AFS型吊箱式纜道自動(dòng)化測(cè)流系統(tǒng)的研究與應(yīng)用pptx.ppt

畢業(yè)論文答辯 AFS型吊箱式纜道自動(dòng)化測(cè)流系統(tǒng)的研究與應(yīng)用 學(xué)生姓名 楊紅星指導(dǎo)老師 武利生 研究背景 河流流量的測(cè)量對(duì)于水情監(jiān)測(cè)和防洪防汛來(lái)說(shuō)是一份極其重要的工作選題來(lái)源于黃河水利委員會(huì)吳堡水文站大跨度吊箱纜道改造項(xiàng)目 目前我國(guó)水文站廣泛采用的纜道測(cè)流設(shè)備 許多測(cè)流關(guān)鍵環(huán)節(jié)還主要依托人的參與 測(cè)流效率低 安全性不高 國(guó)內(nèi)外測(cè)流技術(shù)分析 01 02 橋測(cè)法 在橋面或護(hù)欄上安裝起重機(jī) 起重機(jī)攜帶測(cè)驗(yàn)儀器對(duì)河流流量完成巡測(cè)工作 在國(guó)外應(yīng)用比較普遍 美國(guó)USGS有60 以上的監(jiān)測(cè)站采用橋測(cè)設(shè)施進(jìn)行流量的測(cè)驗(yàn)工作 但這種方法必須在有橋梁的地方進(jìn)行 而且實(shí)施成本較高 涉水測(cè)驗(yàn) 通過(guò)手持流速儀直接對(duì)河流流量進(jìn)行測(cè)驗(yàn)簡(jiǎn)單便捷 適用于水深較淺 流量較小的河流 國(guó)內(nèi)外最常用測(cè)驗(yàn)方法是流速面積法 即根據(jù)水面寬度 垂線水深和垂線平均流速來(lái)演算斷面流量 然而受地理因素 社會(huì)環(huán)境等多方面影響 國(guó)內(nèi)外圍繞流速面積法所展開(kāi)的具體施測(cè)方法有所差異 國(guó)內(nèi)外測(cè)流技術(shù)分析 03 04 纜道測(cè)驗(yàn)法 利用跨河索道系統(tǒng)將測(cè)驗(yàn)儀器或測(cè)驗(yàn)人員運(yùn)送到測(cè)驗(yàn)斷面內(nèi)的指定垂線位置和測(cè)點(diǎn)位置 進(jìn)而完成測(cè)流作業(yè) 國(guó)外應(yīng)用較少 美國(guó)USGS僅有6 的測(cè)站具備纜道設(shè)施 技術(shù)并不先進(jìn) 但在我國(guó)是應(yīng)用最廣泛 測(cè)量最有效的一種流量測(cè)驗(yàn)技術(shù) 目前國(guó)內(nèi)有65 以上的水文監(jiān)測(cè)站以纜道為主要的測(cè)流設(shè)施 船測(cè)法 巡測(cè)船開(kāi)到指定的測(cè)驗(yàn)斷面位置 懸吊測(cè)驗(yàn)鉛魚 測(cè)流懸桿等測(cè)驗(yàn)裝置到水面以下完成測(cè)驗(yàn)工作 適用于水面較寬 水深較大的集水區(qū)和庫(kù)區(qū) 國(guó)內(nèi)外最常用測(cè)驗(yàn)方法是流速面積法 即根據(jù)水面寬度 垂線水深和垂線平均流速來(lái)演算斷面流量 然而受地理因素 社會(huì)環(huán)境等多方面影響 國(guó)內(nèi)外圍繞流速面積法所展開(kāi)的具體施測(cè)方法有所差異 水文纜道的兩種主要形式 鉛魚纜道 將鉛魚懸吊在跨河索道下面 測(cè)量?jī)x器安裝在鉛魚上 測(cè)驗(yàn)人員在岸上控制鉛魚的水平或垂直運(yùn)行并進(jìn)行測(cè)驗(yàn)作業(yè) 吊箱纜道 相比于鉛魚纜道 吊箱纜道在作為水文站日常運(yùn)載工具的同時(shí) 又是可擴(kuò)展的綜合測(cè)驗(yàn)平臺(tái) 在我國(guó)的應(yīng)用比重也比較大 尤其是對(duì)于大跨度河流 輕鉛魚入水困難 重鉛魚又嚴(yán)重降低了纜道運(yùn)行的安全性 吊箱纜道是更好的選擇 在黃河上就有50 以上的駐測(cè)站以吊箱纜道為主要的測(cè)流設(shè)施 課題采用的技術(shù)方案 AFS型吊箱式纜道自動(dòng)化測(cè)流系統(tǒng)主要由總控演算中心 起點(diǎn)距測(cè)控系統(tǒng)和測(cè)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)三個(gè)部分組成 三個(gè)子系統(tǒng)之間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口聯(lián)接 如圖所示 吊箱式纜道測(cè)流的基本原理 流量的計(jì)算方法 斷面流量的測(cè)算通常采用流速面積法 即先用部分面積乘以部分面積內(nèi)的平均流速計(jì)算出部分流量 再對(duì)各部分流量求和得到斷面總流量 測(cè)流斷面示意圖 吊箱式纜道測(cè)流的基本原理 1 水文絞車 2 水平測(cè)距輪 3 巡回索 4 水平行車架 5 主索 6 塔架 7 平臺(tái)懸吊索 8 測(cè)驗(yàn)平臺(tái) 9 測(cè)流懸桿 吊箱式纜道測(cè)流的基本原理 工作過(guò)程 1 水文絞車拖動(dòng)巡回索 通過(guò)水平行車架運(yùn)送測(cè)驗(yàn)平臺(tái)到測(cè)驗(yàn)斷面內(nèi)指定的垂線位置 2 由于纜道垂度的原因 測(cè)驗(yàn)平臺(tái)的垂直高度需要隨時(shí)調(diào)整 一般調(diào)整到距水面高度1米左右位置時(shí) 再通過(guò)測(cè)流懸桿進(jìn)行測(cè)深 3 然后通過(guò)測(cè)流懸桿攜帶轉(zhuǎn)子流速儀到指定測(cè)點(diǎn)深度進(jìn)行測(cè)速 4 根據(jù)測(cè)驗(yàn)規(guī)范選取多組垂線位置和測(cè)點(diǎn)位置按如上步驟重復(fù)測(cè)量 最后根據(jù)測(cè)得的河道斷面流速分布情況演算出過(guò)水?dāng)嗝娴目偭髁?吊箱式纜道測(cè)流的基本原理 副索拉偏 由于測(cè)流懸桿進(jìn)入水面以下作業(yè)時(shí) 受水流沖擊影響會(huì)產(chǎn)生偏角 偏角過(guò)大時(shí)則會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)流精度 因此 纜道還設(shè)有副索拉偏裝置 在測(cè)流過(guò)程中 通過(guò)調(diào)節(jié)拉偏索的長(zhǎng)短可將測(cè)驗(yàn)平臺(tái)的偏角控制在允許范圍內(nèi) 1 測(cè)流懸桿 2 測(cè)驗(yàn)平臺(tái) 3 平臺(tái)懸吊索 4 水平行車架 5 拉偏滾輪 6 拉偏索 7 游輪 8 副索 9 主索 10 巡回索 主要執(zhí)行機(jī)構(gòu) 水平巡回機(jī)構(gòu) 由水文絞車驅(qū)動(dòng)巡回輪轉(zhuǎn)動(dòng) 從而帶動(dòng)巡回索的循環(huán)移動(dòng) 拖動(dòng)水平行車架完成水平運(yùn)動(dòng) 在合適位置安裝測(cè)距輪和旋轉(zhuǎn)編碼器 測(cè)算巡回索運(yùn)行長(zhǎng)度即可實(shí)現(xiàn)起點(diǎn)距的位置測(cè)算 1 水文絞車 2 巡回輪 3 測(cè)距輪 4 巡回索 5 水平行車架 6 主索 7 導(dǎo)向滑輪 8 測(cè)驗(yàn)平臺(tái) 主要執(zhí)行機(jī)構(gòu) 吊箱式測(cè)驗(yàn)平臺(tái) 能夠自主完成平臺(tái)的升降 懸桿的升降 拉偏的收放等必要?jiǎng)幼?上面集成了平臺(tái)升降機(jī)構(gòu) 懸桿升降機(jī)構(gòu) 電動(dòng)拉偏機(jī)構(gòu)以及其他輔助機(jī)構(gòu) 實(shí)現(xiàn)了測(cè)流過(guò)程中所有動(dòng)作的電動(dòng)操作 主要執(zhí)行機(jī)構(gòu) 吊箱式測(cè)驗(yàn)平臺(tái) 平臺(tái)升降機(jī)構(gòu) 由平臺(tái)升降電機(jī) 蝸輪蝸桿減速器 平臺(tái)升降卷筒和懸索導(dǎo)向及張緊裝置等部分組成 平臺(tái)升降電機(jī)經(jīng)蝸輪蝸桿減速器減速 驅(qū)動(dòng)平臺(tái)升降卷筒 進(jìn)而完成平臺(tái)的升降懸桿升降機(jī)構(gòu) 由懸桿升降絞車 懸索導(dǎo)向輪和測(cè)距輪 懸桿導(dǎo)向裝置 懸桿及其他附件構(gòu)成 升降卷筒 減速器 電機(jī)設(shè)計(jì)成一體式絞車 由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng) 經(jīng)行星減速器減速 采用失電制動(dòng)器進(jìn)行同步剎車電動(dòng)拉偏絞車 卷筒 減速器 電機(jī)設(shè)計(jì)成一體式絞車 由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng) 經(jīng)行星減速器減速 采用失電制動(dòng)器進(jìn)行同步剎車 控制系統(tǒng) 總體結(jié)構(gòu) 控制系統(tǒng) 起點(diǎn)距測(cè)控系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 測(cè)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)控系統(tǒng) 水下信號(hào)的采集與傳輸 轉(zhuǎn)子流速儀 流速的測(cè)驗(yàn)最常用轉(zhuǎn)子式流速儀 流速儀受到水流沖擊產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng) 并將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào) 單位時(shí)間內(nèi)流速儀輸出的信號(hào)數(shù)直接反映流速的快慢 但由于流速儀要進(jìn)入水面以下進(jìn)行作業(yè) 水下環(huán)境極為復(fù)雜 極易產(chǎn)生各種干擾 給流速信號(hào)的計(jì)數(shù)帶來(lái)困難 水下信號(hào)的采集與傳輸 信號(hào)采集難點(diǎn) 水電阻影響 河水泥沙量經(jīng)常變化 電阻也變化 流速儀會(huì)誤導(dǎo)通流速儀信號(hào)觸發(fā)部分為機(jī)械式 易產(chǎn)生抖動(dòng)流速儀工作過(guò)程常常受到水下環(huán)境干擾 時(shí)常產(chǎn)生抖動(dòng)信號(hào)和尖峰脈沖在高流速水域 接觸時(shí)間過(guò)短 造成信號(hào)數(shù)漏記 少記 低流速水域 接觸時(shí)間過(guò)長(zhǎng) 信號(hào)數(shù)多記 水下信號(hào)的采集與傳輸 水面流速信號(hào)甄別 水下信號(hào)的采集與傳輸 流速信號(hào)消抖 流速儀的抖動(dòng)信號(hào)會(huì)錯(cuò)誤的觸發(fā)PLC計(jì)數(shù) 影響測(cè)流精度 特別是轉(zhuǎn)子流速儀 受制于其機(jī)械式的信號(hào)觸發(fā)裝置 抖動(dòng)信號(hào)的干擾非常明顯 因此流速儀信號(hào)的去抖動(dòng)至關(guān)重要 水下信號(hào)的采集與傳輸 去抖電路時(shí)序圖 水下信號(hào)的采集與傳輸 流速儀信號(hào)的傳輸 流速儀信號(hào)在水面以下產(chǎn)生 懸桿時(shí)常上下運(yùn)動(dòng) 位置不確定 這給信號(hào)的傳遞帶來(lái)極大的不便 通過(guò)有線線纜將采集的流速儀信號(hào)傳遞到測(cè)驗(yàn)平臺(tái)PLC的辦法存在著很多弊端 水下信號(hào)的采集與傳輸 總體電路 水下信號(hào)的采集與傳輸 采集模塊 水下信號(hào)的采集與傳輸 水深的計(jì)算 水下信號(hào)的采集與傳輸 水底信號(hào)的采集 水底信號(hào)是懸桿測(cè)流中最棘手 也是最重要的一個(gè)問(wèn)題 由于河底環(huán)境和水中情況的制約 水底信號(hào)的判斷一直沒(méi)有得到完美的解決 在此設(shè)計(jì)了一種轉(zhuǎn)臂式失重開(kāi)關(guān) 來(lái)檢測(cè)懸桿觸底時(shí)懸吊索的失重情況 通訊系統(tǒng) 通訊方案 通訊采用主 從式結(jié)構(gòu) 工控計(jì)算機(jī)IPC為主站 兩臺(tái)西門子PLC為從站 工控計(jì)算機(jī)定期發(fā)出指令查詢PLC的狀態(tài) PLC接到查詢指令后 將狀態(tài)數(shù)據(jù)返回給主站工控計(jì)算機(jī) 主站計(jì)算機(jī)通過(guò)綜合分析判斷 向PLC發(fā)出控制指令 PLC負(fù)責(zé)執(zhí)行 通訊系統(tǒng) Modbus通訊機(jī)制 Modbus采用主 從方式 主站對(duì)各個(gè)從站進(jìn)行尋址 發(fā)送廣播信息給各從站 從站對(duì)主站發(fā)出的信息進(jìn)行查詢 主站的查詢格式包括機(jī)器的地址 功能碼 發(fā)送數(shù)據(jù)以及校驗(yàn)碼 從站響應(yīng)的信息格式則包括機(jī)器地址 動(dòng)作確認(rèn)碼 返回?cái)?shù)據(jù)及校驗(yàn)碼 從站接收中如果產(chǎn)生錯(cuò)誤或遇到指令無(wú)法正確完成時(shí) 會(huì)返回錯(cuò)誤信息 通訊系統(tǒng) 通訊協(xié)議的定義 在ModbusRTU的數(shù)據(jù)傳輸格式中 具體通訊內(nèi)容的定義 要通過(guò)建立數(shù)據(jù)段與從站保持寄存器地址之間的映射關(guān)系來(lái)完成 為了確?？偪刂行腎PC與兩臺(tái)PLC之間通訊的準(zhǔn)確性 也為了方便主站程序和從站程序的編程 對(duì)IPC與測(cè)驗(yàn)平臺(tái)PLC IPC與起點(diǎn)距PLC之間分別制定了標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議字 RTU數(shù)據(jù)傳輸格式 通訊系統(tǒng) 指令優(yōu)先級(jí) 出于安全性 操作任務(wù)的輕重緩急等方面考慮 將指令劃分為五組優(yōu)先級(jí)別 第一組為停止指令 包括緊急停止以及各運(yùn)行動(dòng)作的停止指令第二組手動(dòng)控制指令 包括平臺(tái)升降 懸桿升降等控制指令第三組為自動(dòng)控制指令 包括平臺(tái)的定位 懸桿的定位等控制指令第四組為值設(shè)定指令 包括測(cè)流歷時(shí)設(shè)定 平臺(tái)和懸桿的當(dāng)前值設(shè)定 極限值設(shè)定等指令第五組為其他輔助指令 云臺(tái)控制 報(bào)警確認(rèn)等 通訊系統(tǒng) 通訊流程 軟件系統(tǒng) 軟件組織結(jié)構(gòu) 軟件系統(tǒng) 起點(diǎn)距PLC程序 起點(diǎn)距PLC程序的主要部分包括Modbus初始化 高速計(jì)數(shù)器初始化 遙控指令轉(zhuǎn)換程序 觸摸屏指令轉(zhuǎn)換程序和起點(diǎn)距控制程序等部分 并配置相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊 軟件系統(tǒng) 測(cè)驗(yàn)平臺(tái)PLC程序 測(cè)驗(yàn)平臺(tái)PLC程序的主要內(nèi)容包括Modbus初始化 高速計(jì)數(shù)器初始化 遙控指令轉(zhuǎn)換程序 觸摸屏指令轉(zhuǎn)換程序和懸桿升降 平臺(tái)升降 拉偏云臺(tái)控制 測(cè)深測(cè)速程序等部分并配置相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊 軟件系統(tǒng) IPC測(cè)流軟件 測(cè)流軟件使用高級(jí)語(yǔ)言C 編程 在Visualstudio2010開(kāi)發(fā)環(huán)境上開(kāi)發(fā) 通過(guò)SQLServer2012Express建立標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)流數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理 測(cè)流軟件的主要部分包括 通訊部分 起點(diǎn)距測(cè)控部分 測(cè)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)控部分 流量演算部分和人機(jī)交互界面 主要研究成果 成果 01 02 03 04 05 在保留常規(guī)載人操作的同時(shí) 實(shí)現(xiàn)了所有測(cè)流環(huán)節(jié)岸上的集中控制以及信號(hào)的自動(dòng)采集與處理 實(shí)現(xiàn)流速信號(hào)與水面信號(hào)的自動(dòng)甄別 并采取了硬件去抖及智能判斷等措施 使傳回到PLC中的流速信號(hào)和水面信號(hào)精準(zhǔn)可靠 新設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)臂式失重開(kāi)關(guān)采集水底信號(hào) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而無(wú)入水部分 信號(hào)穩(wěn)定可靠 測(cè)流懸桿集自動(dòng)測(cè)深 自動(dòng)測(cè)速功能于一體 不僅提高了操作精度 更提高了測(cè)流效率 采用標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口 開(kāi)發(fā)了兩級(jí)控制單元之間的通訊協(xié)議 為主從兩級(jí)之間提供了標(biāo)準(zhǔn)的編程入口 系統(tǒng)可靈活配置 適用性極