一种多边界泥沙模型试验自动加沙系统.pdf

本发明公开了一种多边界泥沙模型试验自动加沙系统，该系统包括：供沙系统与控制系统；其中，所述控制系统包括依次相连的人机界面HMI、可编程控制器PLC与变频器；所述HMI输出流量控制指令至所述PLC控制器，所述PLC控制器对该流量控制指令获得对应的流量数据，并发送至变频器，所述变频器根据接收到的流量数据对所述供沙系统的出流量进行控制，实现高精度的自动加沙。

1.  一种多边界泥沙模型试验自动加沙系统，其特征在于，该系统包括：供沙系统与 控制系统；
其中，所述控制系统包括依次相连的人机界面HMI、可编程控制器PLC与变频器；
所述HMI输出流量控制指令至所述PLC控制器，所述PLC控制器对该流量控制指令获 得对应的流量数据，并发送至变频器，所述变频器根据接收到的流量数据对所述供沙系统 的出流量进行控制，实现高精度的自动加沙。

2.  根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述供沙系统包括：浑水搅拌池，浑水 搅拌设备，上水泵，稳水池，输沙管道，供水泵，供水管道；
所述输沙管道的出沙口对准所述浑水搅拌池；所述浑水搅拌设备设置在所述浑水搅拌 池中，所述浑水搅拌池的上部设有一稳水池；所述上水泵的上水口插入所述浑水搅拌池中， 其出水口对准所述稳水池；
所述供水泵的两端均连有供水管道，其中一端供水管道的入水口插入所述稳水池中， 另一端供水管道的出水口对准所述多边界泥沙模型。

3.  根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述HMI输出流量控制指令至所述PLC 控制器，所述PLC控制器对该流量控制指令获得对应的流量数据，并发送至变频器，所述 变频器根据接收到的流量数据对所述供沙系统的出流量进行控制包括：
预先建立变频器不同频率时对应出流量的关系曲线；
根据供沙系统中浑水搅拌池的含沙浓度，将多边界泥沙模型试验所需的输沙率转化成 供沙系统的出流量，再通过频率与出流量关系曲线插值求得对应的变频器频率，进而由所 述HMI输出对应的流量控制指令，所述PLC控制器根据所述对应的流量控制指令控制所述 变频器，实现供沙系统的出流量控制。

一种多边界泥沙模型试验自动加沙系统
技术领域
本发明涉及水利水电技术领域，尤其涉及一种多边界泥沙模型试验自动加沙系统。
背景技术
目前，泥沙模型试验悬移质加沙系统一般借助流量计通过人工调节截门来控制进口 加沙量，这种方法不仅精度低，而且只适用于恒定加沙，如果加沙量变化较快时，无法人 工调节。
然而，在潮汐河工模型试验中，潮汐水流输沙率在一个周期内处于变化之中，边界加 沙量要求随潮汐水流适时变化，传统方法无法满足潮汐河工模型试验的加沙要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种多边界泥沙模型试验自动加沙系统，可以实现整个试验过程 的适时加沙控制，具有良好的稳定性和较高的控制精度。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种多边界泥沙模型试验自动加沙系统，该系统包括：供沙系统与控制系统；
其中，所述控制系统包括依次相连的人机界面HMI、可编程控制器PLC与变频器；
所述HMI输出流量控制指令至所述PLC控制器，所述PLC控制器对该流量控制指令获 得对应的流量数据，并发送至变频器，所述变频器根据接收到的流量数据对所述供沙系统 的出流量进行控制，实现高精度的自动加沙。
进一步的，所述供沙系统包括：浑水搅拌池，浑水搅拌设备，上水泵，稳水池，输沙 管道，供水泵，供水管道；
所述输沙管道的出沙口对准所述浑水搅拌池；所述浑水搅拌设备设置在所述浑水搅拌 池中，所述浑水搅拌池的上部设有一稳水池；所述上水泵的上水口插入所述浑水搅拌池中， 其出水口对准所述稳水池；
所述供水泵的两端均连有供水管道，其中一端供水管道的入水口插入所述稳水池中， 另一端供水管道的出水口对准所述多边界泥沙模型。
进一步的，所述HMI输出流量控制指令至所述PLC控制器，所述PLC控制器对该流量 控制指令获得对应的流量数据，并发送至变频器，所述变频器根据接收到的流量数据对所 述供沙系统的出流量进行控制包括：
预先建立变频器不同频率时对应出流量的关系曲线；
根据供沙系统中浑水搅拌池的含沙浓度，将多边界泥沙模型试验所需的输沙率转化成 供沙系统的出流量，再通过频率与出流量关系曲线插值求得对应的变频器频率，进而由所 述HMI输出对应的流量控制指令，所述PLC控制器根据所述对应的流量控制指令控制所述 变频器，实现供沙系统的出流量控制。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，利用PLC控制器的控制技术和变频器的变频 原理，实现了对整个试验过程的适时加沙控制，该系统大大提高了模型试验的加沙精度， 满足了潮流泥沙模型试验的加沙要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附 图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领 域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附 图。
图1为本发明实施例提供的一种多边界泥沙模型试验自动加沙系统；
图2为本发明实施例提供的供沙系统结构示意图；
图3为本发明实施例提供的控制系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描 述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发 明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施 例，都属于本发明的保护范围。
实施例
图1为本发明实施例提供的一种多边界泥沙模型试验自动加沙系统。如图1所示，该系 统主要包括：供沙系统与控制系统；
其中，所述控制系统包括依次相连的人机界面HMI、可编程控制器PLC与变频器；
所述HMI输出流量控制指令至所述PLC控制器，所述PLC控制器对该流量控制指令获 得对应的流量数据，并发送至变频器，所述变频器根据接收到的流量数据对所述供沙系统 的出流量进行控制，实现高精度的自动加沙。
进一步的，所述供沙系统包括：浑水搅拌池，浑水搅拌设备，上水泵，稳水池，输沙 管道，供水泵，供水管道；
所述输沙管道的出沙口对准所述浑水搅拌池；所述浑水搅拌设备设置在所述浑水搅拌 池中，所述浑水搅拌池的上部设有一稳水池；所述上水泵的上水口插入所述浑水搅拌池中， 其出水口对准所述稳水池；
所述供水泵的两端均连有供水管道，其中一端供水管道的入水口插入所述稳水池中， 另一端供水管道的出水口对准所述多边界泥沙模型。
进一步的，所述HMI输出流量控制指令至所述PLC控制器，所述PLC控制器对该流量 控制指令获得对应的流量数据，并发送至变频器，所述变频器根据接收到的流量数据对所 述供沙系统的出流量进行控制包括：
预先建立变频器不同频率时对应的出流量的关系曲线；
根据供沙系统中浑水搅拌池的含沙浓度，将多边界泥沙模型试验所需的输沙率转化成 供沙系统的出流量，再通过频率与出流量关系曲线插值求得对应的变频器频率，进而由所 述HMI输出对应的流量控制指令，所述PLC控制器根据所述对应的流量控制指令控制所述 变频器，实现供沙系统的出流量控制。
为了便于理解，下面针对本发明所提供的自动加沙系统做进一步的说明。
本发明所提供的自动加沙系统是根据潮汐水流输沙率适时变化和潮流泥沙模型试验 三面开边界的特点所提出的，该系统必须满足输沙率变幅大和变化快的要求。根据模型要 求的输沙率过程，计算输沙率的变幅以及试验过程的加沙量，选用适当的供沙系统设备， 以满足整个过程输沙率变幅的要求；采用变频器通过控制水泵输入电压，控制水泵转速， 从而控制水泵的出水流量。具体来说：
供沙系统可以包括浑水搅拌池，浑水搅拌设备，上水泵，稳水池，输沙管道，供水泵， 供水管道等；控制系统可以包括人机界面(HMI)，可编程控制器(PLC)，以及变频器 等。
示例性的，供沙系统可采用如图2所示的结构进行布置。
浑水搅拌池容量根据模型试验的情况而定，尽量保证满足一次试验的使用，避免在试 验过程中配沙，搅拌池采用圆形底部呈凸弧状；浑水搅拌设备根据搅拌池的大小而定，一 般较大搅拌池时选用电机驱动的机械搅拌设备，而对于较小搅拌池时只需用一个浑水泵搅 拌即可。在试验放水前，按配比加水加沙，配成要求的含沙浓度；浑水搅拌池上部设置一 稳水池，起恒定水压的作用，搅拌池内搅拌均匀的浑水通过上水泵抽到稳水池，稳水池始 终保持同样的水位，使供水泵在相同频率出流量保持一致，从而提高出流量的控制精度。
自动加沙系统的核心部分是控制系统，该系统由三部分组成，控制部分(通过HMI人 机接口完成)、运算部分(通过PLC可编程控制器完成)、驱动部分(通过变频器完成)； 示例性的，控制系统结构可如图3所示。
其工作过程如下：HMI发出控制指令给PLC控制器，PLC控制器接收到指令后进行处 理，然后将处理完的数据传给变频器，变频器再控制供水泵的出流量。HMI是用户控制PLC 控制器的设备，用户可根据自己的需要设置参数，人机界面采用触摸式操作方式，从而使 操作系统使用时更简单、直观、人性化，人机界面的内部程序是根据要求和工程的具体情 况，使用组态软件进行编程，在WINDOWS操作系统中运行，使用时非常方便、简单、直 观。PLC控制器是这套系统的核心，PLC控制器根据需要进行编程，可以通过梯形图方式 进行编程，PLC控制器有100多种应用指令，功能强大，通过逻辑顺序控制从而实现自动 化控制要求，适用于各种各样的自动化控制设备。变频器又称马达驱动器，它是通过控制 马达电压(V)和频率(F)的变化来控制马达速度，从而控制水泵的流量，变频器受PLC 控制，接收PLC指令，PLC可以控制变频器的频率、启动、停止、反转等。
另外，自动加沙系统工作时，由于管道有阻力损失及稳水池的恒定水压力，首先要对 输沙管道进行率定，以确定变频器不同频率时出流量的大小。率定时由控制器发出信号给 变频器，不同频率对应不同的流量，建立频率与出口流量的关系曲线。然后根据搅拌池的 含沙浓度，将模型试验需要的输沙率转化成出口流量，再通过率定好的频率流量关系曲线 插值求得对应的变频器频率，试验开始时，将此频率过程线作为数据文件输入控制器，在 试验过程中，控制器根据该频率信号控制变频器，实现对非恒定流试验的自动加沙。
本发明实施例中，可以通过HMI中相应的操作界面进行多种控制，操作界面主要有： 主界面、参数设置界面和控制界面。系统开机后会自动进入主界面，通过主界面再进入其 它界面，实现过程控制。界面非常直观，操作非常简单；下面对每一操作界面进行详细的 介绍：
1)主界面
设备供电后系统就会进入主操作界面，首先选择变频器供电按钮，使变频器上电，然 后选择数据系列(本模型试验分大潮、中潮和小潮)，任选其中一项，程序就会按照你所 选择的数据系列的设定参数运行，选择下一页按钮会进入控制界面，选择参数按钮，进入 相应数据系列的参数设定，以中潮为例(大潮和小潮与中潮参数设置界面相同)，选择中 潮按钮后进入中潮参数设置界面。
2)参数设置界面
此界面是对系统运行参数进行设置的界面，序号是指步数，时间步长可以在控制界面 里设置，可以通过向上或向下按钮换页，从而改变序号，修改每步的频率，点击退出按钮 返回主画面。可设置的参数主要有：(1)水泵频率设置。数据量较大时可直接通过计算 机与之连接输入到控制器，也可以直接在触摸屏上修改，频率范围为0～50HZ；(2)放 大倍数设置。放大倍数有三个数值分别对应1#泵、2#泵、3#泵频率的放大倍数，设定范围 为1～9.9，频率与放大倍数的乘积，即是变频器的实际运行频率，当设置频率与放大倍数 的积大于50时，变频器以50HZ运行，设置放大倍数参数主要为了更好的控制输沙精度， 若搅拌池含沙量配的较高或较低时，可以通过减小或增加放大倍数，以准确控制输沙率； (3)最大步数设置，可以通过设置最大步数来改变每个周期的运行步数；(4)循环次数 设置，变频器从第一个频率运行到设置的步数为一次循环，我们可根据实际需要来设定循 环次数。
3)控制界面
控制界面分两部分：控制部分和显示部分。控制部分可以对每个水泵(例如，本发明 实施例使用了三台水泵)的启动和停止进行总控制和分控制，点击总启动按钮，三台水泵 同时启动；点击总停止按钮，三台水泵可同时停止，分别点击每个泵所对应的启动和停止 按钮，可分别控制单个水泵的启动和停止，点击上一页按钮进入主界面；点击步长时间， 可设置时间步长，时间单位为秒，控制界面的下部分为数值的显示部分，分别显示各水泵 当前运行的周期(循环次数)、步数和当前频率。
本发明实施例的上述方案已经在台山电厂、阳江核电、青岛电厂二期、红沿河核电、 防城港核电、石岛湾核电等近10个火/核电厂取排水口工程泥沙模型试验中应用，实践表明 该自动加沙系统采用了PLC控制器的控制技术以及变频器的变频作用，成功的解决了潮流 泥沙模型试验加沙的自动控制问题。该系统在实际应用中稳定可靠，操作方便简单，大大 提高了试验加沙控制精度，为潮流泥沙模型试验，以及其它多边界、非恒定流河工模型试 验悬移质自动加沙提供了切实可行的新方法。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任 何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都 应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围 为准。