激光水位计在故县水库的应用

1 激光测距仪在故县水库的应用激光测距仪在故县水库的应用 一 一 工程概况工程概况 故县水库位于黄河支流洛河中游峡谷区 故县大坝地处河南省 洛宁县境内 距下游的洛阳市 160 余公里 是以黄河防洪为主 兼 顾灌溉 发电 供水等综合利用的大型工程 水库建筑物系由大坝 电站厂房及附设坝体内的泄水孔道组成 故县水库总库容为 11 75 亿立方米 正常蓄水位为 534 8 米 设计洪水位为 548 55 米 极限死水位为 495 米 根据防洪任务将水 库分为近 远期运用 需满足近期 无小浪底水库 7 亿 m3左右 远期 有小浪底水库 5 亿 m3左右的防洪库容 由于地质条件复杂 近期运用又分为降低水位 正常水位两个阶段 这样既能保持水库 远期 近期防洪 灌溉 供水 发电的综合效益 又能给大坝稳定 安全有一个考验时间 因此故县水库水位变幅大且变化频繁 二 实施的必要性二 实施的必要性 故县大坝上游水位井设在坝体内 由于施工期间的失误 导致 水位井在垂直方向偏移太多 况且水位井井壁钢板锈蚀严重目前表 面特别粗糙 用浮子水位计测水位时 钢丝绳和浮子由于与水位井 井壁之间摩擦太大 甚至拌死浮子 因此使监测坝上水位出现困难 直接影响到水库调度工作的正常进行 出现一些不应该有的误差 尤其当水位比较低时 问题更严重 故县水库水位变幅大变化频繁 况且水库水位又是水库调度最重要的水情数据之一 如果没有准确 2 的库水位 水库调度工作将无法开展 为此必须更新改造大坝上游 水位的监测方法 三 实施的可行性三 实施的可行性 目前国内水库水位监控的方法主要有 浮子水位计 压力型水 位计和超声波水位计 但均具有这样那样的缺点和不足 激光测距 仪在日常工程测量中广泛应用 以其精度高 操作简便而得到广泛 的应用 所以我们应用这种原理来测量水位在技术上是完全可能的 经过认真分析 认为在水面设置反射板 将能够测得稳定可靠的数 据 只要能测得精确水位 其它数据接口转换及控制电路的制作将 很容易实现 四 四 项目实施方案的比较选择及确定项目实施方案的比较选择及确定 由于激光具有很好的方向性且不易发散 所以只要很小的空间 就可测得数据 目前故县水库水位井有一定倾斜 所以在这里应用 将有特殊的便利条件 经过以上对几种水位测量方法的分析 我们 最终决定采用激光测距仪制作的水位计替代浮子水位计 其优越性 主要体现在以下几方面 测量精度高 在 100 米测量范围内 误差小于正负 3 毫米 对于象我们这种高水头大库容和水位变化范围大的水库具有突出重 要意义 采用激光测距仪作为测量的关键部件 传感器不接触水 不容易受潮 因此可靠性高 长期使用稳定性好 可远距离测量水位 免去了复杂的机械传动机构 安装方 3 便 长期运行的稳定性和抗干扰能力大大高于其它液位传感器 安装方便简单 还可以提高多种数据接口 为不同的用户 同时通过服务 激光水位计密封好 外壳坚固 可以在高湿 高温 和低温环境长期运行 一 一 其性能指标 其性能指标 测量范围 0 100 米 特殊要求时可达 0 300 米 分辨率 1mm 测量误差 正负 3mm 特殊要求时精度可达正负 1 5mm 适用环境 有测井的场合 测量方式 自动定时测量或连续测量 可现地软件设定 定时测量时间间隔 1 7200 秒 输出接口标准 输出接口标准 1 6 位 BCD 码 或格雷码 1 路 2 RS 485 1 路 3 4 20mA 1 路 以上为最大配置 可根据需要部分选择 也可同时选择 现场显示 6 位数码管显示器 2 个 4 位数码管显示器一个 可同时显示绝对水位 海拔高程 和相对水位 测量水位即相对于 某点高程的水位 继电器输出 继电器输出 3 路继电器输出 其中一路为转换接点 两路常开接点 接点容量 AC 250V 3A DC 30V 3A 4 通讯距离 测量单元与通讯控制单元 1 2km 通讯方式 RS 485 通讯波特率 200 2400 4800 9600 19200 可现场软件设定 使用工作环境 300 C 450 C 使用环境湿度 0 95 工作方式 连续在线 二二 工作原理 工作原理 本系统液位监测的关键部件是由激光测距仪组成 使用时 水 位监测单元安装在测井上方 激光测距仪向水面发射一束激光 同 时 激光测距仪通过本身的光学系统将发射到水面的光斑采集到传 感器中 通过比较发射与返回信号的相位差 精确的计算出激光测 距仪与水面之间的距离 三 三 系统结构 系统结构 本产品采用激光测距仪为水位测量的传感元件 系统主要由水 位监测单元 通讯控制单元及显示单元等部分组成 各单元之间用 RS 485 网络连接组成一个完整的水位监测系统 下面分别介绍 现地测量单元 现地测量单元主要完成水位信号的采集 现地显示 并行输出 及通讯功能 通讯接口标准为 RS 485 使用 AC220V 交流电源 使 用时 本单元直接安装在测井口的上方 激光测距仪对准测井的中 间部位垂直向下 直射水面 平时本单元会按照一定的时间间隔或 以连续测量两种工作方式自动进行水位测量 其工作方式的选择可 5 以通过面板上的轻触按键设定 以保证向主机传送的数据为最新数 据 本单元一旦接到通讯控制单元发出采集命令之后 立即将最近 一次采集到的水位信号送本地显示器显示 另外 它还将水位信号 经 RS 485 通讯接口 送到通讯控制器 再由通讯控制器将此信号送 至远方或本地显示及计算机监控系统中 现地测量单元在系统中最 多可配置 16 个用户 可用来对栏污栅前 栏污栅后以及尾水位进行 测量 通讯控制器 通讯控制器在系统中的主要作用是按照设定的时间间隔自动向 各测量单元发出采集命令 接受各测量单元送来的数据 并将水位 信号进行数据处理 计算出水位差 一方面送本单元显示器显示 另一方面还将各水位信号送至本单元的 BCD 并行口 本单元还可将 所有采集到的水位信号送入本地或远程显示单元显示 通讯控制器 与各现地测量单元 本地显示单元及远地显示单元之间的通讯均以 RS 485 标准进行 远程显示单元 远程显示单元可以根据需要做成不同规格 可以是数码管显示 也可以选择液晶显示器显示或采用点阵发光屏显示 本单元的作用 是将上游 下游 栏污栅压差 水位差等数据全部 或部分 显示 在屏幕上 本单元一般是安装在电厂中控室供运行管理人员随时监 测使用 五 项目实施的条件方法步骤和工艺措施五 项目实施的条件方法步骤和工艺措施 6 设备安装 设备安装 激光水位计测量单元直接安装在测井上方原来浮子水位计的固 定支架上即可 采用 220 伏交流电供电 也可采用 12 伏直流供电 通讯控制单元本身带两个 6 位 LED 数码管和一路 4 位 LED 数码 管显示器 此单元安装在人们可观察到的地方 以方便检修或查找 故障 现地显示单元内常规数据显示 现地显示单元一般安装于中央 控制室的信号返回屏上 供电厂运行人员观察和监视水位信号 激光水位计测量单元与遥测端机的连接采用 BCD 口与遥测端机 的并口按照对应关系连接 测量单元随时把测量数据保持在 BCD 口 遥测端机在单扳机的控制下 定时发送水位数据到水情遥测系统网 络 由遥测数据处理中心把该数据转换成库水位并存入数据库 测 量单元用 4 20mA 模拟口用原来坝体里埋设的信号电缆把模拟量送 至电厂中控室 把水位数据在返回屏上显示 供电厂运行人员观察 编程与设定 编程与设定 无论是水位测量单元 还是通讯控制单元 必须经初始化编程 与设定才能正常工作 由于水位测量单元与通讯控制单元的硬件及 系统软件基本相同 因此两个模块的初始化编程也大致相同 只是 在设置的参数上有所不同而已 初始化编程使用模块上的三行数码 显示器与五个编程按键配合进行 其面板布局如下图所示 显示器显示器 DSP1DSP1 UPUP 7 显示器显示器 DSP2DSP2 LTLTRTRT 显示器显示器 DSP3DSP3 DNDN ENTERENTER 控制面板说明 DSP1 六位数码显示器 用来显示海拔高程水位 即库水位 DSP2 六位数码显示器 用来显示测量范围内水位 相对水位 DSP3 四位数码显示器 用来显示现场温度或传感器与水面距离 UP 键 某设定位数字加一 DN 键 某设定位数字减一 LT 键 被设置数数码左移一位 RT 键 被设置数数码右移一位 Enter 键 确认键 使用方法 使用方法 本装置只要接线正确 退出编程即自动进入运行状态 此时 水位测量单元将按照用户设定的时间间隔自动测量或连续进行测量 并将数据存放在缓冲区 本产品还带有三路继电器输出 其中 1J 为独立输出转换接点 2J 与 3J 为独立输出的常开接点 用户可用来作为警界水位报警输 出 或用于集水井控制排水马达的启停 继电器动作值以及动作属 性 常开或常闭 可以通过面板上按键来进行设定 六 激光水位计试运行期间的情况及解决的主要问题六 激光水位计试运行期间的情况及解决的主要问题 8 该激光水位计 2002 年 5 月份底安装完成并开始试运行 试运行 期间出现了一些小问题 导致了运行过程中常常出现异常数据 主 要问题有两方面 一是用 4 20mA 模拟量口用原来铺设的信号线把信号传送至电 厂监控系统的返回屏时 数据跳变非常频繁且变幅太大 以致显示 出来的数据没有实际应用价值 后来 经过与电厂监控改造人员及 水位计厂家人员一起分析 测试 得出的结论是电厂中控室电磁干 扰太大 对模拟量的干扰严重 后来经过分析决定用优质屏蔽线做 信号线 重新布线在坝顶电厂快速闸门室现地控制柜把该模拟量引 入电厂监控系统 将可减少电磁干扰 后来经过测试效果很好 显 示出的数据在返回屏上的变幅在正负 3 厘米范围内波动 可以让人 们知道准确的水库水位 至此 这一问题已圆满解决 二是从坝顶经过无线信道传至遥测水情计算中心的库水位值一 度异常跳变 运行效果不理想 后来经过仔细观察和分析问题 认 为水面反射板用发泡板 由于其太轻且边角没有修圆 在水位井中 井壁由于锈蚀原因特别粗糙 反射板太轻被井壁拌住 使其倾斜而 导致测量数据跳变 另有一个原因是水位井在 518 米高程左右 水 位井在长的方向变小了 宽度没变 这样 当水位低于 518 米时 由于返射板太长不能平放在水面 于是测得水位就跳变 后来 我 们采用 PVC 管做了一个四边封闭的框 中间固定一块塑料板 把它 水平放入井中 从此运行良好 几乎没有出现异常数据现象 同时 考虑到水位井的截面积有大小之分 我们做了一大一小两个 PVC 框 9 当水位在 518 米以上时 用大的 水位 518 米以下时用小的 至此激光水位计开始稳定的运行起来 再也没有出故障 后来 考虑到毫米级的水库水位没有现实意义 就对水位计的软硬件进行 升级 把毫米级水位值去掉 同时增加了对一段时间里水位值取平