超聲波水位計在水閘工程中的應用

叢良良，孫德勇

（1.杭州定川信息技術有限公司，浙江 杭州 310020；2.浙江省河海測繪院，浙江 杭州 31000 8）

超聲波水位計在水閘工程中的應用

叢良良1，孫德勇2

（1.杭州定川信息技術有限公司，浙江 杭州 310020；2.浙江省河海測繪院，浙江 杭州 31000 8）

現代水閘工程的建設，自動化監控系統已經廣泛運用其中。水位數據監測作為自動化監控系統的基礎數據，為工程的安全起到至關重要的作用。運用水位數據可以準確計算出水體的容量、流量、壓力等數據，為水閘工程的安全運行及統一調度提供重要的數據支撐。

超聲波水位計；水閘工程；應用

1 問題的提出

水閘工程多用于防汛防臺、防洪排澇中。防汛安全性要求非常高，工程的安全可靠運行責任重大。而水位數據作為水閘啟閉調度、測算水體容量、閘體上下游流速的重要依據具有至關重要的作用。因此準確測量水位，對于水閘工程來說非常重要。測量水位的方法主要是使用水位計，水位計的種類主要有：電容式水位計、浮子式水位計、壓力式水位計、超聲波水位計、雷達水位計，激光水位計、電子水尺等。

水閘工程中最常用的水位計有浮子式水位計、壓力式水位計與超聲波水位計，其中浮子式水位計傳感器的優點是分辨率高、量程大、壽命長、性能穩定可靠。但浮子式水位計的使用必須配合水位測井或測管，設備安裝前期投入費用較大。且設備配件較為復雜，浮子測繩容易打滑絞纏。壓力式水位計的傳感器部分可直接投入到液體中，安裝使用較為方便。但壓力式水位計受水質及水下淤泥影響較大，測量精度比較差。超聲波水位計由于設備與測量液體無接觸，不易受污泥堵塞、沖刷、液體腐蝕；設備造價低安裝不破壞水體結構不需建造水位測井，節省投資；檢測技術先進適用各種復雜環境；無機械磨損，穩定耐用，安裝檢修方便等優點被廣泛使用在水閘工程的水位測量中。

2 超聲波水位計的原理

超聲波水位計簡單運用速度、時間、距離的計算公式s = vt，超聲波在空氣中傳播的速度v是一定的，只要計算出超聲波水位計在發送和接收超聲波信號之間的時間t，則可以計算出超聲水位計與被測液體之間的雙向距離s。由于發送與接收信號使用的是雙倍時間，所以最終被測距離為：s = vt/2。因為超聲傳感器與容器的底部距離H是一定的，則被測液位h = H - s（見圖1）。

圖1 超聲波水位計測量原理圖

超聲波水位計多數采用二線制、三線制或四線制技術。二線制為：供電與信號輸出共用，為無源測量傳感器；三線制為：供電回路和信號輸出回路獨立，當采用直流24 V供電時，可使用1根3芯電纜線，供電負端和信號輸出負端共用1根芯線；四線制為：當采用交流220 V供電時，或者當采用直流24 V供電，要求供電回路與信號輸出回路完全隔離時，應使用1根4芯電纜線。

3 超聲波水位計在水閘工程中的應用

3.1 超聲波水位計在水閘工程中的安裝

超聲波水位計在水閘工程的安裝位置不宜選擇在靠近閘門的位置，閘門啟閉時靠近閘門處水流波動起伏較大，容易使測量不準確。安裝位置宜選擇在水流波動小且沒有漂浮物（如水葫蘆）及沒有船只靠近的水流平緩處。

選擇安裝位置時應計算超聲波水位計量程，避免超出測量范圍；接線時應采用密封接線端子盒，防止水侵造成短路。同時應當考慮水閘工程的設計警戒水位，避免水體過高時浸泡設備造成損壞。

3.2 超聲波水位計的主要輸出形式

水閘的水位數據采集，主要由傳感設備、數據轉換設備及后臺處理軟件等組成。根據不同環境、安裝要求選擇相適應的水位計。各種水位計原理不同，但輸出信號基本是下面3種：開關量信號、模擬量信號（4 ～ 20 mA或5 V電壓）和485通訊。

3.2.1 開關量信號輸出

開關量信號直接接入控制回路，通過水位的變化控制電路。

3.2.2 模擬量信號輸出

模擬量信號需要通過模數轉換模塊轉化，最常用的是接入PLC模擬量模塊。二線制接線方式見圖2。

模擬量模塊可以設定模擬量輸入規格0 ～ 10 V、4 ～ 20 mA等，采集進來后，將4 ～ 20 mA轉換為數字量，比如6 400 ～ 32000（不同PLC模塊對應的值不一樣），程序里進行標度變換對應的0 ～ 10 m，4 mA對應數字量6 400，對應物理量0 m，20 mA對應數字量32000，對應物理量10 m。相當于一個函數Y = KX + b的求解指令，Y為最后一個VD108就是所測的水位值，X為最初的輸入Alw0。轉換過程見圖3（I＿DI模塊表示整數轉化為雙整數，DI＿R模塊表示雙整數轉化為實數，SUB＿R模塊表示減法，MUL＿R模塊表示乘法，DIV＿R模塊表示除法）。

圖2 二線制接線方式圖

圖3 設備原始值與計算值轉換過程圖

3.2.3 4 8 5信號輸出通訊

485信號直接與PLC串口或電腦通訊進行數據轉換。PLC與設備通訊口引腳分配定義相對應，PLC編程梯形圖程序流程：PLC端口初始化→發送讀數據命令→適當延時→讀端口返回數據→(如果需要確認，則發送確認幀命令→)進入下一輪發命令及讀數據循環。以西門子200為例，調用內部程序塊：編程時使用SM0.1調用子程序MBUS_ INIT進行初始化，使用SM0.0調用研究MBUS_SLAVE，并指定相應參數。關于參數的說明，列在子程序的局部變量表中。內容程序調用圖見圖4。

圖4 內部程序調用圖

圖4參數意義如下：

Mode（模式選擇）：啟動/停止MODBUS，1 =啟動；0 =停止；當Port0用作Modbus從站協議通訊時，不能再用作任何其它目的，包括與STEP7 — Micro/WIN通訊。MBUS_INIT指令控制Port0的設定是Modbus從站協議還是PPI。

Addr（從站地址）：MODBUS從站地址，取值1 ～ 247；

Baud（波特率）：可選1 200，2 400，4 800，9 600，19 200，38 400，57 600；

Parity（奇偶校驗）：0 =無校驗；1 =奇校驗；2 =偶校驗；

Delay（延時）：附加字符間延時，缺省值為0；

MaxIQ（最大I/Q位）：參與通訊的最大I/O點數，S7 -200的I/O映像區為128/128，缺省值為128；

MaxAI（最大AI字數）：參與通訊的最大AI通道數，可為16或32；

MaxHold（最大保持寄存器區）：參與通訊的V存儲區字（VW）；

HoldSt ～ （保持寄存器區起始地址）：以&VBx指定（間接尋址方式）；

Done（初始化完成標志）：成功初始化后置1；

Error（初始化錯誤代碼）；

MODBUS執行：通訊中時置1；

錯誤代碼：0 =無錯誤。

4 超聲波水位計在蕭山大治河水閘工程中的應用

蕭山大治河閘站工程為杭州市小礫山排灌閘站除險加固工程—西水東引河道工程大治河閘站項目。主要建筑物由泵站及船閘組成。泵站由上下游連接段、清污室、泵室等組成，船閘由上下游引航道、上下閘首、閘室組成，船閘上閘首與泵站相臨布置，配套管理用房布置在泵站東側。船閘為雙向通航船閘。

由于本項目為自動化系統升級改造項目，如果使用浮子式水位計需要增加水位測井施工投入成本較大。由于大治河內淤泥較多且為通航河道，在河道內安裝壓力式水位計容易受淤泥堵塞及船只撞擊破壞?？紤]到大治河為蕭山城區內水河道，水流長期穩定水位落差不大，適合使用超聲波水位計。因此泵站上下游水位監測和船閘通航水位監測均使用高品質超聲波水位計。此項目已經投入使用多年，系統穩定可靠，超聲波水位計極少發生故障，為工程的有效運行提供了保障。

5 結 語

隨著全面推行水利工程標準化管理的進程，水閘工程進入“建管并重”的新型模式。水位數據的自動化采集正是水閘工程安全運行管理的基礎。學習掌握超聲波水位計的原理與應用有利于水閘工程基層管理人員及時有效的排查與維護系統，為水閘工程的安全運行提供保障。

（責任編輯 郎忘憂）

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10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.04.011

2017-03-10

叢良良(1981 - )，男，工程師，大學本科，主要從事水利工程自動化控制系統項目的設計、施工及管理工作。