壓力傳感器在模擬降雨系統中的應用

張慧玲

（西安航空職業技術學院 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西峰治理監督局與西安理工大學自動化與信息工程學院、水利水電學院合作研究項目：模擬降雨自動調節控制系統的研究。為了給水土保濕、雨水集蓄工程及田間試驗提供科學依據，定量的評價降雨條件下土壤水分狀況以及入滲產流關系，使用人工模擬降雨系統，可以克服常用的野外徑流小區進行定位觀測耗時費力的缺點，縮短試驗周期，加速雨水入滲規律及土壤侵蝕規律研究的進程[1]。

1 工藝簡介

整個模擬降雨系統由3大部分組成，分布采用上、下二級結構，分別為上級用上位機IPC部分，下級用下位機可編程控制器PCC單元[2]和現場控制機構[3]，重點介紹壓力傳感器在現場控制系統中的應用。

2 系統功能分析

1）可以根據需要，設定壓力值，系統利用壓力傳感器和變頻器組成的自動調速控制系統，進行自動調節電機轉速，實現恒壓供水，系統的響應速度快，穩定性好[3]；

2）系統設有手動、自動控制兩種模式：在手動方式下，由操作人員根據壓力表顯示的情況，進行手動啟動；在自動方式下，利用壓力傳感器和變頻器組成的自動調速控制系統，完全根據壓力設定值進行雨量大小調節。

按照試驗要求，本系統技術參數如下：

1）模擬降雨系統的均勻度指標大于0.85（一般都大于0.8）。

2）降雨量可調范圍30～240 mm/h，要求在不同時間段內，降雨量大小可通過閉環控制系統自動調節和手動調節兩種方法實現。

3 控制系統設計

3.1 現場控制系統設計構思

該模擬降雨系統在供水過程中，流量、壓力等參數根據實驗要求，常隨不同時段對雨量的要求不同需要調節。以前，由于技術水平的限制，沒有一種合適的調速方法，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，往往會出現很多意想不到的問題而達不到工程要求。

近年來，隨著檢測技術的迅速發展，壓力傳感器[4]在供水系統中得到了廣泛應用，由于在供水控制系統中，流量是供水系統的基本對象。但流量的測量比較復雜，考慮到在動態情況下，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：

如果供水能力QG大于噴頭出水量QU時，則壓力p增大；反之則壓力p減小；如果供水能力QG等于噴頭出水量QU時，則壓力p不變，即恒壓供水。總之，只要能保持供水系統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到的最終目的[5]。當水泵供水量恒定時，管道所受壓力p與噴頭出水量QU之間的關系用圖1所示曲線表示。

圖1 管道壓力與噴頭出水量之間的關系Fig.1 Relationship between pipe pressure and sprinkle-nozzle outlet water

為了達到恒壓供水的控制目的，該系統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送至變頻器的反饋信號輸入端VPF（電壓信號），組成閉環控制系統，并通過變頻器的輸出信號控制水泵電機的轉速調節供水量，來改變雨量大小[5]。恒壓供水系統結構框圖如圖2所示。

圖2 恒壓供水系統結構框圖Fig.2 Structure diagram of constant voltage water supply

3.2 現場控制系統設計

通過對雨強大小的分析可知，決定雨強大小的因素有噴頭打開的組數、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，雨強的大小則取決于噴頭打開的情況，所有噴頭全部打開時，則雨強最大；打開噴頭數目減小時，則雨強減小。在該降雨系統中，根據對不同區域、不同時間段內對不同雨強大小的要求，系統采用了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現不同出水量的調節[3]。3種不同孔徑大小的噴頭由小到大分別用1、2、3表示。每個噴頭組下均帶有4個相同的噴頭，每一組由一個電磁閥控制，雨強的大小則由打開各噴頭組上電磁閥的組合決定。通過對3種型號噴頭打開的不同組合，可產生7種不同的雨強大小，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

設計中重點解決了3個問題：

1）解決設定值ur的大小和雨強大小之間的對應關系；

2）解決決定雨強大小的電磁調節閥的開度與控制系統中的執行機構送出信號之間的關系；

3）解決由手動調節向自動調節切換時控制信號的匹配問題。

具體解決辦法：

為了實現恒壓力供水的目的[5]，系統采用閉環控制，同時考慮系統的安全性，附加開環控制，作為備用。當雨強大小要求變化時，可通過上位機從界面上選擇不同支路上的電磁閥對不同噴頭進行組合，保證噴頭能夠正常噴水，必須同時改變電磁調節閥的開度，當雨強增大時，則電磁調節閥的開度增大；當雨強減小，則電磁調節閥的開度減小，這時水管壓力會隨之跟著變化。水管壓力的變化通過傳感器實際檢測，將檢測到的信號uf送變頻器與雨強大小的設定值進行ur比較處理，比較處理的結果調節水泵電機的轉速改變出水量，從而調節雨強大小。雨強大小的設定值ur可根據實際需要隨時改變。

該控制系統結構如圖3所示，由壓力傳感器和變頻器組成的變頻調速控制系統。以實現在線控制電機轉速來調節水泵出水量。系統主要由變速水泵、電機、變頻器（含PID調節器）、壓力傳感器、管網等構成了閉環系統實現。調節手段采用管網最不利的恒壓控制。

圖3 控制系統結構框圖Fig.3 Structure diagram of control system

3.3 系統設備選型

根據實體模型建設和試驗研究的需要，系統所需變頻器選擇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；電機選用15 kW的電機，水泵揚程在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 結束語

試驗測試結果表明，該系統通過壓力傳感器對管道內壓力變化檢測，經轉換環節構成的閉環系統可實現自動調節水泵出水量，以滿足實驗所需降雨量的大小要求，從而實現了進行土壤侵蝕科學研究的重要實驗手段，其特點克服了徑流小區進行定位觀測耗時費力的缺點，縮短試驗周期，加速雨水入滲規律和土壤侵蝕規律的研究進程，對水土保持以及水資源科學利用具有相當重要的意義。

[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]田少強.水輪機調速器的控制軟件在PCC上的實現[D].南京：河海大學，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用[J].輻射防護，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.

[4]金發慶.傳感器技術與應用[M].北京：機械工業出版社，2004： 128－132.

[5]王金航.水幕控冷過程中供水系統的進化建模與控制研究[D].北京：北京工業大學，2002：70.

[6]石秋潔，變頻器應用基礎 [M].北京：機械工業出版社，2003：49－110.