水位监测系统（精选9篇）
水位监测系统 篇1
0 引 言
为了及时掌握地下水位变化情况,实现地下水资源的合理开发利用,近些年来地下水位远程监控技术得到了不断的发展,但是由于终端设备价格高,野外环境恶劣,供电可靠性差,监测系统运行速度慢,设备上线率低,工程量和施工难度大,后期维护费用高等原因,地下水远程监控系统未能得到广泛的应用[1]。
本文设计了一种基于GPRS网络通信的地下水位远程监控系统,对水位数据进行采集、存储,并在监控终端和中心之间实现了多点的数据实时传输,解决野外监测设备供电可靠性差,设备上线率低等问题。
1 地下水位监测系统总体设计
整个系统的设计包括水位监测终端的设计、通信协议处理、GPRS终端与监控中心的互联、监控中心的网络接入与软件设置,如图1所示。
地下水位监测系统通过GPRS无线网络,将分布在不同地区的水位监测终端、监控中心服务器和用户联系起来,实时地获取水位监测终端所采集到的水位数据,用户可以对监测地点的水位历史数据进行查询、统计和分析[2]。
2 组网方式和通信协议
本系统采用分布式的网络结构,监控中心申请专线服务接入Internet,IP绑定,具有一定的带宽,监测终端能够比较容易的连接到监控中心。为保证连接的可靠性和数据传输的准确性,在监测终端和监控中心之间采用TCP协议[3],并且终端和监控中心之间制定各自的通信协议,通过误码/超时重传等方式,确保数据的安全准确。
3 水位监测终端设计
3.1 水位监测终端的硬件设计
监测终端主要由传感器和采集传输通信部分组成,硬件结构图如图2所示。液位传感器选用投入式压力硅传感器,输出4~20 mA电流,更易于远距离传输。数据处理器选用ATmega128L微控制器,具有丰富的外围资源、极低的功耗、较大的SRAM和片内FLASH[4]。GPRS模块选用SIM300,内嵌强大的TCP/IP协议栈,支持透传模式,工作温度为-20~+55 ℃,能适应较恶劣的工作环境[5]。
3.2 水位监测终端的软件设计
监测终端实现以下几个功能:键盘设置监测终端的参数并存储,包括埋深、量程、手机号等;水位数据的采集和发送,实现一个月的水位数据的存储;与监测中心保持时钟同步。
ATmega128通过UART与GPRS模块连接,控制GPRS的初始化、建立TCP连接以及数据传输,在建立透传模式后,GPRS模块接收到监控中心数据后,原封不动地发送给单片机,单片机通过串口中断接收数据、解析指令然后响应指令[6],主程序流程图如图3所示。
4 监测终端可靠性设计
使用GPRS网络作为通信网络方案,供电和通信可靠性差是水位监测项目难以广泛实施的重要原因。
4.1 供电可靠性设计
监测终端多安装于农田和野外水井房内,电源现状比较复杂:农村电源多为三相四线或五线制交流电,且不稳定;在部分地区交流电接入困难,或者在野外废弃井房内无法接入交流电;在不灌溉的时间,部分地区井房内断电现象严重;山区地形复杂,很多地区日照不足。因此单一的依靠交流电或者太阳能蓄电池都是不可靠的。针对设备供电困难的问题,电源设计部分采用了交流电和太阳能电池互补的方案。供电方式结构图如图4所示。
(1) 监测终端的主电源采用交流电,经开关电源转换为12 V后进行供电。
(2) 备用电源使用12 V/24 A·h的蓄电池,能够保证在主电源断开的情况下正常工作10天。使用理想二极管控制器LTC4412实现双电源切换,并输出主电源工作状态的开关量,其电路如图5所示。
(3) 主电源供电情况下,为了保证蓄电池的基本电量,优先采用交流部分的充电器给蓄电池充电,并对充电时间进行计时。终端对蓄电池电压进行检测并根据开关量判断主电源的工作状态,使用继电器切换蓄电池充电方式。在充电器充电满一小时后,断开继电器,使用太阳能控制器充电。
(4) 备用电源供电的情况下,需要设备有较低的功耗。设备的功耗主要有三部分:GPRS模块、液晶屏和A/D转换。在终端设备休眠状态下,外围A/D转换、液晶屏被设置为不使能状态。除此之外,电源接口安装了独立电源的定时器开关,在夜间关闭设备电源,节省电量,白天重新开启电源。
4.2 通信可靠性设计
为了保证数据传输的规范性和准确性,终端和监控中心各自制定了数据传输规约,规定了数据传输的帧格式、数据编码及传输规则,可实现监测中心对终端执行主从问答以及终端主动上传方式的通信。本规约遵从GB/T18657推荐的传输规约模式,采用三层增强型结构[7],帧格式如图6所示。
帧类型主要包括登陆帧、登录应答帧、心跳包帧、心跳应答帧、数据帧、数据应答帧等。登陆帧和心跳包帧用于实现设备的登录和GPRS连接维持,其数据域都为空。数据域的数据格式如图7所示。
控制域根据功能可划分为确认/否认、参数设置和查询、主动上报。测终端在接收到监控中心发出的查询指令后,根据相应的功能码对水位数据等数据进行查询,然后封装成固定的帧格式上传给监控中心[8]。
5 监控中心前台软件设计
地下水位监控中心要能实现将分布在全省多个地点的水位数据的实时采集,并将数据存储在数据库中;满足普通用户和管理层对单个地点/多个地点的历史数据的查询、统计、分析,给出异常数据的报警[9]。监控中心主要分为监控中心通信服务器和Web服务器两个部分,系统总体框架如图8所示。
通信服务器主要负责监听端口,同终端进行数据通信,接收来自终端的数据信息,在得到监控中心发出的控制指令后,通过Internet和GPRS网络发到指定终端上[10]。Web服务器负责与用户交互,实现用户管理。用户通过Internet登录到Web服务器,可以查询监测终端的实时水位数据,查询历史数据等。中心通信服务器与Web服务器之间的信息交互通过数据库来实现。
监控中心的软件设计采用B/S架构,前台Web服务器采用Myeclipse作为开发工具,通过JBoss 4.0作为应用服务器,使用STRUTS开发网页框架,数据库采用Mysql。使用Socket套接字方式,利用ServerSocket类和Socket类实现监听过程, 多线程方式同时处理多台终端通信。各线程内部TCP传输通道建立和数据库操作相互独立,各自完成相应与GPRS终端的数据通信。Web服务器界面如图9所示。
6 结 论
本文设计了基于GPRS无线技术的地下水位远程监控系统,实现了地下水位的远程监控,为水文分析提供可靠的数据。主要阐述了水位监测终端的硬件和软件设计,数据传输规约以及监控中心软件设计等,重点解决供电可靠性和通信可靠性问题。目前,地下水位监测系统的监测终端已运行上千台,由于各地项目推进程度不一,目前采用这种供电方式的系统上线率超过了85%,系统运行稳定,经过了冬季供电困难时期的考验。
摘要：针对水位监测中的供电可靠性差和上线率低的问题,设计了一种地下水位监测系统。监测终端采用双电源供电,上位机采用Java实现网络通信,通过GPRS无线网络实现了监测终端和监控中心之间的数据实时采集和传输,并在实际中得到很好的应用。
关键词：水位监测,GPRS,远程监控,上线率
参考文献
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[2]闫静杰,刘晓文,朱哓颖,等.基于无线传感器网络的井下水位监测监控系统设计[J].传感器与微系统,2008,27(12):73-75.
[3]刘坚,陶正苏,陈德富,等.基于GPRS的环境监测系统的设计[J].自动化仪表,2009,30(2):30-32.
[4][美]巴雷特.嵌入式C编程与Atmel AVR[M].北京:清华大学出版社,2003.
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[6]陈滟涛,杨俊起,万钧力.实时无线水位监测系统设计[J].佳木斯大学学报:自然科学版,2005,23(2):184-187.
[7]朱娟.基于ARM9的水情数据采集传输系统设计[J].云南大学学报,2009,31(z2):30-33.
[8]寇从芝,赵靖.基于无线网络的煤矿安全监测系统设计[J].制造业自动化,2010,32(11):23-26.
[9]王昆,阚涛.基于GPRS的光发射机远程监控系统的实现[J].计算机测量与控制,2010,18(1):100-103.
[10]胡胜利,万晋军.基于GPRS的地下水自动监测系统设计[J].水利水电技术,2011,42(1):89-95.
水塔水位控制系统上位机监控 篇2
关键词: PLC 组态 水位控制
组态软件是工业应用软件的一个组成部分，其发展受到很多因素的制约。归根结底，应用的带动对其发展起着最为关键的推动作用。未来的传感器、数据采集装置、控制器的智能化程度越来越高，实时数据浏览和管理的需求日益高涨，我们需要在自己的办公室里监督其工作过程。本文主要讲的是用PLC实现水塔的水位控制和组态监控。
一、系统情况描述和具体方案的实施
根据我们在现实生活中的运用，画出控制模拟图。
1、保持水池的水位在S1——S2之间，当水池水位低于下限液位开关S1，此时S1为OFF，电磁阀打开，开始往水池里注水，当5S以后，若水池水位没有超过水池下限液位开关S1时，则系统发出警报；若系统正常运行，此时水池下限液位开关S1为ON，表示水位高于下限水位。当液面高于上限水位S2时，则S2为ON，电磁阀关闭。
2、保持水塔的水位在S3——S4之间，当水塔水位低于水塔下限水位开关S3时，则水塔下限液位开关S3为OFF，则驱动电机M开始工作，向水塔供水。当S3为ON时，表示水塔水位高于水塔下限水位。当水塔液面高于水塔上限水位开关S4时，则S4为ON，电机M停止抽水。
3、当水塔水位低于下限水位时，同时水池水位也低于下限水位时，电机M不能启动。
二、硬件设计
1、I/O分配表
根据系统的控制要求给出I/O分配表，如表3所示。
2、PLC硬件接线图
根据控制要求及I/O分配表，绘制PLC控制端子硬件接线图。
3、工作过程
设水塔、水池初始状态都为空着的，4个液位指示灯全亮。当执行程序时，扫描到水池液位低于水池下限位时，电磁阀打开，开始往水池里进水，如果进水超过5S，而水池液位没有超过水池下限位，说明系统出现故障，系统就会自动报警。若5S之后水池液位按预定的超过水池下限位，说明系统在正常的工作，水池下限位的指示灯A1灭。此时，水池的液位已经超过了下限位了，系统检测到此信号时，由于水塔液位低于水塔水位下限，电机M开始工作，向水塔供水，当水池的液位超过水池上限液位时，水池上限指示灯A2灭，电磁阀就关闭，但是水塔现在还没有装满，可此时水塔液位已经超过水塔下限水位，则水塔下限指示灯A3灭，电机M继续工作，在水池抽水向水塔供水，水塔抽满时，水也超过水塔上限，水塔上限指示灯A4灭，但刚刚给水塔供水的时候，电机M已经把水池的水抽走了，此时水塔液位已经低于水池上限，水池上限指示灯A2亮。此次给水塔供水完成。
三、软件设计
水塔的工作方式是通过装设在水塔和水池里的水位传感器的信号来确定的，根据水位传感器检测出的水塔和水池的液位高低，来合理调节。具体系统控制要求如下：
1、流程图
根据系统的控制要求，画出控制流程图。
2、梯形图
根据系统控制要求设计PLC程序梯形图。
四、水塔水位控制系统的组态设计
1、定义外设I/O连接
在项目导航器的工程项目栏双击“I/O设备组态”,在弹出的画面中点击“PLC”前面的“+”，再点击 “SIEMENS (西门子)”前面的“+”，然后双击“S7-200（PPI）”，在弹出的画面中定义I/O设备的名称及设备的地址号，填写后点击“下一步”选择与I/O设备通信的COM口最后形成。
2、定义数据库变量
在Draw导航器中双击“实时数据库”启动组态程序DbManager,将弹出数据库组态界面。在数据库组态界面里，单击菜单栏的“点”然后“新建”，将出现“请指定区域、点类型”向导界面。
在“请指定区域、点类型”向导界面里，双击“区域...00”中的“数字I/O点”，出现界面后在“点名”和“点说明”中输入对应的文字。
将所有的输入、输出用同样的方法新增到数字I/O点，最后新增后的点。
3、建立工程组态画面
在力控组态应用中，最重要的一部分是监控画面图像对象的制作。现场数据采集到装有力控组态的计算机中后，操作人员通过力控组态仿真的画面对象便可以实现监控。
本次需要的画面对象有：水塔、水池、水泵、电磁阀、自动开关、报警灯、供出水管等。在“图库”里精灵图库中都可以找到，将它拖到窗口中。
4、建立动画连接
所有的数据通过数据库变量进行动画连接，人机界面HMI里的数据库变量对应区域数据库DB的一个点参数，通过点参数的数据连接来完成与设备通信的连接。
动画连接是将画面中的图形对象与变量之间建立某种关系，当变量的值发生变化时，在画面上图形对象的动画效果以动态变化方式体现出来，有了变量之后就可以进行动画连接了。一旦创建了一个图形对象，给它进行动画连接就相当于赋予它“生命”，从而活动起来。动画连接使对象按照变量的值改变其大小、颜色、位置、字符等，定义变量和制作动画连接这两件工作可以相互独立的完成。
参考文献
[1] 柴瑞娟，陈海霞.西门子PLC编程技术及工程应用[M].北京：机械工业出版社，2007.
[2] 廖常初.S7—200PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2007.
[3] 西门子自动化与驱动集团.西门子S7—200可编程序控制器系统手册.
水位监测系统 篇3
关键词：水位,流速,桥区,通航安全,监测
1 引言
目前, 航道管理部门对船舶通过航道桥梁的相关信息没有公开服务数据来源与渠道, 掌握水情水位信息主要依靠气象部门每天定时对外提供的水情水位信息。除紧急情况下, 信息基本一日一发, 不具有实时性, 且公布信息中缺少桥梁通航水位信息, 无法向船舶提供桥下通航预警信息, 船舶过桥主要依靠经验与目测, 不利于管理部门针对各时段水位变化实施科学监管。因此, 及时掌握水位信息及部分通航河段的流速信息, 发布信息与预警, 船舶可通过实时桥下通航高度预测选择放桅等通行方式, 可以有效避免通航高度导致的撞桥等事故。本文介绍了水位与流速测量的桥区安全通航监测系统, 有助于通航安全预测。
2 系统原理与组成
桥区水位与监测系统主要由三个部分组成:监测终端、实时通信链路、数据中心与发布平台, 如图1所示。
2.1 监测终端
系统监测终端安装于跨航道桥梁上方, 主要硬件设备包括:水位传感器、流速传感器、无线数传模块 (RTU) 、太阳能电池板、控制器、蓄电池及设备箱。监测终端硬件组成如图2所示。
超声探头主要是指水位传感器与流速传感器, 固定安装在水面观测点上方, 位于桥梁结构最低缘, 垂直对准水面向水面发射无线电波, 超声波到达水面后部分能量经水面反射, 被探头接收, 仪表记下这段时间t;探头内部安装有温度传感器, 根据超声波的传播速度和时间t, 经过温度补偿计算出水面到探头的距离D。流速传感器利用多普勒原理, 可以测得0.3m/s~8m/s的水流。系统原理图见图3所示, 前端单元设备探测水位信息, 由RTU模块利用公众移动通信网GPRS/CDMA方式进行实时传输。
(1) 监测传感器。对于只进行桥下实时通航高度测量的桥梁, 监测传感器只需要安装水位探测仪;对于除测量桥下实时通航高度外, 还需要测量表面流速的桥梁安装点, 监测传感器包括水位探测仪、流速探测仪。
(2) 无线数传模块 (RTU) 。RTU主要作为通信单元, 内置公众移动通信网SIM卡。其主要作用是将前端单元设备探测水位信息、流速信息, 利用GPRS/CDM A网络传输到监控中心。
(3) 控制器。智能控制器通过RTU模块可以监控中心进行遥控, 控制单元将采集到的信息传递给RT U单元, 供其向外发送。同时, 可以根据RT U接收到的监测中心发送的控制指令, 并可根据接收到的最新配置参数对工作参数进行设置, 可以改变采集的频次, 实现启动等远程控制功能。
(4) 太阳能电池板及蓄电池。对于有供电系统的桥梁, 可直接采用供电系统, 而对于无法供电的桥梁, 采用光伏供电系统, 一般均可采用太阳能供电。在无交流负载的太阳能光伏供电系统中, 太阳能光伏供电系统的基本工作原理就是在太阳光的照射下, 将太阳电池组件产生的电能给蓄电池充电或者在满足负载需求的情况下直接给负载供电, 如果日照不足或者在夜间则由蓄电池给直流负载供电。
(5) 设备箱。设备箱可选择双层箱、单层箱两种配置, 两种配置在外层构造、材质及主体设计上基本一致, 结构设计上能改善原设备箱在通风、散热、排水、防雨等方面的性能, 有效保证设备箱内置设备的安全。双层箱方案比单层箱方案增加了隔热层, 其通风散热效果更加显著, 在自重及造价方面较单层箱方案也同样有所增加。配置时根据现场站点实际环境情况进行选择, 对散热要求更高的应选择双层箱方案。
2.2 实时通信链路
监测终端采用公网GPRS/CDMA无线传输模式, 将采集器内水位数据信息发送给监测中心, 并在显示屏上呈现, 应支持实时在线和按需在线多种工作方式, 如:定时上下线和设备唤醒, 保障数据安全可靠。还能按需进行数据传输, 节省电量及通信费用。
2.3 数据中心与发布平台
由数据中心统一接收水位与桥下净空高度数据信息, 进行综合处理, 据历史数据动态分析、比对、研判, 形成指令数据, 以直观图标模式呈现在系统平台上, 数据中心可利用对外发布系统, 例如航道L E D大屏提醒、A I S消息预报、V H F广播等方式及时将水位水情信息传达给船舶。
3 系统功能
3.1 数据采集
系统应具有安装在桥梁的硬件监测设备, 测量水位与桥梁结构最低端的净空高度, 为船舶安全通过桥梁提供助航信息。监测设备应具有前端水位与流速采集探头、仪表、通信模块、供电 (太阳能电子板、锂电池) 等数据采集与生成功能。设备安装于露天工作环境, 并且应具有防雷、防水、防尘等防护设施, 以保证这些设备的长效运行。
3.2 数据传输
数据传输功能分为两个部分。第一部分是从监测站到数据中心, 目前我国内河高等级航道桥梁区域均应有公众移动通信网络覆盖, 在监测终端的RT U模块可以利用G PR S/C D M A向数据中心发送水位与桥梁净空高度数据信息, 若航道处于偏远地段, 无法得到公众移动通信网的有效覆盖, 也可以采用北斗的RDSS短报文传输模块进行传输。除此之外, 系统的设计应具有较高的可靠性, 在系统故障或事故造成中断时, 能向中心提供相关报警信息, 自启动备储功能, 并确保数据的准确性、完整性和一致性, 具备迅速恢复的功能, 同时系统具有一整套完成的系统管理策略, 可以保证系统的运行安全。第二部分是数据中心到相应分支管理机构以及船舶终端的信息传输, 采用VHF、AIS网络或其他播发方式直接推送给船舶用户。
3.3 数据处理与发布功能
系统应具备相应的软件平台, 并能在GIS平台上显示对应位置桥梁的实时水位流速数据, 数据监控中心将接收到的数据存储到水位与桥梁净空管理数据库中, 系统可实现航道水位及桥梁净空高度数据的实时远程观测, 提供水位及流速数据信息查询、分析应用, 同时具有水位自动预警功能, 对内能够为通航管理部门提供及时的数据信息和决策支持。此外, 可以在对外服务平台上进行数据的发布。
4 结束语
本文所述基于桥区的水位与流速监测系统, 适用于内河航道桥区众多, 且桥梁建设年代较远, 桥区通航净空高地较低, 水流流速流态易变化的通航水域。系统采用较简易的装置与设备, 通过实时监测, 实现对航道水情信息的及时预警与发布, 保障船舶航行安全, 有效提高我国内河航道的助航服务。
参考文献
[1]张忠远.智能水位监测仪的研究[D].南京理工大学, 2008
[2]徐航.基于GPRS的水库水位实时监测系统的研究[D].江西理工大学, 2012
[3]耿晓明.无线数据传输水位监测仪的研究[D].南京理工大学, 2009
水位监测系统 篇4
关键词：水位自动控制系统
0引言
近年来对城市供水提出了更高的要求，水塔水位控制自动化系统被不断地改造，以适应社会的发展和人民生活水平的提高，满足及时、准确、安全和保证充足供水。目前水位自动控制系统有很多成熟的产品，控制手段主要有单片机监控、比较电路监控、利用PLC和传感器构成水塔水位恒定的控制系统等，运行可靠，可实现远程监控和无人值守。在许多偏远地区，特别是居住相对分散的农村地区，供水问题也待解决。如果仍然沿用人工方式，劳动强度大，工作效率低，安全性难以保障。本文针对乡镇和偏远农村家庭供水的特点，设计一款简单实用、符合要求的水位自动控制系统。
1水箱水位自动控制系统的组成
针对偏远农村分散居住，取水不方便（包括从水井取水）的特点，考虑到农民生活消费水平不高，设计的供水系统必须是既方便农民的生活，又经济实惠等特点的水箱水位自动控制系统。水箱水位自动控制系统的组成。
水位监测系统 篇5
西夏水库是宁夏自治区党委和政府为保护银川市西部的地下水环境, 优化区域水资源配置, 向银川市西部提供优质的地表水和自然过滤源水水源而批准实施的一项重要的水资源配置工程, 工程为沙坡头北干渠的重要组成部分, 供水对象为银川市西部的工业企业, 设计年供水总量6200万m3/a, 日供水量17万m3/d。
西夏水库位于银川市西南, 由原银西防洪体系的第一拦洪库改建而成。水库地处贺兰山东麓的洪积扇上, 库区底部的防渗效果和基础渗流特性是安全监测的主要目标之一;由于水库建成之后必然引起周围水环境的改变, 特别是由于渗漏量增大, 抬高水库下游农田的地下水位, 因此水库下游农田保护区的地下水位监测是目标之二, 同时也是辐射井群提水设施工作的控制目标。
2 主要工程监测项目
2.1 变形监测
在坝顶设置视准线一条, 测点间间距为100m, 共设置表面标点18个;在桩号1+500和2+150, 轴距+4.0米处, 布设沉降管各1条;在输水塔闸房外四个边角各设置4个水准监测点, 两外在输水塔工作桥上布设10个水准点。
2.2 渗流监测
坝体渗流压力观测断面选择0+675、0+966、1+500、2+150和3+000五个横断面进行坝体渗流观测, 埋设渗压计36支。
2.3 保护区和辐射井区地下水位监测
辐射井区地下水位监测相当坝后水位观测, 也反映了辐射井区提水设施的工作效果, 设置水位井18个, 测井深度为15m, 安装水位计18支。
3 系统网络整体结构
西夏水库工程安全监测自动化系统及测站、中心站网络采用分层分布式的网络结构。测站层由各测点传感器和数据测量控制装置组成;监测中心站位于水库大坝管理处, 监测中心站由数据采集接收机、监测工作站、服务器等组成。
将监测数据、系统参数和其它信息资料存放在数据库中, 数据库运行在监测服务器上以实现资源共享;监测工作站作为前端用户访问, 服务器处理数据库中的数据。除系统管理员可以直接在监测服务器上对系统进行参数设置、数据库管理等操作外, 其他操作人员通过权限设置在监测工作站对监测自动化系统进行数据的查询、监视等操作。
系统通信主要完成M C U之间及M C U与控制中心之间的数据通信, 采用支持分布式控制、通用的Lon W orks通信方式。
4 渗流特性分析
西夏水库大坝渗流监测断面有5个, 坝后水位观测井共18个, 根据西夏水库渗流监测断面以及水位井的设置, 此次主要针对西夏水库2013年4月初至2014年6月中旬各监测断面上埋设渗压计监测数据以及坝后水位井水位监测数据进行分析。
2#渗流监测断面 (0+966) 为输水洞断面, 该断面共埋设渗压计11支, 编号为:P2-1~P2-11。由于在该断面上的测点P2-2、P2-3、P2-5、P2-7、P2-9处埋设的渗压计数据波动加大, 且波动范围也较大, 因此在分析过程中只考虑断面上其余测点在2013年4月初至2014年6月中旬的渗流压力水头与孔隙压力过程线与库水位过程线对比, 如图1、2所示。
从图可以看到:0+966断面上测点孔隙水压力水头、孔隙水压力变化过程与库水位的变化过程一致, 且变化过程比较同步;对于测点P2-11一直处于负压状态, 表明该测点位置的土壤一直处于非饱和状态;从各测点的孔隙水压力水位大小来看, 目前测点的孔隙水压力水头变化区间在1131~1135m之间;目前测点孔隙水压力大小的变化区间基本都在25~45KPa之间, 除测点P2-11处于负压状态, 其余测点均处于正压状态;从测点孔隙水压力水头分布来看, 测点的渗流压力水头分布与理论分布基本一致, 从断面上游到断面下游呈逐渐减小的分布状态。
5#渗流监测断面 (3+000) 共埋设渗压计6支, 编号为:P5-1~P5-6。分别绘制各支仪器从2013年4月初至2014年6月中旬渗流压力水头和孔隙水压力变化过程线, 如图所示。
从图可以看到:3+000断面测点的孔隙水压力水头、孔隙水压力变化过程与库水位的变化过程基本一致 (除测点P5-6) , 且断面上测点孔隙水压力水头测值与上游库水位值相差较小, 表明该断面位置的材料渗透性比较强;从测点的孔隙水压力变化来看, 测点P5-6的孔隙水压力基本在0KPa附近波动, 表明测点位置土壤处于饱和与非饱和状态的临界位置, 而其余测点的孔隙水压力均处于正压状态, 孔隙水压力范围在0~150KPa之间。从监测断面上所有测点的孔隙水压力水头值与测点位置分布来看, 测点水头值基本满足从上游向下游逐渐减小的趋势, 与理论分布基本一致。
5 坝后水位井监测特性分析
根据水位井 (O H 5-1) 监测数据, 绘制从2013年4月初至2014年6月中旬测点的渗流压力水头与水库水位变化过程对比图, 如图所示。
可以看到:水位井O H 5-1的水位变化波动较小, 水位井的水位变化与水库水位的变化在2013年11月份之前比较一致, 2013年11月份之后水位井O H 5-1的水位变化过程比较稳定, 受上游库水位的变化过程影响较小。
6 坝后水位井不同时刻水位与原始水位比较分析
2013年11月25日、2014年6月20日西夏水库坝后地下水位分布基本呈现出从坝址向坝后延伸处逐渐降低的趋势, 地下水位从坝址1130m逐渐降低为1126m, 与坝后地形走势情况基本一致。与坝基、坝后初始地下水位分布图比较, 发现在坝后集渗廊道之前地下水位有所升高, 而集渗廊道之后的地下水位出现略微下降的现象, 这表明通过坝后集渗廊道的截留及坝后泵站抽排, 西夏水库渗漏水量部分被截留回抽, 对集渗廊道之后的地下水位高低有一定影响, 但是影响的范围比较有限。
坝基、坝后地下水位的分布图如下:
7 总结
根据西夏水库蓄水过程、地形上来看, 坝后地形为逐渐降低的过程, 地下水位也呈逐渐降低的趋势。
水库坝后设置集渗廊道用来进行坝体及坝基的渗漏水量截留, 从坝后集渗廊道的运行来看, 通过截留在一定程度上降低了水库的渗漏对下游土地的影响, 但是由于坝基的渗透量较大, 坝后集渗廊道无法完全截留水库的全部渗漏水量, 因此水库的高水位蓄水时可能会对水库下游的土地有较大影响。运行管理单位后期要严格执行水库及水库坝后泵站的运行管理制度, 并实时监测水库坝体、坝基及坝后水位的变化情况, 避免由于坝后集渗廊道的抽排水不及时导致坝后地下水位的迅速增加的情况发生, 为更充分合理的进行水库及泵站运行管理积累丰富的资料。
参考文献
[1]SL274-2001.碾压土石坝设计规范.
[2]SL360—2006.地下水监测站建设技术规范.
水位远程监测技术在深井上的应用 篇6
1 主要研究内容及技术关键点
如何及时有效地测量深井水位, 是多年来一直困扰大庆油田水务公司水源生产管理的技术难题。各水源的深井水位测量一直采用人工方式, 存在测量周期长、数据更新不及时的问题, 特别是水源深井大多数都下过二次套管, 井径缩小, 且受法兰盘、电缆等障碍物的影响, 经常导致测绳卡线无法下入, 造成无法有效监测深井水位的困难。由于不能及时地掌握深井的水位数据信息, 一些水源的深井潜水泵下深不合理, 潜水泵安装深度只能靠经验和感觉完成。在水源深井中, 动水位从10~50 m不等, 如果下泵位置在动水位以上, 则可能引起抽空造成烧泵的事故。在实际安装时常将潜水泵下深至远远低于动水位以下的位置, 这样既加长了扬水管和电缆的长度又要选用扬程偏高的潜水泵, 造成材料成本和电量的严重浪费。因此, 水位远程监测技术在深井管理中的应用, 使管理人员能够及时准确掌握深井水位数据, 对于深井泵的维护以及水源站的降低成本、经济运行等方面有着比较重要的意义。
主要研究内容:在主控中心的监控主机上能够通过无线数据传输通道, 随时自动或手动向深井的远程数据采集终端发送命令, 深井数据采集终端接收到命令后, 把所采集到的深井动静水位信号, 及时准确的通过无线数据传输通道远传到十几公里以外的水源值班室的监控主机上。
关键技术是:在Windows平台上开发设计、基于Visual Basic的监测系统的应用程序。以及深井数据采集终端技术和无线数据传输通道接口技术的开发与应用。
2 水位远程监测技术方案研究[1]
深井水位监测系统包括监控软件和硬件设备, 其中硬件设备由两大基本部分组成:上位计算机监控单元和深井远程数据采集终端单元。监控系统中央控制单元由工业计算机及通讯控制器组成, 远程终端单元 (RTU) 由终端执行器及通讯设备组成。
2.1 深井水位自动监测技术方案设计
深井无线监测系统采用无线通讯方式实现监控站与深井终端的数据通讯, 通过编程指令控制现场设备, 利用各种变送器、传感器采集现场数据。系统硬件的组成如图1所示。
水源监控中心由工业控制计算机、中央控制器、无线数据传输电台单元构成。每口深井远程执行终端由数据采集终端、无线数据传输电台单元、液位传感器等数据采集设备构成。
2.2 深井水位监测系统监控中心计算机应用软件的研究与设计
在深井水位自动监测系统中, 应用软件的设计是整个监测系统的关键, 软件应具有数据采集、存储、解析及显示功能, 要有较高的运行稳定性、良好的可操作性及易维护性。监控软件都通过数据通讯设备与远程终端 (RTU) 进行通讯, 发送相关指令实现控制远程终端设备、读取设备的运行参数的功能。将系统所需的设备运行数据以友好、易操作的人机界面显示出来为运行人员提供参考, 如深井运行参数、相关报警信息、水位数据等。监控系统软件由用户直接操控, 其操作性能及稳定性的优劣影响着用户对于监控系统的评价及信赖程度。
1) 软件功能设计。软件设计以用户实际需求为依据, 主要实现以下功能:
◇深井监测系统采集水位数据信号功能。采集水位数据信号是水源深井水位监测系统的一项基本功能, 主要是通过无线采集模块 (RTU+DTU) 将深井相关数据信息采集回来并存储到数据库中, 方便管理人员调用、查询。
◇深井监控系统井群分布界面。在监控界面中建立井群分布总图, 能够显示每口深井运行数据, 如水位数据、深井泵运行状态、报警信息等。值班室岗位监控人员可通过监控画面清楚地知道每一口深井的位置以及相关信息, 并且能进入单井查询界面。
◇水源深井远程监控功能。操作人员能够通过计算机界面方便地进行各种操作。可方便地进行各页面之间的切换进行单井检测、井群操作及手、自动巡检等功能。
◇实时数据显示及历史数据查询功能。监测系统能够显示水位的实时数据和历史数据, 值班人员可随时根据需要查询相关数据。
◇数据曲线显示功能。为方便水源地质监测人员对动静水位的变化趋势进行分析, 本系统可将水位数据绘制成曲线, 能够显示水源每口深井的水位数据曲线, 如实时数据曲线、历史 (日、月、年) 数据曲线。使管理人员对水位的变化趋势有一个直观的认识, 方便管理人员对动静水位的变化进行分析。
◇深井参数录入、存储及查询的功能。可以手工录入深井参数。如深井投产年代、井深、试水量、泵下深、水位降深、潜水泵型号、实际产水量、输入功率、效率、取水单耗等数据。
◇深井水位超限报警功能。可以输入上下限报警水位, 并能显示报警原因。值班人员可以根据每口深井的水位情况, 设定水位上下限报警, 当水位超过警戒线时, 计算机能够发出声光报警。
2) 系统应用软件的设计与实现。系统监控界面采用Visual Basic 6.0专业版程序编译语言编制, 该编译程序是基于Basic语言的程序设计语言, 它具有界面建立较容易, 易于上手、功能强大的特点[2]。根据监控软件所具有的不同功能, 分别进行开发编制, 采用模块化方式将程序分为六大功能块, 做到软件结构清晰, 程序具有易修改、易移植等特点, 方便日后的维护及系统的升级工作。
◇内核模块设计。内核模块在该监控软件中起到十分重要的作用, 它是监控程序运行的主模块, 具有软件运行初始化的功能, 可以创建当天的数据库, 进行通讯端口参数设置、数据传输、存储等。根据不同的事件函数实现不同的功能。DataArrived、Check Well和Send Order是事件接口函数, 当其他模块执行事件函数时引发该事件执行。在设计内核模块时, 主要考虑到如下因素:控制方式的设计、界面设计要简单化、防止用户的误操作等方面的因素。
◇通讯模块设计。通讯模块主要完成对中央控制器的通讯功能。通讯模块的主要函数Get Control Data、Get Data、Data Arrived、On Comm。其中Get Control Data、Get Data和Data Arrived是事件接口函数, 由内核模块传递来的相应数据信息引发事件执行, 可进行控制指令发送、数据信息读取及对数据进行解析, 将解析后的深井数据通过接口函数Data Arrived向内核模块传递参数。Press Ratio函数是水位数据变换函数可将1~5 V的数据变换为深井动静水位数据。
◇水位显示界面设计。水位显示界面主要完成对深井水位信息的动态显示功能。该窗体添加一个Checkbox控件、3个Option Button控件4个Combo Box控件用于单井及水位曲线周期的选择, 另有3个按钮 (Command Button) 控件实现曲线显示、返回上一层和退出的相关功能。曲线显示功能是采用VB编程工具提供的Picture Box控件, 利用程序对其进行坐标重构。将其横坐标变换成需要的周期时间 (日、月、年) 。根据所选周期的不同调用不同的数据库, 同时根据不同的深井运行状态下的水位数据应用不同颜色显示在水位曲线中, 从而实现深井动静水位曲线显示功能。
3 应用实施及效果
水源深井水位数据远程无线监测系统, 硬件部分主要工作是在每口深井安装RTU数据采集终端, 并加装一个投入式液位传感器及一块二次显示表, 现场调试监测终端程序及电缆敷设等工作。
软件部分主要工作是在监控中心计算机上设计良好的监控软件。具有友好的人机界面, 能够把所采集到的数据进行整理、分析和保存;能够自动或手动下达控制命令, 完成深井水位监测过程等功能。
此水源深井水位数据远程监测系统经过现场运行证明:运行稳定可靠、采集数据及时准确, 监测系统所采集的动静水位数据准确率较高, 误差在0.5%以内, 能够达到实际生产需求。
4 应用效益
随着水源自动化技术应用程度的越来越高, 其生产过程越来越依赖于自动化系统, 水源地深井水位远程无线监测系统的应用, 有效提高了水文地质信息的监测手段, 达到了节省劳动力缩短检测周期的目的。深井水位自动监测技术在提高劳动生产率、节能降耗、保证安全、稳定生产运行等方面起到了举足轻重的作用, 并且取得了良好的经济效益与社会效益。
4.1 经济效益
深井动静水位监测技术的应用极大提高了水源供水生产效率、降低生产成本。
1) 深井泵下深会比较合理, 单口深井取水单耗由0.33 k Wh/m3降低到0.29 k Wh/m3以下, 年节电10×104k Wh。
2) 能够选择合理扬程的潜水泵, 提高了机泵的运行效率。
3) 因为减少了扬水管及潜水泵电缆的长度, 节约了修井成本, 每口井能节约扬水管和动力电缆10 m左右, 节约资金3000元以上。
4) 动静水位自动监测技术的应用, 降低了人工成本。
4.2 社会效益
水源动静水位远程检测技术的应用, 有效提高了水文地质信息的监测手段、提高了地下水源管理水平、降低企业生产运行成本, 达到了降低劳动强度、节省劳动力、缩短检测周期的目的。为水务公司安全、稳定经济运行提供了技术保障。
5 结束语
实践表明, 水位远程监测技术在深井上的应用, 有效地解决了水源存在测量深井水位困难的实际问题, 提高了企业的经济效益和社会效益。水位监测技术的应用, 实现了深井水位监测方法的科学性、合理性。水源深井水位数据远程无线监控系统, 是一个监测和控制的智能系统, 适用于远距离采集传输深井运行数据的场合。水源深井水位数据远程无线监测系统是在运用现代先进的远程数据通讯技术实现完成的。该系统技术先进、自动化程度较高, 在目前国内供水行业中的地下水资源管理方面处于领先地位。通过实际应用表明, 系统运行稳定, 监测效果较好, 达到了预期的设计目的。这一系统的研发应用, 对于地下水资源的长效管理和合理开发利用, 以及在降本增效方面将发挥重要作用, 同时对这一系统只要稍加开发, 就可用于水源深井的压力和流量等一些其它参数的检测和传输, 具有良好的推广应用前景。水位数据远程无线监测技术将会在供水行业得到越来越广泛的应用。
参考文献
[1]王仲文.工程遥控遥测技术[M].北京:机械工业出版社, 1991:1-60.
水位监测系统 篇7
1 主要研究内容
本文研究的工作主要包括以下4个方面:系统数据流分析、移动水位监测的原型系统设计及研制;野外数据采集单元及中心处理单元系统设计及研制;理论模型分析和研究;系统综合测试。根据这几个方面的主要研究内容, 分析了系统功能, 设计了野外观测单元及中心单元的组成及相互关系, 给出了系统工作的简要流程。
对于监控中心单元, 数据发送出去后, 在中心单元需要实现对数据的接收。编制程序对加密的编码进行解密处理, 并对水位数据进行综合管理。
2 测量系统设计
2.1 野外数据采集单元设计
2.1.1 GPS单元
GPS是野外数据采集单元的核心。为实现对水位的准确、机动采集, 并简化系统内容, 达到高精度水位测量目的, 研究中采用的GPS单元为中海达V8CORS RTK系统, 该系统为双频GPS接收机, 该接收机具有精度性能稳定的特点, 可全面无缝地兼容CORS系统。
2.1.2 天津CORS系统
连续运行GNSS参考站 (Continuous Operational Reference System简称CORS) 也称为永久参考站, 是由一个或若干个固定的连续运行GNSS参考站组成, 并将卫星导航定位技术、现代计算机管理技术、数字通讯技术和互联网技术集于一体的系统。与传统的RTK技术相比较, CORS具有独特的优势:
1) 具有跨行业特性, 可面向不同类型的用户, 不再局限于测绘领域及设站的单位与部门;
2) 可同时满足不同需求的用户在实时性方面的差异, 能同时提供RTK、DGPS静态或动态后处理及现场高精度、准实时定位的数据服务;
3) 能兼顾不同层次的用户对定位精度指标要求, 提供覆盖米级、分米级、厘米级的数据。
系统采用天津CORS系统作为定位系统。天津市GPS连续运行参考站网的网络RTK测量的空间三维位置精度优于±0.028 m, 在系统覆盖范围内定位结果精度高精度分布相对均匀。
2.1.3 手簿软件设计
中海达V8CORS RTK接收机采用Q5GIS数据采集器, 常用的功能不能满足项目需要的水位采集功能。为此, 研制了适用于本项目的手簿数据采集软件系统。设计的手簿软件基于windows mobile嵌入系统, 为提高软件的处理速度和稳定性, 采用VC++语言进行设计, 软件系统具备如下功能:
1) 坐标转换参数。系统为坐标转换提供了4参数和7参数模型, 将CORS所得的WGS84转换成北京54坐标。
2) 高程转换。CORS测量数据是基于WGS84的大地高程, 而水位测量需要的是1985国家高程, 为了实现转换, 程序设计了2种转换方式, 分别为直接输入和建立模型。在技术设计的理论研究中, 借助GPS/水准点, 构建了2次多项式模型, 并对该模型进行了检验。
3) 数据采集参数设置。为保证水位数据采集的质量, 测量时对卫星高度角、几何强度因子PDOP值以及平面和高程定位精度等基本GPS定位参数进行了设置。此外, 对数据采集间隔也进行了设置。数据采样采用如下设置方式:自动采集和人工设置。并对定点水位测量进行滤波处理, 如图1所示。
为便于中心系统对其进行识别, 手簿程序部分设计了属性输入功能, 并根据精度要求输入平滑时间、dx、dy和dz定位精度要求指标。
2.2 中心处理系统设计
中心监控系统主要完成以下工作。
2.2.1 实时数据接收显示
野外观测数据在中心端可通过如下两个途径显示:即文本框和数据库。且被接收到的所有数据均将被追加入数据库中
2.2.2 流域和水位监测位置显示
流域和监测位置显示系统主要完成整个流域分布及当前水位监测位置。为实现该功能, 启用了天津市电子地图。并对电子地图进行配准。
2.2.3 数据库系统设计
数据库设计采用通用的Access数据库。此外, 数据库设计了检索功能, 可根据检索条件, 如时间、监测点、断面等信息进行检索并回放。
3 数据质量控制方法研究
测量数据的质量控制是移动测量系统水位获取的重要保障, 通过严密的质量控制保证数据的准确性和有效性。
3.1 质量控制
本项目数据质量控制采用二级控制。
3.1.1 第一级控制
即对原始观测数据进行质量控制。GPS定位结果输出的NMEA 0183数据格式中包含了定位状态参数, 对于非RTK定位解, 在手簿软件中对其进行了滤波处理, 确保高精度定位结果的可靠。对定位数据进行一级质量控制:
1) 定位状态:非RTK定位数据将被滤除;
2) PDOP:PDOP小于3的记录将被滤除;
3) 定位精度:定位精度低于5cm的RTK解将被滤除。
完成一级控制后, 数据将编码发送到指挥控制中心。
3.1.2 第二级控制
由于GPS从非RTK状态到RTK状态的过度时间段内, 可能标定的状态为RTK状态, 但定位质量依然较差, 有时甚至出现系统性偏差。为此本文研究了二级控制算法, 即根据测量对象, 数据质量控制采用两种方法来实现:对于定点水位测量, 采用2σ原则来实现滤波;对于连续断面水位测量, 采用Kalman滤波来实现质量控制。
3.1.2. 1 定点水位测量中的滤波方法
定点水位测量的特点是:较短时间内 (1~5min) 水位基本不变, 而在此期间, 按照1 Hz的采样频率, 定位数据多达60~180个, 因此, 可以借助2σ原则对其进行滤波处理。
若水位观测序列为{hj, (i=1, 2, 3, …, m) }, 则2σ滤波公式为
其中
3.1.2. 2 连续断面水位测量中的水位滤波方法
由于断面水位测量中水位存在变化, 因此, 借助Kalman滤波对连续观测高程序列进行滤波处理, 消除粗差的影响。
基于上述观测方法和状态方程, 借助Kalman滤波进行解算, 可实现对连续水位测量数据的处理。
3.2 坐标转换模型构建
由于系统基于CORS进行测量, 而项目需要的坐标系统为北京54坐标系统, 因此, 需要转换参数, 实现实测的WGS84坐标向北京54坐标的转换, 用于成果的最终表达。
由于测区较小, 本文采用四参数进行坐标转换。利用下式实现WGS84向BJ54坐标转换。
式中:Δx和Δy分别为平移参数, θ为旋转角, m为尺度因子。
3.3 高程转换模型构建
CORS定位直接提供的是基于WGS84大地高, 而水位测量需要的是1985国家高程或大沽冻结高程系统, 为此, 需要将系统实测的大地高转换为工程项目需要的高程系统。
为了实现高程转换, 建立如下模型拟合WGS84椭球面到似大地水准面或大沽冻结高程基准面间的分离量, 公式为
其中:ξ为GPS水准点上两基准面的分离量。
若h为实测大地高, H为需要的高程, 则公式为
(ΔB, ΔL) 为各个GPS测点 (B, L) 相对测区中心 (B0, L0) 的坐标偏差量, 可由下式获得
式中:n为GPS水准点个数。
4 系统测试
为了检验原型系统、软件以及研究理论算法的稳定性和正确性, 在天津市的入海河流中进行试验。
4.1 通讯试验
通讯是本系统的核心, 稳定可靠的通讯是确保野外数据传输的重要保障。
为检验系统通讯的稳定性, 在下列情况下实施了多次、不同环境下的通讯试验:信号较弱区域;自动和手动数据采集;高发射率和低发射率。
通过多次的实地试验, 数据通讯流畅, 即使在数据采集过程因操作失误出现网络断开, 手簿也给出了提示功能, 并依据网络的“握手协议”来实现网络重新连接, 确保客户端与服务器的实时连接, 如图2、图3所示。
4.2 模型精度评估
4.2.1 坐标转换模型
首先, 对沿河流均匀分布的23个点进行四参数计算, 这23个点同时具有WGS84坐标和BJ54坐标。
其次, 利用所得四参数, 转换已知点上实测的WGS84坐标, 并与实际的BJ54坐标进行比较, 比较结果如表1所示。对上述统计结果进行误差统计, 坐标转换的点位精度达到了1.1cm, 完全满足实际需要。
4.2.2 高程转换模型精度
对利用沿河流实测的GPS水准点数据获得测区似大地水准面模型, 利用表2中的水准点进行外部检核, 模型所得正常高hM与实际高程h0比较, 如表2所示。
从表2可以得出, 正常高差值得出的似大地水准面模型的精度为2.41cm, 完全满足实际应用的精度要求。
4.3 软件系统测试
整个软件系统包括两个部分, 即野外手簿软件和中心客户端软件。
4.3.1 野外手簿软件
野外手簿软件设计的数据采集、滤波、坐标转换及高程拟合等模块在试验中得到了检验, 如图4所示, 结果表明, 手簿软件操作方便、精度高, 通讯顺畅, 数据误码率低。
4.3.2 中心客户端软件
客户端中心处理软件系统在通讯、数据处理、显示、数据管理与输出等几个方面进行了实验, 软件通讯连续通畅。在数据处理方面能够根据数据质量有效剔除不符合条件的观测数据, 坐标转换及高程拟合精度高, 结果准确可靠。在主界面显示方面, 能准确显示通讯状态, 实时显示当前测点位置和客户端发送的数据信息。
此外, 程序的地图操作工具栏和“鹰眼”功能可以实现快速地对目标区域进行查看, 提高地图的操作效率, 如图5所示。对利用GPRS实时传送来的观测记录, 系统将直接录入到数据库管理系统中。
数据库存储数据和图形窗口是对应的, 对于一个新的记录, 程序判断该记录属性是否存在。若为同一点监测记录, 程序将更新电子地图上记录的信息内容, 并将追加到数据库系统中, 程序还提供了检索功能。
右键单击此区域会弹出一个“请输入检索条件的对话框”, 此部分会根据检索条件从数据库中提取出满足检索条件的数据, 并将数据显示在此区域中, 可以用作历史数据的回放 (见图6) 。
5 结语
通过对硬件系统和软件系统的研制, 形成了基于CORS的移动水位测量系统, 系统在稳定性、可靠性以及适用性等方面满足了水位机动测量的需要, 其作业模式为一种全新的水位监测模式, 具有全天候、机动性、高精度等特点, 是当前水位监测方法的有力补充。在理论研究的基础上, 设计的内外业数据处理、管理和显示软件系统, 具有便于信息直观掌握、指挥调度、界面美观、操作简单, 可靠性强等特点, 也为多流域水位监控和调度提供了条件。
参考文献
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水位监测系统 篇8
基坑开挖造成卸载并使土体向坑内移动。一般情况下,水平方向的应力释放与调整是构成周边地层土体位移的主要原因。开挖或工程降水引起地下水位变化使土中的有效应力增加,也会导致土体产生压缩或固结沉降。基坑开挖往往引起基坑边坡失稳、地表不均匀沉降、地表塌陷等灾害。在基坑施工时,要根据地表沉降的控制要求、地表交通状况、施工技术水平等情况,进行技术经济比较,选择相对合理的施工方法。实践证明,采用合理的支护技术和施工工艺,基坑开挖是可以将地表沉降控制在设计要求范围内的。但是由于地质条件多变以及施工参数的变化,使研究成果具有一定的局限性。因此在施工工程中,对地表沉降规律的分析,应当具体问题具体分析[1]。
高水位基坑施工中,往往需要大量排水,降低水位,确保基坑施工干作业。基坑降水引起超静孔隙水压力逐渐消散,使土体积压缩而引起的渗透固结沉降,也称主固结沉降,它随时间而逐渐增长拦江大道道路工程地下通道工程基坑施工排水量大,软土基坑沉降受水影响较大,研究沉降规律对研究同类工程排水、支护设计有非常积极的意义指导施工安全监测。
1工程概况
项目区地貌单元属于长江一级阶地。区内除表层填土外,其下依次由第四系全新统冲湖积的淤泥质粘土、粘土、亚粘土夹亚砂土,第四系全新统冲积的亚粘土夹粉砂。
项目场地位于武汉市汉阳区,距离长江不到1公里。武汉市规划在此建设武汉世博广场,地面原有主要道路都将改建为地下通道,周边居民都基本拆迁,无大的建筑物,施工条件良好。本工程南起三环路北至二环路,主通道全长480m,主通道南侧引道长246m,基坑深8m。采用坑内井点降水。二级分层开挖和全断面开挖。2007年6月开始施工,2007年12月基坑开挖施工结束。
支护方式为放坡开挖自稳边坡的方式,边坡比为1:2.5—3。
2监测点的布设
按照《工程测量规范》(GB 50026—2007)关于变形监测的规定,结合拦江路(三环线—二环线)道路工程的实际状况,按照监测断面布置监测仪器,每一个断面布置沉降、水位监测孔。闭合框架段按60m设置监测断面,从1+146至1+556,共8个断面,U形槽段按间隔100m,90m设置监测断面。
监测点布置详见图1、图2。
3 数据采集
数据采集采用:沉降监测采用瑞士生产的徕卡(LEICA)NA2型自动安平精密水准仪(带测微器),配以铟钢水准尺;水位观测采用TS1001水位计,测量精度高。监测周期为三天监测一次。
数据处理:数据采集后应对观测数据进行水准面、水准标尺长度误差、水准标尺温度改正等;地面沉降监测网是基于固定基准点而布设的,形成了5个闭合环,监测数据进行平差计算,使监测精度更高。
4 施工监测结果分析
在施工过程中,对基坑边坡顶部水位以及土体的沉降进行了监测,给出了地表沉降和监测孔水位的实测结果。进行地表沉降监测时,在基坑边坡不同的位置埋置了多个监测点,地表沉降最大达到25.89 mm。总的沉降来看所有观测值都在控制范围内,在施工阶段没有发生过大的地表沉降,沉降曲线比较平缓。说明基坑结构在设计的范围内工作,没有发生异常现象。
基坑沉降2007年12月3日时最终累积沉降值见图3、图4。
选取典型沉降监测断面的监测点W05、E09的监测数据作为分析对象,分析施工工况与地表沉降的关系见图5、图6。
沉降速率计算公式如下[2]:
式中:St沉降速率,β值是沉降速率系数,Sp监测沉降值。
式(2)中:S1、S2和S3分别为t1、t2和t3时刻对应的沉降,Δt=t2-t1=t3-t2。
W05在首挖段西侧,采用二级层分级开挖,第一层4 m,第二层4 m。水位与地表沉降历时变化曲线见图6,从中可以看出,沉降速率变化较快的有两个时段,分别是2007年8月10日—2007年9月2日和2007年10月20日—2007年11月3日。沉降速率分别0.31 mm/d和0.36 mm/d。为这两个时间段对应的施工进度分别为:第一段时,水位降至设计水位,同时第一层开挖4 m;第二段时,第二层开挖4 m。
E09在开挖段东侧,采用全断面一次开挖,开挖深度8 m。水位与地表历时变化曲线见图5,从中可以看出,沉降速率变化较快在2007年8月23日—2007年9月12日。沉降速率为0.49 mm/d。施工进度为基坑一次开挖至基坑底部。
沉降与基坑施工存在如下关系:
① E09监测点由于全断面一次开挖和降水固结沉降,沉降叠加导致沉降速率大。
② W05监测点第一段沉降速率峰值是开挖和降水固结沉降的叠加,第二段峰值是深部开挖引起较大沉降。
③ W05监测点2007年9月2日—2007年10月20日沉降速率平均值为0.2 mm/d,主要由固结沉降引起。
④ E09监测点2007年9月12日—2007年10月6日沉降速率平均值为0.31 mm/d,主要由固结沉降引起。
引起沉降的因素分析:
① 开挖方式:全断面开挖引起的沉降较分层开挖引起的地表沉降速率快。
② 降水影响:降水引起的固结沉降在软质粘性土中一般在(0.1-0.35) mm/d的速率之间,速率比较平稳。
③ 高水位软土地区,开挖引起的地表沉降小于降水的影响。
5 结论
此次针对基坑外监测点的水位与沉降值曲线分析结果表明:
① 高水位软土地区,沉降量受降水影响最大,当降水后,明显发生较大沉降。
② 分层开挖更有利于基坑施工安全。
③ 基坑地表沉降沉陷不均匀性,因此需要对基坑周边平行于基坑周边环境的保护问题应给予充分重视。
在基坑施工过程中,需要根据现场的实际工程地质条件及选择的支护形式、建筑物的安全等级,对周边的变形进行监测和严格控制,对于深基坑必须进行信息化设计和施工,以便在施工中通过加强监测及时反馈信息,修改调整施工方案,使施工始终处于安全可控状态。
在高水位基坑开挖工程中,降水确保在基坑施工平台以下,同时要确保降水平稳,降水过快在基坑开挖中也会引起基坑变形速率的加快,影响基坑安全。水位降至设计水位后,保持稳定,当开挖结束后,沉降基本平稳,无大的沉降。必须加强监测,对监测成果进行及时、准确地分析,以确定支护系统的安全系数,进而对原有设计方案进行评价,在准确分析的基础上,提出对策,确保施工安全。
参考文献
[1]何世秀.渗流对基坑周边沉降的影响.岩石力学与工程学报,2003;22(9):1551—1554
[2]刘建航,侯学渊.基坑工程手册.北京:中国建筑工业出版社,1997
恒水位控制系统改造 篇9
曲靖卷烟厂的供水系统如图1所示, 三台水泵将蓄水池中的水加压后供生产、消防、生活和绿化用水, 系统中并联35m水塔, 起到稳定供水压力、高峰期补水的作用。水泵的启停由35m水塔浮子开关控制, 水位在400mm以下时水泵启动, 水位达到2200mm以上时水泵停止, 三台水泵由软启动器驱动。
供水系统存在的问题是:
(1) 水泵启动的瞬间, 对电网造成一定的冲击。水泵启动时, 易产生水锤效应, 对加压管道和水塔出水单向阀造成较大的冲击, 破坏性大, 安全隐患大。 (2) 水塔水位的波动较大, 且这种供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应, 供水质量差, 供水压力波动对生产造成严重的影响。 (3) 水位检测采用浮子开关, 容易卡滞, 可靠性差。 (4) 水泵全负荷运行, 频繁启停, 能耗较高且使用寿命缩短。
2 改造方案的提出
针对此供水系统存在的不足, 为了提高供水质量, 提高系统的稳定性和可靠性, 我们提出使用PLC和变频器改造成恒水位供水系统, 保证水塔水位恒定, 也就能保证系统恒压供水。
3 改造方案实施
3.1 控制系统设计
恒水位控制系统由PLC可编程控制器和变频器、超声波水位传感器组成一个闭环控制系统, 其框图如图2所示。
其中PLC可编程控制器系统根据设定的水位值与反馈的实际值进行比较, 其差值经PID运算处理后, 发出控制指令, 控制水泵的投运台数和水泵电机的转速, 从而达到水塔水位稳定在设定值附近。
3.2 水泵的控制策略
PLC自动累计三台水泵电机的运行时间, 水泵电机的切换采用连续运行24小时即自动停止, 当水位降低水位时, 启动两台备用水泵中总运行时间最短的那台。若一台水泵运行在50Hz仍不能满足供水, 水位继续下降至1800mm时, 则系统会自动运行总运行时间较短的备用泵。水泵电机是根据水位检测当前水位值送入PLC和给定值之间偏差进行PID运算, 从而控制变频器的输出电压和频率, 进而改变水泵电机的转速来改变供水量, 使水塔水位稳定, 达到供水管网压力的恒定。
3.3 控制系统的选型
本系统选用西门子S7-300型PLC、变频器选用丹佛斯FC300型、水位传感器选用E+H超声波液位计、人机界面选用WINCC7.02。其中PLC控制系统采用分布式控制系统, PLC主站安装在控制室的主控制柜内, 35m水塔装有从站, 主、从站通过Profibus网络通讯。PLC配置清单如表1所示。
3.4 程序设计
程序功能包含工作模式、模拟量输入输出处理、水泵自动选择、水塔水位的PID控制、声光报警等功能。
系统的工作模式有手动运行和自动运行两种, 考虑到系统的可靠性, 当自动模式出故障时, 系统能切换到手动运行模式, 可以通过控制柜的按钮进行对系统手动操作, 为了保证水塔水位, 不影响供水质量, 在水塔上同时装了两块E+H超声波水位计, 一块接入PLC, 另一块接入操作室的二次显示表。当接入PLC的水位计故障或PLC系统故障时, 可通过变频器的手操板控制变频器运行。
水塔水位的PID控制, 采用西门子的工程工具CFC编写, 通过绘制图表的方式来自动生成程序, 使用简单的连线来降低开发成本和降低程序的错误, 具有直观、调试方便的优点。CFC特别适合过程控制图, 因此水位的PID控制功能使用CFC实现。 (如图3)
水泵组的控制功能, 根据水泵的运行时间, 自动选择水泵, 达到三台水泵的运行时间的均衡。 (如图4)
系统报警是必不可少的重要组成部分, 为了保证系统安全、可靠、平稳的运行。对水泵供水池设定了最低水位500mm停机报警信号, 当水位降至此水位, PLC接收到信号, 立即对变频器发出停止信号, 停止水泵的运行, 以防机泵空转, 烧毁机封, 浪费电能。对35米水塔水位设定了2250mm的高水位报警信号, 水塔水位升至此水位发出声光报警信号, 提醒操作人员密切监视水塔水位, 以防水塔溢水。
3.5 人机界面的设计
系统人机界面采用西门子WINCC7.0进行设计, 画面美观简洁。具有系统监控、参数设置、报表输出等功能。 (如图5)
3.6 系统的调试
根据现场测试水塔水位在1800-2200mm之间, 供水压力稳定, 能够满足生产、生活用水的需求。水塔水位的下下限设为1800mm, 下限设为1900mm, 上限设为2100mm, 上上限设为2200mm, 整定PID控制参数后, 获得了理想的效果, 图6是2#泵供水时水塔水位与运行频率的趋势图, 从图中可以看出, 水塔水位十分稳定。
4 结束语
文章针对曲靖卷烟厂生产、消防、生活和绿化用水的特点, 摒弃原软启动控制装置, 重新设计开发了一套基于PLC的变频恒水位供水自动控制系统。该系统不仅有效地保证了供水系统水压的恒定, 而且具有工作安全可靠、施工简单、节能效果显著、全自动控制、无二次污染等优点。
摘要：介绍了采用带PID功能的西门子S7-300可编程控制器控制变频器进行水位调节, 系统存在工作可靠, 使用方便, 水位稳定, 无冲击等优越性。
关键词：PLC,恒水位供水,变频器,PID控制
参考文献
[1]张春.西门子STEP7编程语言与使用技巧[M].机械工业出版社, 2009.
[2]胡寿松.自动控制原理 (第四版) [M].北京:科学出版社, 2001.
[3]李军.Win CC组态技巧与技术问答[M].机械工业出版社, 2013, 1.
[4]丹佛斯变频器FC300设计指南[Z].2008, 7.