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1、,毕业论文答辩,AFS型吊箱式缆道自动化测流 系统的研究与应用,学生姓名：杨红星 指导老师：武利生,研究背景,河流流量的测量对于水情监测和防洪防汛来说是一份极其重要的工作 选题来源于黄河水利委员会吴堡水文站大跨度吊箱缆道改造项目,目前我国水文站广泛采用的缆道测流设备，许多测流关键环节还主要依托人的参与，测流效率低，安全性不高,国内外测流技术分析,01,02,桥测法：在桥面或护栏上安装起重机，起重机携带测验仪器对河流流量完成巡测工作，在国外应用比较普遍，美国USGS有60%以上的监测站采用桥测设施进行流量的测验工作。但这种方法必须在有桥梁的地方进行，而且实施成本较高。,涉水测验：通过手持流速仪直
2、接对河流流量进行测验简单便捷，适用于水深较浅、流量较小的河流。,国内外最常用测验方法是流速面积法，即根据水面宽度、垂线水深和垂线平均流速来演算断面流量。然而受地理因素、社会环境等多方面影响，国内外围绕流速面积法所展开的具体施测方法有所差异。,国内外测流技术分析,03,04,缆道测验法：利用跨河索道系统将测验仪器或测验人员运送到测验断面内的指定垂线位置和测点位置，进而完成测流作业。国外应用较少，美国USGS仅有6%的测站具备缆道设施，技术并不先进。但在我国是应用最广泛、测量最有效的一种流量测验技术，目前国内有65%以上的水文监测站以缆道为主要的测流设施。,船测法：巡测船开到指定的测验断面位置，悬
3、吊测验铅鱼、测流悬杆等测验装置到水面以下完成测验工作，适用于水面较宽、水深较大的集水区和库区。,国内外最常用测验方法是流速面积法，即根据水面宽度、垂线水深和垂线平均流速来演算断面流量。然而受地理因素、社会环境等多方面影响，国内外围绕流速面积法所展开的具体施测方法有所差异。,水文缆道的两种主要形式,铅鱼缆道： 将铅鱼悬吊在跨河索道下面，测量仪器安装在铅鱼上，测验人员在岸上控制铅鱼的水平或垂直运行并进行测验作业。,吊箱缆道： 相比于铅鱼缆道，吊箱缆道在作为水文站日常运载工具的同时，又是可扩展的综合测验平台，在我国的应用比重也比较大，尤其是对于大跨度河流，轻铅鱼入水困难，重铅鱼又严重降低了缆道运行的
4、安全性，吊箱缆道是更好的选择，在黄河上就有50%以上的驻测站以吊箱缆道为主要的测流设施。,课题采用的技术方案,AFS型吊箱式缆道自动化测流系统主要由总控演算中心，起点距测控系统和测验平台测控系统三个部分组成，三个子系统之间通过标准的通讯接口联接，如图所示。,吊箱式缆道测流的基本原理,流量的计算方法,断面流量的测算通常采用流速面积法，即先用部分面积乘以部分面积内的平均流速计算出部分流量，再对各部分流量求和得到断面总流量。,测流断面示意图,吊箱式缆道测流的基本原理,1-水文绞车；2-水平测距轮；3-巡回索；4-水平行车架；5-主索；6-塔架；7-平台悬吊索；8-测验平台；9-测流悬杆,吊箱式缆道测
5、流的基本原理,工作过程,1、水文绞车拖动巡回索，通过水平行车架运送测验平台到测验断面内指定的垂线位置。 2、由于缆道垂度的原因，测验平台的垂直高度需要随时调整，一般调整到距水面高度1米左右位置时，再通过测流悬杆进行测深。 3、然后通过测流悬杆携带转子流速仪到指定测点深度进行测速。 4、根据测验规范选取多组垂线位置和测点位置按如上步骤重复测量，最后根据测得的河道断面流速分布情况演算出过水断面的总流量。,吊箱式缆道测流的基本原理,副索拉偏,由于测流悬杆进入水面以下作业时，受水流冲击影响会产生偏角，偏角过大时则会严重影响测流精度。因此，缆道还设有副索拉偏装置，在测流过程中，通过调节拉偏索的长短可将测
6、验平台的偏角控制在允许范围内。,1-测流悬杆；2-测验平台；3-平台悬吊索；4-水平行车架；5-拉偏滚轮；6-拉偏索；7-游轮；8-副索；9-主索； 10-巡回索,主要执行机构,水平巡回机构,由水文绞车驱动巡回轮转动，从而带动巡回索的循环移动，拖动水平行车架完成水平运动。在合适位置安装测距轮和旋转编码器，测算巡回索运行长度即可实现起点距的位置测算。,1-水文绞车；2-巡回轮；3-测距轮；4-巡回索；5-水平行车架；6-主索；7-导向滑轮; 8-测验平台,主要执行机构,吊箱式测验平台,能够自主完成平台的升降、悬杆的升降、拉偏的收放等必要动作。上面集成了平台升降机构、悬杆升降机构、电动拉偏机构以及
7、其他辅助机构，实现了测流过程中所有动作的电动操作。,主要执行机构,吊箱式测验平台,平台升降机构： 由平台升降电机、蜗轮蜗杆减速器、平台升降卷筒和悬索导向及张紧装置等部分组成。平台升降电机经蜗轮蜗杆减速器减速，驱动平台升降卷筒，进而完成平台的升降悬杆升降机构： 由悬杆升降绞车、悬索导向轮和测距轮、悬杆导向装置、悬杆及其他附件构成，升降卷筒、减速器、电机设计成一体式绞车，由直流电机驱动，经行星减速器减速，采用失电制动器进行同步刹车电动拉偏绞车： 卷筒、减速器、电机设计成一体式绞车，由直流电机驱动，经行星减速器减速，采用失电制动器进行同步刹车,控制系统,总体结构,控制系统,起点距测控系统,控制系统,
8、测验平台测控系统,水下信号的采集与传输,转子流速仪,流速的测验最常用转子式流速仪，流速仪受到水流冲击产生转动，并将转动转换为脉冲信号，单位时间内流速仪输出的信号数直接反映流速的快慢。但由于流速仪要进入水面以下进行作业，水下环境极为复杂，极易产生各种干扰，给流速信号的计数带来困难。,水下信号的采集与传输,信号采集难点,水电阻影响，河水泥沙量经常变化，电阻也变化，流速仪会误导通流速仪信号触发部分为机械式，易产生抖动流速仪工作过程常常受到水下环境干扰，时常产生抖动信号和尖峰脉冲在高流速水域，接触时间过短，造成信号数漏记、少记；低流速水域，接触时间过长，信号数多记。,水下信号的采集与传输,水面流速信号
9、甄别,水下信号的采集与传输,流速信号消抖,流速仪的抖动信号会错误的触发PLC计数，影响测流精度。特别是转子流速仪，受制于其机械式的信号触发装置，抖动信号的干扰非常明显，因此流速仪信号的去抖动至关重要。,水下信号的采集与传输,去抖电路时序图,水下信号的采集与传输,流速仪信号的传输,流速仪信号在水面以下产生，悬杆时常上下运动，位置不确定，这给信号的传递带来极大的不便，通过有线线缆将采集的流速仪信号传递到测验平台PLC的办法存在着很多弊端。,水下信号的采集与传输,总体电路,水下信号的采集与传输,采集模块,水下信号的采集与传输,水深的计算,水下信号的采集与传输,水底信号的采集,水底信号是悬杆测流中最棘
10、手，也是最重要的一个问题。由于河底环境和水中情况的制约，水底信号的判断一直没有得到完美的解决。在此设计了一种转臂式失重开关，来检测悬杆触底时悬吊索的失重情况。,通讯系统,通讯方案,通讯采用主-从式结构，工控计算机IPC为主站，两台西门子PLC为从站。工控计算机定期发出指令查询PLC的状态，PLC接到查询指令后，将状态数据返回给主站工控计算机，主站计算机通过综合分析判断，向PLC发出控制指令，PLC负责执行。,通讯系统,Modbus通讯机制,Modbus采用主-从方式，主站对各个从站进行寻址，发送广播信息给各从站，从站对主站发出的信息进行查询。主站的查询格式包括机器的地址，功能码，发送数据以及校
11、验码；从站响应的信息格式则包括机器地址，动作确认码，返回数据及校验码，从站接收中如果产生错误或遇到指令无法正确完成时，会返回错误信息。,通讯系统,通讯协议的定义,在Modbus RTU的数据传输格式中，具体通讯内容的定义，要通过建立数据段与从站保持寄存器地址之间的映射关系来完成。为了确保总控中心IPC与两台PLC之间通讯的准确性，也为了方便主站程序和从站程序的编程，对IPC与测验平台PLC、IPC与起点距PLC之间分别制定了标准的通讯协议字。,RTU数据传输格式,通讯系统,指令优先级,出于安全性、操作任务的轻重缓急等方面考虑，将指令划分为五组优先级别： 第一组为停止指令:包括紧急停止以及各运行
12、动作的停止指令 第二组手动控制指令:包括平台升降、悬杆升降等控制指令 第三组为自动控制指令:包括平台的定位、悬杆的定位等控制指令 第四组为值设定指令:包括测流历时设定、平台和悬杆的当前值设定、极限值设定等指令 第五组为其他辅助指令:云台控制、报警确认等,通讯系统,通讯流程,软件系统,软件组织结构,软件系统,起点距PLC程序,起点距PLC程序的主要部分包括Modbus初始化、高速计数器初始化、遥控指令转换程序、触摸屏指令转换程序和起点距控制程序等部分，并配置相应的数据块,软件系统,测验平台PLC程序,测验平台PLC程序的主要内容包括Modbus初始化，高速计数器初始化，遥控指令转换程序，触摸屏指
13、令转换程序和悬杆升降、平台升降、拉偏云台控制、测深测速程序等部分并配置相应的数据块,软件系统,IPC测流软件,测流软件使用高级语言C#编程，在Visual studio 2010开发环境上开发，通过SQL Server 2012 Express建立标准的数据模型实现对测流数据的存储与管理，测流软件的主要部分包括：通讯部分、起点距测控部分、测验平台测控部分、流量演算部分和人机交互界面。,主要研究成果,成果,01,02,03,04,05,在保留常规载人操作的同时，实现了所有测流环节岸上的集中控制以及信号的自动采集与处理。,实现流速信号与水面信号的自动甄别，并采取了硬件去抖及智能判断等措施，使传回到
14、PLC中的流速信号和水面信号精准可靠。,新设计的转臂式失重开关采集水底信号，结构简单而无入水部分，信号稳定可靠,测流悬杆集自动测深、自动测速功能于一体，不仅提高了操作精度，更提高了测流效率,采用标准的串行通信接口，开发了两级控制单元之间的通讯协议，为主从两级之间提供了标准的编程入口，系统可灵活配置，适用性极强，便于在各个水文站推广使用。,成果展示,自动式测验平台,控制室总控演算中心,测流软件用户操作界面,现场 触摸屏,测流实况,实测流量报表,实测流量报表,展望, 展望一 ,水边确认、垂线设置等内容实现自动化，彻底排人工干预, 展望二 ,悬杆能集成自动采样取沙功能, 展望三 ,提高信息的时效性，把流量数据通过互联网实时的共享给水利信息监测部门,AFS型吊箱式缆道自动化测流系统 的研究与应用,恳请各位老师批评指正！,汇 报 人：杨红星 导 师：武利生,
