吳新生，林木松，廖小永，萬(wàn)星星

（長(zhǎng)江科學(xué)院河流研究所，武漢 430010）

深圳河口潮汐模型變頻生潮與量測(cè)控制系統(tǒng)

吳新生，林木松，廖小永，萬(wàn)星星

（長(zhǎng)江科學(xué)院河流研究所，武漢 430010）

深圳河口潮汐模型量測(cè)控制系統(tǒng)由水位、流速、流量測(cè)量，加沙控制以及生潮控制設(shè)備組成。針對(duì)深圳河口潮汐模型水流的特性，系統(tǒng)設(shè)備采用了高性能的跟蹤式光柵水位儀、光電旋漿智能流速儀以及智能水表流量計(jì)，采用循環(huán)管道加沙，還設(shè)計(jì)研制了一種基于變頻調(diào)速技術(shù)的潮汐模擬系統(tǒng)。該模擬系統(tǒng)利用工控機(jī)與變頻器間串口通訊，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程遠(yuǎn)程控制，實(shí)時(shí)控制尾門(mén)的開(kāi)啟角度及運(yùn)轉(zhuǎn)速度，調(diào)節(jié)模型瞬時(shí)進(jìn)出水量，達(dá)到準(zhǔn)確模擬潮汐波的目的。在模型試驗(yàn)過(guò)程中，該測(cè)控系統(tǒng)精確度高，穩(wěn)定性好，解決了可變溢流寬口門(mén)準(zhǔn)確模擬潮汐的困難，使潮汐河工模型試驗(yàn)量測(cè)技術(shù)提高到一個(gè)新的水平。

深圳河口；潮汐模擬；變頻調(diào)速；量測(cè)控制

在河工、水工模型試驗(yàn)中，潮汐模型試驗(yàn)?zāi)壳叭詾檠芯孔匀滑F(xiàn)象和確定工程設(shè)施的重要手段之一。深圳河口潮汐模型模擬的范圍上起平原河口的深圳河干流（包括主要支流的適當(dāng)長(zhǎng)度），下至深圳灣的赤灣，全長(zhǎng)約31 km。模型的平面比尺為1∶150，垂直比尺為1∶40。

模型總長(zhǎng)度為200m，占地面積約5 000m2。深圳灣的潮汐屬不規(guī)則半日混合潮型，模型最大漲潮量約600 L／s，控制生潮尾門(mén)寬度30 m。從平原河口至深圳河口長(zhǎng)約80 m，河段狹長(zhǎng)，但有主支流共6個(gè)進(jìn)口需要測(cè)量和控制流量。河口至赤灣段（尾門(mén)處）長(zhǎng)約120 m，模型水面較寬，大部分區(qū)域?qū)挾瘸^(guò)30 m，這給寬斷面的生潮控制和加沙量分布是否均勻帶來(lái)較大的困難。

針對(duì)上述特點(diǎn)以及潮汐模型試驗(yàn)需要快速測(cè)量各種水力要素的特點(diǎn)，系統(tǒng)對(duì)流速、流量、水位、生潮及加沙控制都進(jìn)行了精心的設(shè)計(jì)與設(shè)備選型。

1 測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與組成

深圳河口潮汐模型面積大，試驗(yàn)要測(cè)控非恒定流的水流過(guò)程，而且還要做動(dòng)床懸移質(zhì)泥沙淤積試驗(yàn)。因此，試驗(yàn)過(guò)程必須采用集中測(cè)量與遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。量測(cè)控制系統(tǒng)采用工控機(jī)自動(dòng)控制，并設(shè)計(jì)了良好的人機(jī)界面。系統(tǒng)由變頻調(diào)速模擬生潮控制系統(tǒng)以及水位、流速、流量測(cè)量，懸移質(zhì)加沙控制設(shè)備組成，見(jiàn)圖1所示。

圖1 量測(cè)控制系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Schematic diagram of themeasurement control system

準(zhǔn)確的模擬天然潮汐波是潮汐模型試驗(yàn)的首要問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)外采用的生潮方式有氣壓式潮水箱、可變溢流設(shè)施和雙向泵等多種方式，它們各具特色?？勺円缌髟O(shè)施亦稱水泵尾門(mén)式，這種生潮系統(tǒng)適合于潮差變化較大的情況，可調(diào)節(jié)性強(qiáng)；由于是直接控制尾門(mén)水位，控制精度較高，跟蹤控制速度也較快。因此此次模型試驗(yàn)選用可變溢流設(shè)施生潮，其控制系統(tǒng)采用新的交流變頻調(diào)速技術(shù)自行研制。

對(duì)于流量測(cè)量，選用了成熟的工業(yè)流量?jī)x表——大口徑的水表流量計(jì)，這主要是考慮模型有多個(gè)進(jìn)口，采用價(jià)格低廉的水表流量計(jì)以解決設(shè)備購(gòu)置經(jīng)費(fèi)的不足。

流速測(cè)量采用南京水利科學(xué)研究院研制的新型光電式旋漿智能流速儀，其傳感器旋漿結(jié)構(gòu)為通心對(duì)稱型，特別適合潮汐水流的流速測(cè)量。

水位測(cè)量采用珠江水利科學(xué)研究院研制的光柵式跟蹤水位儀，其特性是探測(cè)精度高、跟蹤速度快，適宜測(cè)量動(dòng)態(tài)水位。

對(duì)于超寬斷面的加沙控制，設(shè)計(jì)采用循環(huán)管道方式，并引進(jìn)環(huán)保工業(yè)的更新?lián)Q代產(chǎn)品——自動(dòng)攪勻排污泵，以較好的性價(jià)比增強(qiáng)系統(tǒng)的功能。

以下分別介紹系統(tǒng)設(shè)備的特點(diǎn)，并著重介紹變頻調(diào)速模擬生潮控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研制與應(yīng)用。

2 變頻調(diào)速潮汐模擬系統(tǒng)

近10年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，電氣傳動(dòng)技術(shù)面臨著一場(chǎng)歷史革命，即交流變頻調(diào)速取代直流調(diào)速和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢(shì)。由于變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，廣泛的適用范圍及其他許多優(yōu)點(diǎn)而被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。變頻調(diào)速技術(shù)作為高新技術(shù)和節(jié)能技術(shù)，已經(jīng)滲透到科研、生產(chǎn)領(lǐng)域的所有技術(shù)部門(mén)中。

變頻器用于交流電動(dòng)機(jī)（異步電機(jī)或同步電機(jī)）轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，除了具有卓越的調(diào)速性能之外，還具有顯著的節(jié)能作用。以風(fēng)機(jī)水泵為例，根據(jù)流體力學(xué)原理，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。當(dāng)所需流量減少，電機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，其功率按轉(zhuǎn)速的三次方下降。因此，精確調(diào)速的節(jié)電效果非?？捎^。在實(shí)際運(yùn)行中，輕載運(yùn)行的時(shí)間所占比例比較高，而采用變頻調(diào)速，可大大提高輕載運(yùn)行時(shí)的工作效率。

基于變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)特點(diǎn)，深圳河口潮汐模型設(shè)計(jì)研制了一種變頻調(diào)速技術(shù)的潮汐模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)由生潮機(jī)械系統(tǒng)和電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)組成，采用尾門(mén)上溢流方式進(jìn)行潮汐模擬。根據(jù)實(shí)際檢測(cè)的天然潮位波形曲線作為模擬的目標(biāo)曲線，利用計(jì)算機(jī)和變頻器之間遠(yuǎn)程通訊，實(shí)時(shí)控制尾門(mén)的開(kāi)啟角度及運(yùn)轉(zhuǎn)速度，控制模型瞬時(shí)進(jìn)出水量，以此達(dá)到模擬潮汐目標(biāo)曲線的目的［1］。

2.1 生潮機(jī)械系統(tǒng)

該機(jī)械系統(tǒng)包括變頻電機(jī)，減速裝置，運(yùn)動(dòng)換向機(jī)構(gòu)和尾門(mén)門(mén)體。機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

尾門(mén)門(mén)體采用5扇單個(gè)門(mén)體并列排列連接形成1個(gè)整門(mén)，以解決30 m長(zhǎng)度的材料變形問(wèn)題，門(mén)體一端安裝鉸鏈與底座固聯(lián)，另一端系住鋼絲繩，由1臺(tái)變頻三相異步電機(jī)牽引。根據(jù)模型生潮速率以及尾門(mén)的轉(zhuǎn)速、靜扭矩，并考慮水流變化時(shí)的動(dòng)壓力及其它外力作用的影響，選取電機(jī)功率。變頻電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)擺線針輪減速機(jī)、一對(duì)直齒圓柱齒輪及絲桿螺母裝置進(jìn)行三級(jí)減速，增大電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。絲桿兩端固定，驅(qū)動(dòng)螺母并固聯(lián)一滑塊裝置在光桿上往復(fù)滑動(dòng)，門(mén)體上所系鋼絲繩通過(guò)滑輪組變換運(yùn)動(dòng)方向后，帶動(dòng)尾門(mén)繞固定軸旋轉(zhuǎn)。鋼絲繩拉動(dòng)門(mén)體克服門(mén)體重力和內(nèi)側(cè)水流的沖擊力及鉸鏈的摩擦力正反方向旋轉(zhuǎn)，模型內(nèi)水位也隨之升降。

圖2 機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 M echanical system structure draw ing

2.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)

2.2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

自控系統(tǒng)由工控機(jī)、變頻器、水位檢測(cè)儀、尾門(mén)開(kāi)度位置反饋、限位裝置等組成（見(jiàn)圖1所示）。工控機(jī)位于中心控制室內(nèi)，變頻器、水位檢測(cè)儀和尾門(mén)位置反饋裝置分布在室外模型上，距離控制室較遠(yuǎn)，所以要解決遠(yuǎn)程通訊。本控制系統(tǒng)應(yīng)用RS485工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)RS485接口形成一種在線的數(shù)字控制方式。模型試驗(yàn)需要實(shí)時(shí)控制變頻電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，采集的水位信號(hào)要自動(dòng)保存在計(jì)算機(jī)中，直接在線的數(shù)字控制成為首選方案。變頻器高效節(jié)能、調(diào)速寬泛、高精度可控運(yùn)行，準(zhǔn)確、可靠和快速的數(shù)據(jù)通信能力是系統(tǒng)信息交換和控制的關(guān)鍵，而且變頻器對(duì)環(huán)境無(wú)不良影響，符合當(dāng)今綠色設(shè)計(jì)的新概念。

尾門(mén)角度傳感器作為自動(dòng)限位裝置，選用高精度導(dǎo)電塑料電位器，當(dāng)門(mén)體運(yùn)動(dòng)時(shí)采集位置所對(duì)應(yīng)的電壓，輸出的模擬信號(hào)以差分輸入方式送至數(shù)據(jù)采集端子板。選用進(jìn)口高速率數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，完成對(duì)尾門(mén)位置模擬信號(hào)的采集。在軟件中設(shè)定限位電壓，一旦工控機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中識(shí)別到該信號(hào)，立即發(fā)出命令傳送給變頻器停止電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

系統(tǒng)控制的全部功能由1臺(tái)工控機(jī)完成，性價(jià)比高。工控機(jī)實(shí)時(shí)比較采集到的水位信號(hào)，與給定目標(biāo)曲線水位值比較，進(jìn)行PID控制后，發(fā)出控制變頻器的頻率（可從5～50 Hz全程可調(diào)）信號(hào)，改變電機(jī)的速率，跟蹤給定的目標(biāo)曲線，同時(shí)把采集到的當(dāng)前水位數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出來(lái)，監(jiān)控模擬生潮的效果。

2.2.2 通訊連接方式和通訊協(xié)議

控制系統(tǒng)選用LG變頻器，配備RS485接口控制方式，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，能適應(yīng)變頻等具有較大電磁輻射干擾的場(chǎng)合。RS485網(wǎng)絡(luò)可拓展能力很強(qiáng)，本系統(tǒng)可擴(kuò)充到16臺(tái)變頻器，128臺(tái)光柵式水位儀。工控機(jī)一般沒(méi)有配備RS485接口，需通過(guò)一個(gè)RS232／485的轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)變頻器硬件與工控機(jī)的連接。

工控機(jī)作為主機(jī)，變頻器作為從機(jī)，每臺(tái)從機(jī)是通信鏈路上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，各自有一個(gè)互不相同的編號(hào)，即站地址。通過(guò)修改變頻器內(nèi)部的參數(shù)資料對(duì)出廠默認(rèn)地址進(jìn)行修改，并可控制變頻器的運(yùn)轉(zhuǎn)及監(jiān)控運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

在變頻器的控制中涉及多種數(shù)據(jù)，如啟停命令、電機(jī)正反轉(zhuǎn)和頻率設(shè)定值等。在串行通訊中，不論數(shù)據(jù)類型如何，它們都有自己固定的格式。通訊是以數(shù)據(jù)幀進(jìn)行傳輸?shù)?，每一幀都由幀頭、站地址、幀格式數(shù)據(jù)塊、幀尾及校驗(yàn)等構(gòu)成。主機(jī)、從機(jī)都必須遵循這種格式來(lái)通訊，通訊協(xié)議包括字符格式、波特率和通訊地址等。通訊波特率可設(shè)定范圍從19 200／9 600／4 800／2 400／1 200 bps選擇，應(yīng)盡可能選擇高的波特率，以縮短串行通信時(shí)間，提高控制精度。本系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)定波特率為9 600 bps。每臺(tái)變頻器的通訊地址必須是唯一的，范圍可設(shè)定為“00”～“15”。變頻器采用查詢、選擇的通訊方式，通常處于等待工控機(jī)選擇和查詢狀態(tài)。

2.2.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

潮汐模擬控制系統(tǒng)的軟件采用Visual C++6.0平臺(tái)開(kāi)發(fā)。適用于windows2000／xp以上系統(tǒng)，界面友好，用戶操作方便。軟件設(shè)計(jì)主要涉及界面設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、控制策略設(shè)計(jì)、通訊設(shè)計(jì)4大部分，軟件流程圖如3所示?？刂撇呗圆捎肞ID智能調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)軟件主界面外觀如圖4所示。

圖中黑色曲線為目標(biāo)曲線，白色曲線為系統(tǒng)模擬生成的曲線，通過(guò)工控機(jī)在線實(shí)時(shí)控制變頻器自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速和換向，跟蹤目標(biāo)曲線。

軟件設(shè)計(jì)規(guī)定串口1用來(lái)與變頻器端口通訊，串口2進(jìn)行與光柵式水位儀端口通訊。

采用Windows MSComm控件進(jìn)行串口編程，VC++為該控件提供了標(biāo)準(zhǔn)的事件處理函數(shù)和過(guò)程，并通過(guò)屬性和方法提供了串行通訊的設(shè)置。但是在線程中實(shí)現(xiàn)通信的應(yīng)用場(chǎng)合，控件使用顯得不足，在這種情況下通過(guò)調(diào)用API函數(shù)來(lái)控制串口。Windows系統(tǒng)封裝了串口機(jī)制，其串行通信設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是comm.drv，可通過(guò)調(diào)用API函數(shù)編程來(lái)控制驅(qū)動(dòng)程序，對(duì)串口進(jìn)行操作。

圖3 控制系統(tǒng)軟件流程Fig.3 Process of control system software

在Win32編程中涉及到API串口編程的有設(shè)備控制DCB結(jié)構(gòu)、超時(shí)控制COMMTIMEOUTS結(jié)構(gòu)以及OVERLAPPED異步I／O重疊結(jié)構(gòu)等。下面以通訊部分為例，給出部分軟件源代碼。

在工程文件中創(chuàng)建2個(gè)類，分別為串口設(shè)置類Comstdlg，串口通訊類CSerialComm。

在Comstdlg類中初始化：m_sPort＝_T（″″）；／／COM1或者COM2；

圖4 控制系統(tǒng)主界面Fig.4 Themain interface of control system

在CserialComm類中聲明串口設(shè)置的響應(yīng)函數(shù)：void CSerialComm：：OnApiSettings（）

｛Comstdlg dlg；if（dlg.DoModal（）＝＝IDOK）｛m_sPort＝dlg.m_sPort；／／設(shè)定打開(kāi)串口號(hào)；m_ nBaud＝atoi（dlg.m_sDataBits）；m_nParity＝dlg.m_ nParity；if（m_bConnected）／／if（！ConfigConnection（））AfxMessageBox（″Can＇t realize the settings！″）；｝｝

在CserialComm類中聲明打開(kāi)串口函數(shù)：BOOL CSerialComm：：OpenConnection（）

｛m_hCom＝CreateFile（m_sPort，GENERIC_READ｜GENERIC_WRITE，0，NULL，OPEN_EXISTING，F(xiàn)ILE _ATTRIBUTE_NORMAL｜FILE_FLAG_OVERLAPPED，NULL）；｝

在CserialComm類中聲明關(guān)閉串口函數(shù)聲明：void CSerialComm：CloseConnection（）｛CloseHandle（m_hCom）；｝

當(dāng)程序結(jié)束時(shí)，應(yīng)該釋放運(yùn)行中占用的資源，關(guān)閉串口。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

以某一天深圳河河口天然水文檢測(cè)成果為依據(jù)作為目標(biāo)曲線。在模型干支流相應(yīng)來(lái)水的條件下，用光柵式水位儀測(cè)量各驗(yàn)證地段的潮水位，模擬一個(gè)完整的潮位過(guò)程周期為1 h。將模擬試驗(yàn)結(jié)果與原形潮水位繪成曲線對(duì)比，如圖5所示。

圖5 模型模擬潮位和天然潮位的對(duì)比Fig.5 Comparison ofmodel tide and natural tide

從模型的驗(yàn)證結(jié)果看，除在高、低潮位附近出現(xiàn)拐點(diǎn)潮位值有所差別，模型潮位過(guò)程與原型水位值吻合較好。在系統(tǒng)調(diào)試與模型驗(yàn)證過(guò)程中，潮汐波曲線的波峰與波谷處不夠光滑的原因，除了水流和潮位變化速率較快外，還與模型的水工結(jié)構(gòu)、供水流量等有關(guān)系。因此，需要反復(fù)調(diào)整有關(guān)控制參數(shù)才能得到較好的模擬效果。

3 流量測(cè)量

深圳河口潮汐模型干、支流進(jìn)口較多且位置分散，共有平原河、沙灣河、梧桐河、布吉河、福田河以及山貝河6個(gè)河口進(jìn)口，不僅給供水系統(tǒng)的布置帶來(lái)很大困難，也給設(shè)備購(gòu)置經(jīng)費(fèi)不足帶來(lái)壓力。為此，我們?cè)谏钲诤涌诔毕Ｐ椭惺状尾捎昧怂砹髁坑?jì)（簡(jiǎn)稱水表）。

水表是一種速度式儀表，具有起動(dòng)流速低，測(cè)量范圍寬，重復(fù)性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作及維修方便等優(yōu)點(diǎn)，而且價(jià)格低廉，具有很好的性價(jià)比。設(shè)備選用三川水表公司生產(chǎn)的一種大口徑遠(yuǎn)傳數(shù)字式智能水表，它由水表流量傳感器和智能二次儀表組成，智能二次儀表是單片微處理器控制的流量積算儀。流量傳感器為機(jī)械旋翼式葉輪結(jié)構(gòu)，其它類型的由于口徑及結(jié)構(gòu)等方面的問(wèn)題沒(méi)有采用（包括性價(jià)比），例如垂直螺翼式的量程范圍更大，但其傳感器水頭損失大，且相同口徑的價(jià)格高出許多。

3.1 水表流量傳感器的特性

水表流量傳感器的特點(diǎn)：采用可拆式機(jī)芯結(jié)構(gòu)，便于維修與更換；葉輪直接驅(qū)動(dòng)計(jì)速器轉(zhuǎn)動(dòng)，始動(dòng)流量低；量程寬，適合流量變化較大的場(chǎng)合；配備霍耳元件遠(yuǎn)傳發(fā)訊計(jì)數(shù)器，信號(hào)靈敏可靠。

基于上述特點(diǎn)并根據(jù)模型各進(jìn)口流量的變化范圍，遵循水表口徑應(yīng)使常用水量在該口徑水表的標(biāo)稱流量和始動(dòng)流量之間的原則，系統(tǒng)選用了口徑?50，?100，?150三種規(guī)格。其測(cè)量最大誤差：①?gòu)陌ㄗ钚×髁吭趦?nèi)至不包括分界流量的低區(qū)中的最大誤差為±5%；②從包括分界流量在內(nèi)至包括過(guò)載流量的高區(qū)中的最大誤差為±2%。

一般河工模型試驗(yàn)要求流量控制在±5%，常用的電磁流量計(jì)的標(biāo)稱誤差為±1%。從水表流量傳感器分界流量至過(guò)載流量的測(cè)量誤差參數(shù)范圍可以看出，±2%的最大誤差雖然比電磁流量計(jì)的標(biāo)稱誤差大，但這個(gè)精度足以滿足試驗(yàn)規(guī)范要求。而且水表常用量程比高達(dá)幾十倍，特別適合流量變化幅度較大的測(cè)量。然而，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)盡量避免或減少過(guò)載流量的測(cè)量頻度，以提高水表的使用壽命；同時(shí)應(yīng)少用或不用最小流量和始動(dòng)流量之間的量程，以減少誤差范圍。

3.2 智能流量積算儀的特性

智能二次儀表型號(hào)為L(zhǎng)NS-D型流量積算儀，采用單片微處理器，對(duì)傳感器脈沖信號(hào)進(jìn)行精確處理與計(jì)算，功耗低，體積小，重量輕。儀表配置了6鍵觸摸鍵盤(pán)，具有LED工作狀態(tài)指示，背光液晶顯示器，數(shù)字顯示當(dāng)前流量、累積總量、預(yù)定量的數(shù)值。顯示主菜單可以進(jìn)行脈沖當(dāng)量設(shè)定、定量輸出設(shè)定、單次清零、密碼修改等功能。

3.3 應(yīng)用效果

水表流量計(jì)的不足之處與渦輪流量計(jì)相似，傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)部分容易被纖維或雜質(zhì)纏繞，但是在流量傳感器前安裝濾水器后，能夠解決這個(gè)問(wèn)題。

相比較于電磁流量計(jì)、渦輪流量計(jì)等高等級(jí)專業(yè)流量計(jì)，水表的價(jià)格非常低廉。作為工業(yè)成熟儀表的擴(kuò)展應(yīng)用，由于水表的量程較寬，深圳河口模型每個(gè)進(jìn)口采用單管測(cè)量控制，減少了儀表和閥門(mén)的數(shù)量以及連接管線，大大降低了整個(gè)流量系統(tǒng)的費(fèi)用。

在模型試驗(yàn)驗(yàn)證中，用斷面流量閉合法驗(yàn)證了水表流量的準(zhǔn)確性，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的試驗(yàn)運(yùn)行表明，智能水表儀表測(cè)量準(zhǔn)確，重復(fù)性好，操作簡(jiǎn)便，滿足試驗(yàn)要求，具有較高的性價(jià)比，取得了較好的應(yīng)用效果［2］。

4 水位和流速測(cè)量

4.1 水位測(cè)量

水位測(cè)量采用GS-4型跟蹤式光柵水位儀，此水位儀的機(jī)械形式采用了LM線性軸承導(dǎo)軌、同步帶傳動(dòng)的滑桿式機(jī)構(gòu)，行走順暢。水位儀測(cè)針探測(cè)式入水，消除水表面張力，減少測(cè)針極化。探測(cè)速度＞1.5 cm／s，測(cè)量精度在0.01 cm之內(nèi)，比較適用于潮汐模型和非恒定流模型測(cè)量。

模型安裝有12臺(tái)水位計(jì)采集水位值，采用RS422串口協(xié)議送入工控機(jī)。測(cè)量水位控制模式能進(jìn)行同步探測(cè)、連續(xù)跟蹤、自檢和復(fù)位，工控機(jī)上多窗口顯示數(shù)據(jù)，能自動(dòng)形成預(yù)定格式的文本文件儲(chǔ)存。

4.2 流速測(cè)量

流速測(cè)量采用LGY-Ⅲ型8線光電式旋漿智能流速儀，其傳感器旋漿結(jié)構(gòu)為通心對(duì)稱型，適合雙向水流流速的測(cè)量。智能流速儀具有自動(dòng)存儲(chǔ)和記憶功能，設(shè)置的K，C，T值能自動(dòng)保存，測(cè)量數(shù)據(jù)可通過(guò)觸摸鍵依次讀出。

光電式旋漿流速采集儀既可自成一測(cè)量體系，也可用多臺(tái)采集儀通過(guò)RS485通信接口與上位監(jiān)控機(jī)連接成更大的測(cè)速系統(tǒng)。本系統(tǒng)設(shè)置3臺(tái)LGY-Ⅲ型流速采集儀，由計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制測(cè)量，多點(diǎn)數(shù)據(jù)在屏幕上實(shí)時(shí)顯示、刷新并自動(dòng)保存。

5 加沙控制

模型進(jìn)口含沙量控制采用水沙分離方式，沙量濃度及粒徑級(jí)配預(yù)先在配沙攪拌池調(diào)配好，加沙系統(tǒng)只控制沙流量的大小，是一個(gè)高濃度水沙流量的比例開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。

加沙系統(tǒng)采用循環(huán)管道加沙設(shè)備（如圖6所示），主要由自動(dòng)攪勻排污泵、循環(huán)管道和閘閥組成，沙量控制根據(jù)水流量大小和含沙量的比例關(guān)系，來(lái)開(kāi)啟循環(huán)管道上的閥門(mén)實(shí)現(xiàn)，見(jiàn)圖7。這種加沙系統(tǒng)還利用了循環(huán)管道的回水沖擊力輔助攪拌，增強(qiáng)了加沙工作池的攪拌作用和防沉淀效果。

圖6 循環(huán)管道加沙工藝系統(tǒng)示意圖Fig.6 Process of circu lating pipe system in sand adding

圖7 循環(huán)管道加沙情形Fig.7 Circu lating pipe in sand adding

系統(tǒng)泥漿泵的選用，引進(jìn)了環(huán)保工業(yè)的更新?lián)Q代產(chǎn)品——自動(dòng)攪勻排污泵，它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在泵底處設(shè)計(jì)一個(gè)引水裝置，該裝置獨(dú)特的葉輪設(shè)計(jì)隨電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，使水泵本身具有把纖維物和雜物切碎和撕裂的功能，并將泵腔中的高壓水引出以旋流速度沖擊攪拌池的底部，使池底的水沙混為一體，最后在引水裝置的周圍進(jìn)入泵腔并隨之排出。由于這種沖擊攪勻作用，使攪拌池中的水沙濃度比較均勻，有利于沙量的濃度控制和循環(huán)管道的防堵能力。

6 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)應(yīng)用于深圳河河口改善及泥沙淤積規(guī)律研究物理模型試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了操作人員在中央控制室運(yùn)行系統(tǒng)軟件進(jìn)行試驗(yàn)過(guò)程的自動(dòng)控制，大大提高了潮汐模型試驗(yàn)的自動(dòng)化程度。經(jīng)過(guò)近3年的運(yùn)行情況表明，系統(tǒng)測(cè)控的精確性、重復(fù)性和穩(wěn)定性都能滿足試驗(yàn)要求。特別是變頻調(diào)速潮汐模擬系統(tǒng)集成度高、控制處理能力強(qiáng)、精確度高，能準(zhǔn)確模擬非恒定流潮汐過(guò)程，也可作為河工、水工、港工模型水位自動(dòng)控制的技術(shù)平臺(tái)，有很強(qiáng)的推廣應(yīng)用價(jià)值。其它儀器與設(shè)備，也都選用了工業(yè)控制和水利科研的最新產(chǎn)品，取得了很好的應(yīng)用效果。

通過(guò)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，使潮汐河工模型試驗(yàn)技術(shù)提高到一個(gè)新的水平，不僅模擬方法有了新的進(jìn)展，量測(cè)控制技術(shù)及其設(shè)備也得到了提升，為潮汐模型試驗(yàn)技術(shù)的深化奠定了基礎(chǔ)。

［1］ 吳新生，林木松，萬(wàn)星星，等.基于變頻調(diào)速的潮汐模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用［C］∥第七屆全國(guó)泥沙基本理論研究學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2008.（WU Xin-sheng，LIN Mu-song，WAN Xing-xing， et al.Design and application of tidal simulation system based on frequency conversion and speed adjustment technology［C］∥The Seventh National Symposium Proceedings on Basic Theoretical Sediment Research.Xi’an：Shanxi Science and Technology Publishing House，2008.（in Chinese））

［2］ 林木松，吳新生，胡小君.智能水表在河工模型的應(yīng)用［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2007，（1）：54-56.（LIN Musong，WU Xin-sheng，HU Xiao-jun.Application of intelligent flow meter in rivermodel test［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2007，（1）：54-56.（in Chinese） ）

（編輯：周曉雁）

Tide Generating w ith Converting Frequency and M easurement Control System for Shenzhen Estuary Tidal M odel

WU Xin-sheng，LIN Mu-song，LIAO Xiao-yong，WAN Xing-xing
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Themeasurement control system of Shenzhen estuary tidalmodel consists of the measurements of water level，velocity and discharge，and sand adding control inmodel，aswell as the tide generating control equipments.For the flow characteristics of Shenzhen estuary tidalmodel，the system device used is of a high-performance tracking ofwater-level grating instrument，an AIoptical rotary pulp water velocitymeter and an AI flow meter，designed circulation pipes in sand adding，aswell as designed and developed the tidal simulation system which is based on frequency conversion and speed adjustment technology.The simulation system used the serial-communication of industrial-controlmachine and converter for the remote control of the trial process，real-time control of the opening angle and running speed of the gate，and，moreover，adopts adjusting instantaneouswater quantity in and outof the model to achieve amore accurate simulation of tidal waves.Themodel experiment practice shows that the control system is of high accuracy，good stability，and can solve the difficulties of variable over-flow wide entrances and accurate simulation of tidal.Through the design and application of this system，themeasurement technique for tidal model test has reached a new level.

Shenzhen estuary；tidal simulation；frequency conversion；measurement control

TV149.3

A

1001-5485（2010）04-0005-06

2009-04-16；

2009-05-13

吳新生（1954-），男，湖北武漢人，高級(jí)工程師，主要從事河工模型量測(cè)儀器研究工作，（電話）027-82926143（電子信箱）wxs5888＠sina.com。