基于PLC和變頻器的鉆孔注水試驗自動控制系統

張以文，許文龍，王艷君

（1.水發規劃設計有限公司，濟南 250000；2.山東交通學院 信息科學與電氣工程學院（人工智能學院），濟南 250357）

在水文地質勘察的過程中，為了獲取水文地質參數，在水位埋深較大的干旱地區，常會采用注水試驗[1]。在水文地質勘察工作中，注水試驗占據非常重要的位置，關系到水文信息能否得到準確的判定。滲透系數的準確測定對堤壩和土壩的設計和安全評價有著非常重要的意義[2]。傳統的采用量筒、秒表、米尺等的鉆孔注水試驗的人工操作方式效率低、誤差高、試驗周期長，已經不能很好地滿足當前水文地質勘察鉆孔注水試驗的要求，并且常常受到水泵注水流量的限制，導致鉆孔中的水面波動較大，進一步導致試驗結果不準，甚至失敗。目前PLC 和變頻器應用非常廣泛，但在地質領域特別是在水文地質勘察領域中的應用卻非常少[3]。PLC 控制器和變頻器的配合使用可以實現相關設備運行速度的精確控制[4]。本文將PLC 和變頻器應用于水文地質勘察的鉆孔注水試驗中來實現試驗過程的自動控制，控制精度高，試驗周期短，并可以有效節省勞動力資源和有效減小鉆孔中水面的波動，使試驗成功率大大提高。

1 水文地質勘察鉆孔注水試驗概述

鉆孔注水試驗是野外測定巖土層滲透性的一種簡易方法，通常用于地下水埋藏較深而不便于進行抽水試驗的巖土層中[5]。鉆孔注水試驗根據試驗方法以及適用土層的不同分為鉆孔常水頭注水試驗和鉆孔降水頭注水試驗[6]。鉆孔常水頭注水試驗是通過鉆孔向孔內連續定量注水，使孔內水位保持一定，從而得到水位與注水量的函數關系來確定巖土層的滲透系數。而鉆孔降水頭注水試驗只需向鉆孔內注一次清水，抬高水頭至一定高度，記錄水位與時間的關系[7]。同時，鉆孔常水頭注水試驗，試驗前需要先進行地下水位觀測，測穩定液位，試驗開始后的流量觀測要求開始需進行5 次流量觀測，時間間隔分別為5 min，以后每隔20 min 觀測1 次，需至少觀測6 次，當連續2 次觀測的注入流量之差不大于最后一次注入流量的10%時，即可結束試驗，取最后一次注入流量作為滲透系數的計算值[6]。可見，鉆孔常水頭注水試驗需分時對液位進行觀測，并對流量進行觀測和控制，如果采用傳統的人工操作方式，費時費力、誤差高、精度低。因此，本論文的鉆孔注水試驗自動控制系統主要針對鉆孔常水頭注水試驗進行分析研究。

2 總體控制方案設計

本鉆孔注水試驗自動控制系統是由數據采集模塊、處理分析模塊、自動執行模塊以及實時監控模塊組成。其中數據采集模塊是由液位傳感器和流量傳感器組成，定時采集鉆孔中的實時液位和注水流量數據信息，并將采集到的實時數據信息傳送給PLC 控制器。處理分析模塊是由西門子S7-1200 系列PLC 模塊編程實現對液位和流量等實時數據信息的分析處理。自動執行模塊主要是由西門子MM420 變頻器和注水水泵組成，實現根據實時液位與目標液位的差值，由變頻器控制水泵的注水速度，從而改變注水流量實現鉆孔中液位恒定。最后，實時監控模塊是由西門子觸摸屏TP1200 實現人機交互及實時數據信息監控，觸摸屏和PLC 控制器之間通過PROFINET 通訊進行數據交換。

3 控制系統硬件設計

3.1 PLC 控制硬件設計

本系統是以西門子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轉速度控制的自動控制系統，最終實現自動根據注水試驗規程要求的時間間隔進行液位和流量的觀測，并根據每次觀測液位與目標液位的差值來改變注水流量，保證液位恒定。由于實際的工作環境和工程技術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 的模擬量信號分別通過屏蔽電纜接入模擬量輸入模塊SM1231，從而實現液位和流量的實時自動觀測。西門子PLC 作為核心控制器，具有結構緊湊、硬件擴展靈活、通訊功能強等優點，已在許多領域得到了廣泛應用。通過編程實現將實時采集到的液位值與觸摸屏設定的液位值進行比較，通過分析處理后的結果來控制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，實現實時控制變頻器的輸出頻率，從而控制水泵的轉速，實現自動控制注水流量，最終實現鉆孔中的液位恒定。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 變頻調速控制硬件設計

變頻器是一種電力控制設備，是將交流電轉變為直流電，再轉換為不同頻率的交流電從而實現平滑調速[8]。MM420 變頻器是西門子MM4 系列中的一種通用型變頻器，功能強大，應用廣泛[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 個部分組成，對于MM420 變頻器的控制主要是采用操作面板或外部端子進行控制的[10]。本自動控制系統通過操作面板參數設定并結合外部端子接線對水泵的運行速度進行控制。采用面板操作模式控制電動機運行，其核心在于通過操作面板對變頻器內部參數進行修改[11]。本設計主要是對水泵的銘牌參數、加減速時間、命令源選擇以及數字輸入端功能等通過操作面板進行手動輸入設置。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KA1，自動KA2 和故障復位KA3 三個繼電器信號分別接入變頻器的數字量輸入端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]，從而實現了PLC 控制器和變頻器之間的數據交換，來實時改變變頻器的輸出頻率，從而控制水泵電機的轉速，實現鉆孔中液位和注水流量的自動控制，并可以通過調整加減速時間來有效減小鉆孔中水面的波動。

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

4 控制系統軟件設計

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，其功能非常強大、編程十分靈活，已在現代工業自動化控制系統中得到廣泛的應用[13]。本鉆孔注水試驗自動控制系統的程序設計采用西門子博圖軟件TIA Portal V15 進行具體編制，編程語言采用梯形圖，根據注水試驗規程里要求的鉆孔注水試驗步驟來編寫本控制系統的總體控制流程，如圖3 所示。本控制系統根據水文地質勘察領域中具體工程應用的實際需要設置2 種控制方式，手動控制方式和自動控制方式。其中，手動控制方式主要用于鉆孔注水試驗剛開始時的初級調試階段，實現手動控制水泵的注水速度來根據試驗的實際需要實現初始水頭值。自動控制方式實現觸摸屏設置目標液位值，根據注水試驗的時間間隔要求，定時實現鉆孔中液位、注水流量的自動觀測、控制、實時數據的顯示和存儲，并根據實時液位與觸摸屏設定的目標液位的比較，自動進行水泵注水流量的控制。最后，自動根據注水試驗規程中要求鉆孔注水試驗結束的條件來判斷是否可以結束試驗，并自動進行數據的存儲等。

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

5 控制系統實踐應用

本鉆孔注水試驗自動控制系統已在煙臺義和莊北夼水庫除險加固工程中得到了具體應用，北夼水庫位于昆崳山保護區昆崳鎮義和莊村東北約950 m處黃壘河支流上，是一座集防洪、農業灌溉、養殖等綜合運用于一體的水庫。此次的除險加固工程為查明壩體的滲透性，在現場進行了鉆孔注水試驗。在鉆孔注水試驗的實施過程中具體應用了本鉆孔注水試驗自動控制系統，將投入式液位傳感器安裝在鉆孔的底部，用于測量鉆孔中的實時液位數據信息。并將電磁流量傳感器固定于注水管上，實現注水流量數據信息的采集。在鉆孔附近設置一個小型的琴式控制臺，用于實現控制器件的安裝以及具體人機交互功能的實現。琴式控制臺上面鑲嵌一個觸摸屏實現人機交互，并設置啟動、停止、自動和手動等實體按鈕，也可以根據試驗控制的需要，自行添加控制按鈕、指示燈等完善控制的整個過程。琴式控制臺里面安裝有S7-1200 PLC 控制器、PLC 相關模擬量模塊SM1231、控制相關的繼電器、變頻器MM420等，實現具體控制和數據的分析處理。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。本鉆孔注水試驗一開始，先采用手動控制來控制水泵注水速度實現初始水頭值，然后在觸摸屏設置目標液位值后，本系統將自動進行5 次流量觀測，每次觀測的時間間隔為5 min，以后每隔20 min 觀測1 次，需至少觀測6 次，PLC 控制器可自動保存和分析得到的實時數據信息并能自動調整觀測次數和判別是否可結束試驗。具體應用本自動控制系統的現場注水試驗成果如表1 所示。

表1 煙臺義和莊北夼水庫除險加固工程注水試驗記錄表Tab.1 Record of water injection test for danger removal and reinforcement project of Beikuang reservoir in Yihezhuang，Yantai

通過對煙臺義和莊北夼水庫除險加固工程中的上述ZK2，ZK3，ZK4 三個鉆孔不同試段位置進行注水試驗，實踐結果表明該自動控制系統運行穩定、故障率低，可以準確檢測鉆孔中的液位和注水流量信息，較傳統落后的人工測量方式，精度大大提高。并能根據注水試驗規程的要求對鉆孔中的液位和水泵的注水流量進行實時自動的觀測和控制。同時由于變頻器對注水流量的實時變頻控制，使整個試驗過程鉆孔中水面波動較小，有效地提高了試驗精度和試驗的成功率、縮短了試驗周期，可以很好地滿足鉆孔注水試驗的要求。

6 結語

水文地質勘察的注水試驗過程中，影響試驗精度和成功率的重要因素是測量精度和水面波動，由于人工測量誤差大以及水面波動大導致試驗周期長甚至失敗的案例數不勝數。將PLC 和變頻器應用于水文地質勘察鉆孔注水試驗，可以實現鉆孔注水試驗過程的自動控制，控制精度高，有效地減小了水面波動，大大提高了試驗效率和成功率，在有效節約勞動力資源的前提下，為水文地質勘察提供了有力保證。最終實現了自動方式和手動方式并存的自動控制系統，具有很好的工程應用價值。