淺談超聲波水位計在水閘工程中的應用

周 杰

（安徽省茨淮新河工程管理局 懷遠 233400）

水位計是最為常見的水位測量方式，常見水位計通常包括電容式、浮子式、壓力式、超聲波式、電子水尺等。不同水位計的功能特點存在一定差異，超聲波水位計無需直接與液體進行接觸，受干擾因素較少，設備使用和布置無需破壞現(xiàn)有水體結構，整體成本較低，可以在不同復雜環(huán)境下有效使用，由于不存在機械磨損，使用壽命較長，目前得到廣泛應用。

1 超聲波水位計的原理

超聲波水位計依托用速度、時間、距離三者計算公式進行計算，即根據s=vt，且已知超聲波在大氣環(huán)境中的傳播速度v 為固定，因此僅需獲知t，即可計算得s，此處的時間t 為該水位計發(fā)出信號至獲得信號之間的時間差，而次數的距離s 可以表示水位計至被測對象間的雙向距離。由此可見，發(fā)送信號至獲得信號之間的時間屬于雙倍距離時間，因此實際被測距離計算公式應為：s=vt/2。同時超聲波傳感器和液體容器底部的對應距離是固定的（可用H表示），因此計算公式為h=H-s。

超聲波水位計普遍以二線制、三線制或四線制為基礎，其中在二線制產品中，供電和信號共用一個輸出，屬于典型的無源測量傳感器；在三線制產品中，供電和信號均保持獨立輸出，在使用直流24V 進行供電時，可配置一根三芯電纜線，此時供電負端與信號輸出負端可以同時使用一根芯線；在四線制產品中，使用交流220V 或直流24V 供電時，需確保供電和信號輸出之間保持完全獨立，此時應配置一根四芯電纜線。

2 超聲波水位計在水閘工程中的應用

2.1 超聲波水位計在水閘工程中的安裝

水閘工程項目在設計時，需考慮如何完成超聲波水位計布置，通常并不將超聲波水位計布置在閘門周邊，這是由于在閘門啟閉過程中，附近流水波動較為明顯，容易導致測量結果出現(xiàn)偏差。通常超聲波水位計需安裝于水流波動較小、無漂浮物、無傳播靠近的水勢相對平緩的位置。在實際安裝時，需結合水位計自身量程范圍，規(guī)避測量距離超限的情況；接線時需選擇密封接線盒，并確保盒子水密性，避免由于水體侵入而出現(xiàn)短路。此外也需考慮工程對應的設計警戒水位位置，避免由于水體過高導致設備浸泡后失效。

2.2 超聲波水位計的主要輸出形式

水閘水位數據系統(tǒng)近年來受到社會各界關注，在智能化、高效化的控制模式下大幅提升工作效率，其數據采集組件包括傳感器、數據轉換器、后臺處理設備等。按照環(huán)境差異，可安裝布置適合的水位計。不同水位計的原理并不一致，但對應輸出信號一般包括下述三種：

2.2.1 開關量信號該類信號能夠對接控制回路，根據水位變化完成對電路的控制。

2.2.2 模擬量信號

該類信號能夠可以實現(xiàn)模數轉換，一般可以直接對接PLC 模擬量模塊。在二線制模式下的接線途徑如圖1所示。

圖1 二線制接線方式圖

模擬量模塊能夠設定具體的模擬量輸入范圍，具體規(guī)格包括0～10V，4～20mA 等，在獲得數據信息采集之后，將電流相關數值轉變?yōu)閷臄底至浚缒衬K將其對應為6400～32000，程序內部標度變換數值為0～10m，即在實際測量中，4mA 的相應數字量和物理量分比為6400 和0m，而20mA 的相應數字量和物理量為32000 和10m。此過程與函數公式Y=KX+b 存在相通性，即Y 表示水位值，X 表示輸入值，具體轉換如圖2所示，其中I＿DI 模塊和DI＿R 模塊分別意為整數轉變成雙整數和雙整數轉變成實數，且在運算過程中，SUB＿R、MUL＿R和DIV＿R 分別代指減法、乘法和除法。

圖2 設備原始值與計算值轉換過程圖

2.2.3 485 信號

485 信號能夠對接PLC 串口端或電腦通訊端，從而實現(xiàn)數據轉換功能。PLC 能夠和設備通訊口之間實現(xiàn)引腳匹配，PLC 編程步驟如下：首先進行端口初始化，隨后反饋讀數，接著進入適當延時和讀端口返回數據環(huán)節(jié)，此時若需進行確認，則可反饋確認命令，最后開始發(fā)下一輪命令，從而實現(xiàn)讀數循環(huán)。如西門子200 對內部程序塊作出調用：在程序編輯時，基于SM0.1 完成初始化，基于SM0.0 制定對應參數。參數說明可以在子程序對應的局部變量表中實現(xiàn)（如圖3）。

圖3內容對應的參數意義如下所示：

圖3 內部程序調用圖

Mode 代指模式選擇：啟停MODBUS，其中1 表示啟動，0 表示停止；在Port0 處于從站協(xié)議通訊狀態(tài)時，不得用于其他目的。MBUS_INIT 指令可用于Port0 控制，設置其處于從站協(xié)議通訊狀態(tài)或PPI 狀態(tài)。

Addr 代指從站地址：表示MODBUS 對應的從站地址，取值范圍為1～247。

Baud 代指波特率：可選數值包括1200，2400，4800，9600，19200，38400，57600；Parity 表示奇偶校驗，其中0 表示為“無校驗”，1 表示為“奇校驗”，2 表示為“偶校驗”。

Delay（延時）：能夠反映出附加字符之間的延時情況，其中缺省值數值為0。

MaxIQ 代指最大I/Q 位：表示在通訊環(huán)節(jié)中的最高I/O 點數。

MaxAI 代指最大AI 字數：表示在通訊環(huán)節(jié)中的最大AI 通道數，通常數值為16 或32。

MaxHold 代指最大保持寄存器區(qū)：表示在通訊過程中的V 存儲區(qū)字（VW）。

HoldSt 代指保持寄存器區(qū)起始地址，通常可通過&VBx 指定。

Done 和Error 分別代指初始化完成標志和初始化錯誤代碼。

MODBUS 表示執(zhí)行，其中在通訊中設定為1。

3 超聲波水位計應用實例

荊山湖退洪閘工程位于懷遠縣荊山湖行洪區(qū)下口門上游300m 處，大（2）型水閘，主要建筑物2 級、次要建筑物3 級，按Ⅶ度地震設防。閘底板高程17.0m，開敞式水閘，共30 孔，單孔凈寬為10m，閘室總寬度為340.6m。因原淮河側水下淤泥較多，所以造成淮河側水文站連接管道經常淤堵，原水文站使用的浮子式水位計使用效果不佳。

荊山湖退洪閘2018年對淮河側水文站水文設施改造項目，該項目屬于典型的自動化系統(tǒng)改造項目，軟硬件性能直接關乎水閘自動化系統(tǒng)運行安全性，浮子式水位計需要設置圍堰，造工成本過大；水域內淤泥較多，壓力式水位計使用效果不佳。綜合考慮水域水流、水閘作用等情況，該項目選用超聲波水位計對水位進行檢測。項目已運行幾年，系統(tǒng)長期保持可靠性和穩(wěn)定性，超聲波水位計在此過程中發(fā)揮重要作用。

4 結語

水利工程規(guī)范化建設與管理，能夠進一步提高水閘工程質量，可以為系統(tǒng)自動化采集數據帶來幫助，也可以充分發(fā)揮自動化系統(tǒng)高效化、智能化的優(yōu)勢。超聲波水位計運用能夠提高水閘管理效率、降低水閘管理成本，有效保障水閘工程的可靠運行■