重庆水下隧道实验室波流采集控制系统 (2)

重庆水下隧道实验室波流采集控制系统一前言水下隧道实验室是重庆交科院公路隧道建设技术国家工程实验室的5 个分实验室之一，实验室建成后的主要任务是：着重研究软基、超长、高水位、大流速下的沉管隧道和深海悬浮隧道等特殊环境下的水下公路隧道关键技术问题，为跨海超长公路隧道的建造超前研发和储备核心技术。

水下试验主要基于大比尺模型试验方法，在实验水池内根据实际条件设计相应的外部边界条件以及沉管或悬浮隧道模型，同时利用造波、造流设备产生不同的流场环境，模拟真实的复杂水文环境；利用先进的数据采集设备测试隧道结构体系各关键部位和区段在拖曳、沉放和静置等不同阶段的力学响应，包括速度、位移、加速度、锚索间距以及流固耦合产生的动力响应等控制性参数，从而为水下隧道工程的设计提供实验依据。

主要功能如下：1）波流共同作用下沉管隧道纵向拖曳试验；2）波流共同作用下沉管隧道横向沉放试验；3）波流作用下沉管隧道管段结构和接头的力学响应规律的试验；4）沉管隧道基础水下处理方案研究试验；5）波流作用下悬浮隧道结构体系力学响应规律的试验；6）悬浮隧道结构体系在水下冲击荷载下力学行为的试验；7）悬浮隧道不同结构体系要素的水动力影响规律的试验。

8）兼顾水下盾构隧道和水下钻爆法隧道的水下模型试验二.模型推荐方案布置图图 1 36m×31m 方形水池方案平面布置图试验水池主要考虑沉管隧道的浮运、下沉以及悬浮隧道的动力响应等试验，所以试验水深和上述2 类隧道的设计水深直接相关。

沉管隧道现有最大水深60m，采用20～30 的比尺，水深将需要3～2m。

当模型比尺为24 时，水池水深为2.5m。

采用5台900ZLB（Q）-100型卧式双向轴流泵并联布置，单泵流量2.82m3/s，总流量14.1 m3/s，扬程3.92m，配备功率5×180kW，采用304 不锈钢泵叶片，造流泵性曲线见图3.9。

反向造流时流量损失5%左右。

水泵进出口管径DN900，5 台泵并联接入DN2000 主干管，再分10 根DN900 支管接入进出水舱。

根据不同试验流量要求，1~5 台可组合开启。

水泵采用变频电机调速，通过变频控制柜调节流量，形成闭合循环造流系统。

支管设DN900 电动调节蝶阀，根据水池试验区流场监控反馈信息，调节进入各进出水舱的流量大小。

三造流控制采集系统1 设备在模型上布置在水池模拟流场，一般为恒定流，包括正向流、反向流和斜向流。

而该造流系统由水池、轴流泵、造流管道、电动阀门、流速仪及其控制系统组成，水池布置如图1，图2所示。

图1 设备在模型上布置在设备布置图1中，5台轴流泵和10台进出电动阀门布置在模型水池下方，每台轴流泵进出口各布置两台进出电动阀门。

电动阀门全开时每台轴流泵可在模型双向造流，轴流泵起推流作用，由于模型两头水头差基本相同，因此可认为扬程基本没有，流量仅和轴流泵的转速有关。

模型两边各布置10台电动调节阀，通过控制轴流泵和电动调节阀的开度，以产生模型所需要的流态。

图2 设备在模型上布置在设备布置图2中，模型出流口前方布置一套流速仪跟踪测架,长24m，水面跟踪范围约2m，当斜向造流时，跟踪架断面移动与流速相对垂直方向，跟踪架上布置五个等分流速测杆做诶反馈，保证流速测杆入水深度在任何水面下都是相同的。

但旋桨流速仪无法测流向。

2 造流控制系统造流控制系统由工控机、触摸屏控制柜、变频器、流速仪、调节阀、可编程控制器等硬件设备组成，这些设备组成了完善的造流控制采集系统。

造流控制系统的总线布置如图3所示,在试验过程中还有一些仪器设备的数据采集也可接入该系统中的采集部分，如水位仪、流速仪等。

在该造流控制系统中，通过上位机发送指令给下位机，由下位机控制各个电动水泵、电动阀、液压调节阀，通过控制各个执行机构在水池内造流，此时通过在水流出口安装一排流速仪，测得进入试验模型的流速，并换算成流量，以此作为控制器的反馈量，通过上位机反复调节各个调节阀，使得造流系统产生所要求的各种流态。

造流系统的工作原理如图3所示。

工控机通过总线通讯发出控制信号给可编程控制器，由可编程控制器控制变频器带动轴流泵以一定的速度运转，在水池中产生具有一定流速的流场。

由可编程控制器通过控制变频器的启动和停止、正向和反向、转速大小。

同时，通过控制调节阀调整阀的开度，以控制进出水的流量，此时通过测量出流管的出口流速，通过计算得出管道出口流量，反馈给工控机，重新调节调节阀的开度，直至管道输出流量达到设定值。

通过闭环控制达到流量的稳定输出，以实现水池内的正向流、反向流和斜向流的控制。

图3 控制系统总线布置图4 造流控制流程图3 造流控制硬件设计图5 造流控制系统工作原理图造流控制系统中，通过流速仪采集流速，用于修正算法和数据的分析处理。

流场模拟试验中，根据实际要求，可以模拟正向流、逆向流、双向变速流。

模拟单向恒流速实验时，根据目标流速，由工控机发出相应控制信号，得到实测流速值，计算机将实测值与目标值进行比较，根据差值进行修正，将达到理想值，控制系统的工作原理如图4，图5所示。

试验数据自动采集系统水位多点同步测量采用跟踪式水位仪，实现（20-40）点水位测量；流速多点同步测量采用先进的多功能智能流速仪,实现（32-64）点流速测量；水位、流速、采用无线传输，测量数据能够实时自动显示、绘图、存盘。

4 造流控制软件设计控制软件将采用Windows多线程技术完成前台的显示、故障处理和后台的控制、采集功能，下位机软件流程如图6所示。

图6 造流控制下位机软件基本流程图模拟流速之前，要针对试验水深进行流速标定。

首先选择标定的水泵和方向，然后发出控制信号，以步距量为1mA为例，控制变频器产生相应的频率，驱动水泵运转，当流速相对稳定时，记录流速仪测量的流速值，最后得到一条标定曲线，再进行插值运算形成一个较高精度的标定文件，由于水正向流和逆向流的管道特性可能有差别，因此正向和逆向要分别进行标定，保存标定数据时会根据所选择的水泵和流的方向自动存入对应的标定文件中。

模拟恒定流时，可以输入流速，工控机利用标定文件计算所需输出的电流值，根据采集流速自动修正，也可以直接输入电流值，实验者观测流速，手动调节输出电流，直至达到满意流速场。

水池模拟过程中，程序设计主要包含3个方面：可编程控制器（下位机）的编程，上位机的监控程序设计，还有控制算法的程序设计。

可编程控制器的程序主要实现对应用控制程序的调度、I/O管理、中断处理、实时管理等，其主要功能为：完成实时时钟管理，并向各分系统提供时间依据，使工控机系统以确定的时间周期重复进行采样、计算和输出；输入/输出信息管理，以完成数据的采集与输出；比较完善的中断管理功能，以便分辨处理不同的中断请求；对各分系统程序运行顺序的管理，即进行任务调度；完成人机联系。

过程监控级是由上位机实现，主要功能是完成控制系统的实时监控一级设置相关参数。

界面设计由控制系统主界面、初始化设置界面、调试界面、运行界面、数据报表界面、实时曲线界面、历史曲线界面等组成，上位机基本架构如图7所示。

图7 造流控制上位机基本架构设计控制算法软件时，采用专家控制和经典PID相结合的方法，设计符合系统实际情况的自适应PID控制算法，并加入抑制饱和作用的遇限消弱积分算法，增加了系统控制精度和稳定性。

四不规则造波系统不规则造波系统在模型上布置见图1，设计波高范围为2.5-20cm，周期的范围为0.50-2.00s。

为了更好的模拟波流存在交角的影响，可以采用波向改变或流向改变来实现。

依据目前的情况采用方向谱不规则造波机的造价过高，例如DHI 首次报价达340万欧元。

所以采用变流向结合单向不规则造波机组合，能满足实际需要。

布置L型双边单向不规则造波机，顺流向（南北向）推波板总宽24m，垂流向（东西向）推波板总宽24m，高1.5m。

采用推板式机械结构，伺服电机控制驱动，每边各4 台造波机同步运行，单台造波机电机功率7.5kW。

对于不规则波的波谱，要求包括海港水文规范谱、P-M 谱、B谱、Jonswap 谱、ITTC 谱、ISSC谱、Scott 谱和Wallops谱等。

其技术指标见表4.1。

表 4.1 不规则波的波谱技术指标造波机的机械框架采用钢结构制作，推波板采用不锈硬铝板制作。

推板框架安装在直线滚动导轨上，这种导轨的动、静摩擦力之差很小，适合于高速的直线运动。

导轨能实现无间隙运动，这样能保证推波板之间的间隙很小（一般不大于2～3mm），大大减少了推板前后的水体交换，改善了造波性能。

造波机的机械传动，采用伺服电机和滚珠丝杠组成的传动机构，同液压伺服作动缸相比，具有结构紧凑，系统简单，无复杂的各种电磁阀、油路系统、油源，无噪音，无液压油泄漏的烦恼。

推波板的最大行程范围为±400mm。

在行程范围的二端各安装限位开关，当限位开关起作用时，电机停止工作，起到保护作用。

为了消除由造波机生成的波浪不使其返回而影响模型试验结果，在水池周边均设置消波装置，设计采用消波网箱，外框采用铝合金型材制作，内填塑料盲沟板，盲沟空隙率、密度按设计样品定做。

五仪器仪表1 流速仪（1）仪器仪表简介流速分布是流体运动的主要特性之一，既是理论分析的基础，也是严重理论的标准，同时还为工程实践提供可靠依据，流速测量是模型试验测量技术中最核心的内容。

二十世纪以来，流速测量技术取得了较快的发展，从单点流速测量发展到多点流速测量，从单向到多向、从稳态到瞬态发展，从毕托管、旋浆流速仪、热线热膜流速仪（HWFA）、电磁流速仪、超声波多普勒流速仪（ADV）、激光多普勒流速仪（LDV）发展到粒子图像测量技术（PIV）。

（2）系统概述对于本次的水下隧道实验水池的流速测量，主要在于两点，即流速和水位。

以下将从这两个方面来具体展开介绍。

对于流速的测量设备：旋浆式流速仪；PIV表面流场测量仪ADV超声波多普勒流速仪对于水位的测量设备：跟踪式测量仪；超声波式测量仪；对于本实验水池而言,由于长、宽涉及太大，若采用超声波式测量仪，则需设置导轨，但是这样造价太大同时牢固性强度不大，所以此方案不适合。

因此本次采用常规的检测方法：利用旋浆式流速仪来定点测量，利用PIV来测量全池水面情况，对于本水池来讲，需要定点测量的旋浆式流速仪10套，表面流场测量仪PIV4套。

该系统可同步实时测量河流模型中多个测点的水流流速以及测点水深同时还有整个水面等参数，然后通过RS485总线将测量数据送至处于河流模型现场的上位机进行相关处理并显示。

用户可控制上位机与控制室里的PC机通信，将采集数据送至PC机分析处理，从而得到实验结果。

上位机与下位机的通信协议较简单，采用单片机多机通信方式，与PC机的通信协议采用MoDBusRTu协议。

（3）主要技术指标PIV表面流场测量仪：测量范围：3~100 cm/ s；测量精度：5％；流向最大跟踪速度：10~20︒ / s；流向测量精度：± 4︒智能无线测速仪（HG-ZWLS）：测量范围1～300 cm/s；测量精度1%；流向测量精度±1度2 浪高测量仪（1）仪器仪表简介波高和水位在水利工程模型试验中心是必不可少的水利要素，二者在测量要求上有所不同，水位对于测量的精度要求较高，而波高需要能敏捷可靠地反映瞬时的波浪幅度变化（波浪要素有波高、周期和波长）。