常少[3]。PLC 控制器和變頻器的配合使用可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)備運(yùn)行速度的精確控制[4]。本文將PLC 和變頻器應(yīng)用于水文地質(zhì)勘察的鉆孔注水試驗(yàn)中來(lái)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程的自動(dòng)控制，控制精度高，試驗(yàn)周期短，并可以有效節(jié)省勞動(dòng)力資源和有效減小鉆孔中水面的波動(dòng)，使試驗(yàn)成功率大大提高。

1 水文地質(zhì)勘察鉆孔注水試驗(yàn)概述

鉆孔注水試驗(yàn)是野外測(cè)定巖土層滲透性的一種簡(jiǎn)易方法，通常用于地下水埋藏較深而不便于進(jìn)行抽水試驗(yàn)的巖土層中[5]。鉆孔注水試驗(yàn)根據(jù)試驗(yàn)方法以及適用土層的不同分為鉆孔常水頭注水試驗(yàn)和鉆孔降水頭注水試驗(yàn)[6]。鉆孔常水頭注水試驗(yàn)是通過鉆孔向孔內(nèi)連續(xù)定量注水，使孔內(nèi)水位保持一定，從而得到水位與注水量的函數(shù)關(guān)系來(lái)確定巖土層的滲透系數(shù)。而鉆孔降水頭注水試驗(yàn)只需向鉆孔內(nèi)注一次清水，抬高水頭至一定高度，記錄水位與時(shí)間的關(guān)系[7]。同時(shí)，鉆孔常水頭注水試驗(yàn)，試驗(yàn)前需要先進(jìn)行地下水位觀測(cè)，測(cè)穩(wěn)定液位，試驗(yàn)開始后的流量觀測(cè)要求開始需進(jìn)行5 次流量觀測(cè)，時(shí)間間隔分別為5 min，以后每隔20 min 觀測(cè)1 次，需至少觀測(cè)6 次，當(dāng)連續(xù)2 次觀測(cè)的注入流量之差不大于最后一次注入流量的10%時(shí)，即可結(jié)束試驗(yàn)，取最后一次注入流量作為滲透系數(shù)的計(jì)算值[6]?？梢?，鉆孔常水頭注水試驗(yàn)需分時(shí)對(duì)液位進(jìn)行觀測(cè)，并對(duì)流量進(jìn)行觀測(cè)和控制，如果采用傳統(tǒng)的人工操作方式，費(fèi)時(shí)費(fèi)力、誤差高、精度低。因此，本論文的鉆孔注水試驗(yàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)主要針對(duì)鉆孔常水頭注水試驗(yàn)進(jìn)行分析研究。

2 總體控制方案設(shè)計(jì)

本鉆孔注水試驗(yàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)采集模塊、處理分析模塊、自動(dòng)執(zhí)行模塊以及實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊組成。其中數(shù)據(jù)采集模塊是由液位傳感器和流量傳感器組成，定時(shí)采集鉆孔中的實(shí)時(shí)液位和注水流量數(shù)據(jù)信息，并將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息傳送給PLC 控制器。處理分析模塊是由西門子S7-1200 系列PLC 模塊編程實(shí)現(xiàn)對(duì)液位和流量等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息的分析處理。自動(dòng)執(zhí)行模塊主要是由西門子MM420 變頻器和注水水泵組成，實(shí)現(xiàn)根據(jù)實(shí)時(shí)液位與目標(biāo)液位的差值，由變頻器控制水泵的注水速度，從而改變注水流量實(shí)現(xiàn)鉆孔中液位恒定。最后，實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊是由西門子觸摸屏TP1200 實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息監(jiān)控，觸摸屏和PLC 控制器之間通過PROFINET 通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 PLC 控制硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是以西門子S7-1200 CPU1215C DC/DC/DC 作為核心控制器，以西門子MM420 系列變頻器作為注水水泵運(yùn)轉(zhuǎn)速度控制的自動(dòng)控制系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)根據(jù)注水試驗(yàn)規(guī)程要求的時(shí)間間隔進(jìn)行液位和流量的觀測(cè)，并根據(jù)每次觀測(cè)液位與目標(biāo)液位的差值來(lái)改變注水流量，保證液位恒定。由于實(shí)際的工作環(huán)境和工程技術(shù)的具體要求采用投入式液位傳感器和電磁流量傳感器。并將傳感器的4～20 mA 的模擬量信號(hào)分別通過屏蔽電纜接入模擬量輸入模塊SM1231，從而實(shí)現(xiàn)液位和流量的實(shí)時(shí)自動(dòng)觀測(cè)。西門子PLC 作為核心控制器，具有結(jié)構(gòu)緊湊、硬件擴(kuò)展靈活、通訊功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。通過編程實(shí)現(xiàn)將實(shí)時(shí)采集到的液位值與觸摸屏設(shè)定的液位值進(jìn)行比較，通過分析處理后的結(jié)果來(lái)控制PLC 控制器的輸出模擬量的電壓值。輸出的模擬量電壓接入MM420 變頻器的模擬量電壓輸入端，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制變頻器的輸出頻率，從而控制水泵的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制注水流量，最終實(shí)現(xiàn)鉆孔中的液位恒定。PLC 控制電氣原理如圖1 所示。

圖1 PLC 控制電氣原理圖Fig.1 Electrical schematic diagram of PLC control

3.2 變頻調(diào)速控制硬件設(shè)計(jì)

變頻器是一種電力控制設(shè)備，是將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡俎D(zhuǎn)換為不同頻率的交流電從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速[8]。MM420 變頻器是西門子MM4 系列中的一種通用型變頻器，功能強(qiáng)大，應(yīng)用廣泛[9]。西門子MM420 變頻器主要是由操作面板、控制模塊與外部接線端子3 個(gè)部分組成，對(duì)于MM420 變頻器的控制主要是采用操作面板或外部端子進(jìn)行控制的[10]。本自動(dòng)控制系統(tǒng)通過操作面板參數(shù)設(shè)定并結(jié)合外部端子接線對(duì)水泵的運(yùn)行速度進(jìn)行控制。采用面板操作模式控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，其核心在于通過操作面板對(duì)變頻器內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行修改[11]。本設(shè)計(jì)主要是對(duì)水泵的銘牌參數(shù)、加減速時(shí)間、命令源選擇以及數(shù)字輸入端功能等通過操作面板進(jìn)行手動(dòng)輸入設(shè)置。外部端子接線控制采用如圖2 所示的接線方式，PLC 控制器輸出端接的手動(dòng)KA1，自動(dòng)KA2 和故障復(fù)位KA3 三個(gè)繼電器信號(hào)分別接入變頻器的數(shù)字量輸入端DIN1，DIN2 和DIN3，PLC 控制器輸出的模擬量電壓值接入變頻器模擬量輸入端ADC+和ADC-[12]，從而實(shí)現(xiàn)了PLC 控制器和變頻器之間的數(shù)據(jù)交換，來(lái)實(shí)時(shí)改變變頻器的輸出頻率，從而控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)鉆孔中液位和注水流量的自動(dòng)控制，并可以通過調(diào)整加減速時(shí)間來(lái)有效減小鉆孔中水面的波動(dòng)。

圖2 變頻調(diào)速控制電氣原理圖Fig.2 Electrical schematic diagram of variable frequency speed regulation control

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

博圖軟件是一款用于西門子S7-1500/1200/400/300 等眾多西門子PLC 控制器的編程軟件，其功能非常強(qiáng)大、編程十分靈活，已在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用[13]。本鉆孔注水試驗(yàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)采用西門子博圖軟件TIA Portal V15 進(jìn)行具體編制，編程語(yǔ)言采用梯形圖，根據(jù)注水試驗(yàn)規(guī)程里要求的鉆孔注水試驗(yàn)步驟來(lái)編寫本控制系統(tǒng)的總體控制流程，如圖3 所示。本控制系統(tǒng)根據(jù)水文地質(zhì)勘察領(lǐng)域中具體工程應(yīng)用的實(shí)際需要設(shè)置2 種控制方式，手動(dòng)控制方式和自動(dòng)控制方式。其中，手動(dòng)控制方式主要用于鉆孔注水試驗(yàn)剛開始時(shí)的初級(jí)調(diào)試階段，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制水泵的注水速度來(lái)根據(jù)試驗(yàn)的實(shí)際需要實(shí)現(xiàn)初始水頭值。自動(dòng)控制方式實(shí)現(xiàn)觸摸屏設(shè)置目標(biāo)液位值，根據(jù)注水試驗(yàn)的時(shí)間間隔要求，定時(shí)實(shí)現(xiàn)鉆孔中液位、注水流量的自動(dòng)觀測(cè)、控制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)，并根據(jù)實(shí)時(shí)液位與觸摸屏設(shè)定的目標(biāo)液位的比較，自動(dòng)進(jìn)行水泵注水流量的控制。最后，自動(dòng)根據(jù)注水試驗(yàn)規(guī)程中要求鉆孔注水試驗(yàn)結(jié)束的條件來(lái)判斷是否可以結(jié)束試驗(yàn)，并自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等。

圖3 總體控制流程圖Fig.3 General control flow chart

5 控制系統(tǒng)實(shí)踐應(yīng)用

本鉆孔注水試驗(yàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)已在煙臺(tái)義和莊北夼水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程中得到了具體應(yīng)用，北夼水庫(kù)位于昆崳山保護(hù)區(qū)昆崳鎮(zhèn)義和莊村東北約950 m處黃壘河支流上，是一座集防洪、農(nóng)業(yè)灌溉、養(yǎng)殖等綜合運(yùn)用于一體的水庫(kù)。此次的除險(xiǎn)加固工程為查明壩體的滲透性，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了鉆孔注水試驗(yàn)。在鉆孔注水試驗(yàn)的實(shí)施過程中具體應(yīng)用了本鉆孔注水試驗(yàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)，將投入式液位傳感器安裝在鉆孔的底部，用于測(cè)量鉆孔中的實(shí)時(shí)液位數(shù)據(jù)信息。并將電磁流量傳感器固定于注水管上，實(shí)現(xiàn)注水流量數(shù)據(jù)信息的采集。在鉆孔附近設(shè)置一個(gè)小型的琴式控制臺(tái)，用于實(shí)現(xiàn)控制器件的安裝以及具體人機(jī)交互功能的實(shí)現(xiàn)。琴式控制臺(tái)上面鑲嵌一個(gè)觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，并設(shè)置啟動(dòng)、停止、自動(dòng)和手動(dòng)等實(shí)體按鈕，也可以根據(jù)試驗(yàn)控制的需要，自行添加控制按鈕、指示燈等完善控制的整個(gè)過程。琴式控制臺(tái)里面安裝有S7-1200 PLC 控制器、PLC 相關(guān)模擬量模塊SM1231、控制相關(guān)的繼電器、變頻器MM420等，實(shí)現(xiàn)具體控制和數(shù)據(jù)的分析處理。注水水泵則固定在鉆孔附近的地面上，通過線纜和變頻器等控制器件連接。本鉆孔注水試驗(yàn)一開始，先采用手動(dòng)控制來(lái)控制水泵注水速度實(shí)現(xiàn)初始水頭值，然后在觸摸屏設(shè)置目標(biāo)液位值后，本系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)行5 次流量觀測(cè)，每次觀測(cè)的時(shí)間間隔為5 min，以后每隔20 min 觀測(cè)1 次，需至少觀測(cè)6 次，PLC 控制器可自動(dòng)保存和分析得到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息并能自動(dòng)調(diào)整觀測(cè)次數(shù)和判別是否可結(jié)束試驗(yàn)。具體應(yīng)用本自動(dòng)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)成果如表1 所示。

表1 煙臺(tái)義和莊北夼水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程注水試驗(yàn)記錄表Tab.1 Record of water injection test for danger removal and reinforcement project of Beikuang reservoir in Yihezhuang，Yantai

通過對(duì)煙臺(tái)義和莊北夼水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程中的上述ZK2，ZK3，ZK4 三個(gè)鉆孔不同試段位置進(jìn)行注水試驗(yàn)，實(shí)踐結(jié)果表明該自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、故障率低，可以準(zhǔn)確檢測(cè)鉆孔中的液位和注水流量信息，較傳統(tǒng)落后的人工測(cè)量方式，精度大大提高。并能根據(jù)注水試驗(yàn)規(guī)程的要求對(duì)鉆孔中的液位和水泵的注水流量進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)的觀測(cè)和控制。同時(shí)由于變頻器對(duì)注水流量的實(shí)時(shí)變頻控制，使整個(gè)試驗(yàn)過程鉆孔中水面波動(dòng)較小，有效地提高了試驗(yàn)精度和試驗(yàn)的成功率、縮短了試驗(yàn)周期，可以很好地滿足鉆孔注水試驗(yàn)的要求。

6 結(jié)語(yǔ)

水文地質(zhì)勘察的注水試驗(yàn)過程中，影響試驗(yàn)精度和成功率的重要因素是測(cè)量精度和水面波動(dòng)，由于人工測(cè)量誤差大以及水面波動(dòng)大導(dǎo)致試驗(yàn)周期長(zhǎng)甚至失敗的案例數(shù)不勝數(shù)。將PLC 和變頻器應(yīng)用于水文地質(zhì)勘察鉆孔注水試驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)鉆孔注水試驗(yàn)過程的自動(dòng)控制，控制精度高，有效地減小了水面波動(dòng)，大大提高了試驗(yàn)效率和成功率，在有效節(jié)約勞動(dòng)力資源的前提下，為水文地質(zhì)勘察提供了有力保證。最終實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)方式和手動(dòng)方式并存的自動(dòng)控制系統(tǒng)，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。