超声波水位计在水闸工程中的应用

丛良良，孙德勇

（1.杭州定川信息技术有限公司，浙江 杭州 310020；2.浙江省河海测绘院，浙江 杭州 31000 8）

超声波水位计在水闸工程中的应用

丛良良1，孙德勇2

（1.杭州定川信息技术有限公司，浙江 杭州 310020；2.浙江省河海测绘院，浙江 杭州 31000 8）

现代水闸工程的建设，自动化监控系统已经广泛运用其中。水位数据监测作为自动化监控系统的基础数据，为工程的安全起到至关重要的作用。运用水位数据可以准确计算出水体的容量、流量、压力等数据，为水闸工程的安全运行及统一调度提供重要的数据支撑。

超声波水位计；水闸工程；应用

1 问题的提出

水闸工程多用于防汛防台、防洪排涝中。防汛安全性要求非常高，工程的安全可靠运行责任重大。而水位数据作为水闸启闭调度、测算水体容量、闸体上下游流速的重要依据具有至关重要的作用。因此准确测量水位，对于水闸工程来说非常重要。测量水位的方法主要是使用水位计，水位计的种类主要有：电容式水位计、浮子式水位计、压力式水位计、超声波水位计、雷达水位计，激光水位计、电子水尺等。

水闸工程中最常用的水位计有浮子式水位计、压力式水位计与超声波水位计，其中浮子式水位计传感器的优点是分辨率高、量程大、寿命长、性能稳定可靠。但浮子式水位计的使用必须配合水位测井或测管，设备安装前期投入费用较大。且设备配件较为复杂，浮子测绳容易打滑绞缠。压力式水位计的传感器部分可直接投入到液体中，安装使用较为方便。但压力式水位计受水质及水下淤泥影响较大，测量精度比较差。超声波水位计由于设备与测量液体无接触，不易受污泥堵塞、冲刷、液体腐蚀；设备造价低安装不破坏水体结构不需建造水位测井，节省投资；检测技术先进适用各种复杂环境；无机械磨损，稳定耐用，安装检修方便等优点被广泛使用在水闸工程的水位测量中。

2 超声波水位计的原理

超声波水位计简单运用速度、时间、距离的计算公式s = vt，超声波在空气中传播的速度v是一定的，只要计算出超声波水位计在发送和接收超声波信号之间的时间t，则可以计算出超声水位计与被测液体之间的双向距离s。由于发送与接收信号使用的是双倍时间，所以最终被测距离为：s = vt/2。因为超声传感器与容器的底部距离H是一定的，则被测液位h = H - s（见图1）。

图1 超声波水位计测量原理图

超声波水位计多数采用二线制、三线制或四线制技术。二线制为：供电与信号输出共用，为无源测量传感器；三线制为：供电回路和信号输出回路独立，当采用直流24 V供电时，可使用1根3芯电缆线，供电负端和信号输出负端共用1根芯线；四线制为：当采用交流220 V供电时，或者当采用直流24 V供电，要求供电回路与信号输出回路完全隔离时，应使用1根4芯电缆线。

3 超声波水位计在水闸工程中的应用

3.1 超声波水位计在水闸工程中的安装

超声波水位计在水闸工程的安装位置不宜选择在靠近闸门的位置，闸门启闭时靠近闸门处水流波动起伏较大，容易使测量不准确。安装位置宜选择在水流波动小且没有漂浮物（如水葫芦）及没有船只靠近的水流平缓处。

选择安装位置时应计算超声波水位计量程，避免超出测量范围；接线时应采用密封接线端子盒，防止水侵造成短路。同时应当考虑水闸工程的设计警戒水位，避免水体过高时浸泡设备造成损坏。

3.2 超声波水位计的主要输出形式

水闸的水位数据采集，主要由传感设备、数据转换设备及后台处理软件等组成。根据不同环境、安装要求选择相适应的水位计。各种水位计原理不同，但输出信号基本是下面3种：开关量信号、模拟量信号（4 ～ 20 mA或5 V电压）和485通讯。

3.2.1 开关量信号输出

开关量信号直接接入控制回路，通过水位的变化控制电路。

3.2.2 模拟量信号输出

模拟量信号需要通过模数转换模块转化，最常用的是接入PLC模拟量模块。二线制接线方式见图2。

模拟量模块可以设定模拟量输入规格0 ～ 10 V、4 ～ 20 mA等，采集进来后，将4 ～ 20 mA转换为数字量，比如6 400 ～ 32000（不同PLC模块对应的值不一样），程序里进行标度变换对应的0 ～ 10 m，4 mA对应数字量6 400，对应物理量0 m，20 mA对应数字量32000，对应物理量10 m。相当于一个函数Y = KX + b的求解指令，Y为最后一个VD108就是所测的水位值，X为最初的输入Alw0。转换过程见图3（I＿DI模块表示整数转化为双整数，DI＿R模块表示双整数转化为实数，SUB＿R模块表示减法，MUL＿R模块表示乘法，DIV＿R模块表示除法）。

图2 二线制接线方式图

图3 设备原始值与计算值转换过程图

3.2.3 4 8 5信号输出通讯

485信号直接与PLC串口或电脑通讯进行数据转换。PLC与设备通讯口引脚分配定义相对应，PLC编程梯形图程序流程：PLC端口初始化→发送读数据命令→适当延时→读端口返回数据→(如果需要确认，则发送确认帧命令→)进入下一轮发命令及读数据循环。以西门子200为例，调用内部程序块：编程时使用SM0.1调用子程序MBUS_ INIT进行初始化，使用SM0.0调用研究MBUS_SLAVE，并指定相应参数。关于参数的说明，列在子程序的局部变量表中。内容程序调用图见图4。

图4 内部程序调用图

图4参数意义如下：

Mode（模式选择）：启动/停止MODBUS，1 =启动；0 =停止；当Port0用作Modbus从站协议通讯时，不能再用作任何其它目的，包括与STEP7 — Micro/WIN通讯。MBUS_INIT指令控制Port0的设定是Modbus从站协议还是PPI。

Addr（从站地址）：MODBUS从站地址，取值1 ～ 247；

Baud（波特率）：可选1 200，2 400，4 800，9 600，19 200，38 400，57 600；

Parity（奇偶校验）：0 =无校验；1 =奇校验；2 =偶校验；

Delay（延时）：附加字符间延时，缺省值为0；

MaxIQ（最大I/Q位）：参与通讯的最大I/O点数，S7 -200的I/O映像区为128/128，缺省值为128；

MaxAI（最大AI字数）：参与通讯的最大AI通道数，可为16或32；

MaxHold（最大保持寄存器区）：参与通讯的V存储区字（VW）；

HoldSt ～ （保持寄存器区起始地址）：以&VBx指定（间接寻址方式）；

Done（初始化完成标志）：成功初始化后置1；

Error（初始化错误代码）；

MODBUS执行：通讯中时置1；

错误代码：0 =无错误。

4 超声波水位计在萧山大治河水闸工程中的应用

萧山大治河闸站工程为杭州市小砾山排灌闸站除险加固工程—西水东引河道工程大治河闸站项目。主要建筑物由泵站及船闸组成。泵站由上下游连接段、清污室、泵室等组成，船闸由上下游引航道、上下闸首、闸室组成，船闸上闸首与泵站相临布置，配套管理用房布置在泵站东侧。船闸为双向通航船闸。

由于本项目为自动化系统升级改造项目，如果使用浮子式水位计需要增加水位测井施工投入成本较大。由于大治河内淤泥较多且为通航河道，在河道内安装压力式水位计容易受淤泥堵塞及船只撞击破坏。考虑到大治河为萧山城区内水河道，水流长期稳定水位落差不大，适合使用超声波水位计。因此泵站上下游水位监测和船闸通航水位监测均使用高品质超声波水位计。此项目已经投入使用多年，系统稳定可靠，超声波水位计极少发生故障，为工程的有效运行提供了保障。

5 结 语

随着全面推行水利工程标准化管理的进程，水闸工程进入“建管并重”的新型模式。水位数据的自动化采集正是水闸工程安全运行管理的基础。学习掌握超声波水位计的原理与应用有利于水闸工程基层管理人员及时有效的排查与维护系统，为水闸工程的安全运行提供保障。

（责任编辑 郎忘忧）

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10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.04.011

2017-03-10

丛良良(1981 - )，男，工程师，大学本科，主要从事水利工程自动化控制系统项目的设计、施工及管理工作。