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CN112459041A - 地下水回灌智能控制系统 - Google Patents

地下水回灌智能控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种地下水回灌智能控制系统，包括信号采集模块、人机交互模块、微控制器模块、继电器、电磁阀、变频器、增压泵和供电部分；人机交互模块和信号采集模块连接微控制器模块；微控制器模块通过继电器连接电磁阀；微控制器模块通过变频器连接增压泵；信号采集模块包括连接于微控制器模块的一地下水渗压传感器和一回灌井井口压力传感器；地下水渗压传感器设置于一水位观测井内；回灌井井口压力传感器设置于一回灌井的井口；一回灌管道连通至回灌井内，电磁阀和增压泵安装于回灌管道。本发明的一种地下水回灌智能控制系统，具有适用性广、操作简单、智能化、高精度的特点，替代目前地下水回灌施工过程中人工手动控制的方式。

Description

地下水回灌智能控制系统
技术领域
本发明涉及岩土工程地下水治理领域，尤其涉及一种地下水回灌智能控制系统。
背景技术
根据不同回灌目的，基坑工程地下水回灌分为基于环境变形控制和基于水资源保护两种主要类型。目前国内外大量使用的直接回灌方法主要是地面入渗法和管井注入法。管井注入法因其不受地形条件、透水层分布和地下水位埋深等条件的限制，且占地少、水量浪费少、不易受地面气候变化等因素影响，在基坑工程应用中具有明显的优越性。俞建霖等提出了一种回灌系统的设计方法及程序，并成功地应用于杭州市四堡污水厂扩建工程中消化池基坑开挖的实践中，取得了很好的经济效益和社会效益。毛根海等研究了潜水抽-注水井耦合作用下浸润线的求解方法，推导了抽-注水井耦合作用时浸润线的计算公式，给出了该理论用于回灌技术中求解抽水量和注水量的方法。陆建生等对深基坑抽灌一体化的内涵、相关原理、组成特点及控制要点进行了阐述。最后以上海汉中路枢纽站为例，总结分析了深基坑抽灌一体化设计及运行控制在该工程实践中的应用。罗华锋等以上海地铁某车站为工程背景，利用MIDAS数值计算软件，针对上海地区第二层承压水的抽取与回灌引起的地下水水位变化及地层沉降进行数值分析，研究了承压水含水层厚度及回灌井滤管长度对抽取与回灌效果的影响，对研究承压水抽取与回灌对环境的影响因素有较高指导价值。侯景岩等介绍了北京地铁“复一八线”工程降排水与回灌相结合的施工方案，既保证了地铁施工安全无水作业，又保护了有限的地下水资源，同时有效地控制了因排水引起的地面沉降，并指出基坑抽、灌相结合的方案具有明显的经济效益。
目前，地下水人工回灌在岩土工程的应用尚不成熟，回灌过程的数据采集、回灌需求分析和回灌控制技术尚未形成系统的设备。目前地下水回灌的工程实践，主要以手动切换回灌管道的阀门来进行控制，水位观测频率和控制精度有限，且不能设置水位容许变幅，难以实现目标水位的准确控制，影响回灌的效果。
基于观测井水位控制的常水头无压回灌，没有考虑在回灌量不足以维持目标水位的情况下，通过增加回灌井水头压力来增加回灌量，也即没有将回灌量、回灌压力纳入控制标准，具有一定的局限性。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种地下水回灌智能控制系统，具有适用性广、操作简单、智能化、高精度的特点，替代目前地下水回灌施工过程中人工手动控制的方式。
为了实现上述目的，本发明提供一种地下水回灌智能控制系统，包括一信号采集模块、一人机交互模块、一微控制器模块、一继电器、一电磁阀、一变频器、一增压泵和一供电部分；所述人机交互模块和所述信号采集模块连接所述微控制器模块；所述微控制器模块通过所述继电器连接所述电磁阀；所述微控制器模块通过所述变频器连接所述增压泵；所述信号采集模块包括连接于所述微控制器模块的一地下水渗压传感器和一回灌井井口压力传感器；所述地下水渗压传感器设置于一水位观测井内；所述回灌井井口压力传感器设置于一回灌井的井口；一回灌管道连通至所述回灌井内，所述电磁阀和所述增压泵安装于所述回灌管道；所述供电部分连接所述信号采集模块、所述电磁阀、所述变频器和所述增压泵。
优选地，所述人机交互模块包括多个按键和一LCD显示屏；所述按键和所述LCD显示屏连接所述微控制器模块。
优选地，所述微控制器模块包括一STC89C52单片机、以及连接于所述STC89C52单片机的一RS485通讯模块、一按键输入模块和一LED显示输出模块；所述按键输入模块连接所述按键；所述LED显示输出模块连接所述LCD显示屏。
优选地，所述水位观测井的井口盖设有一观测井井盖，所述地下水渗压传感器连接一绳索，所述绳索上固定有一定位器；所述绳索穿过所述观测井井盖，所述观测井井盖对所述定位器限位。
优选地，还包括一电磁流量计，所述电磁流量计安装于所述回灌管道上，所述电磁流量计连接所述STC89C52单片机。
优选地，所述回灌井的井口安装有一法兰，一盲板通过螺栓固定于所述法兰上；所述盲板上安装有一排气阀和所述回灌井井口压力传感器；所述回灌管道通过所述盲板通入所述回灌井内。
优选地，所述法兰和所述盲板之间设置有一密封垫。
优选地，还包括一集成控制箱；所述微控制器模块设置于所述集成控制箱内；所述人机交互模块设置于所述集成控制箱的表面。
优选地，还包括多个状态指示灯，所述状态指示灯设置于所述集成控制箱的表面并连接所述微控制器模块。
本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：
1、集成了回灌过程的水位监测、流量监测和回灌压力监测，对回灌进行全过程监测和记录；
2、通过人机交互模块，可针对实际应用条件设置相应的水位变幅和压力限制等控制标准，适用面广，操作简单；
3、本系统的投入使用，能够实现人工观测和控制所无法实现的全过程的精细化控制，大大提高回灌效益，同时减少了现场人工投入。
附图说明
图1为本发明实施例的地下水回灌智能控制系统的原理图；
图2为本发明实施例的微控制器模块的结构示意图；
图3为本发明实施例的地下水回灌智能控制系统的结构示意图；
图4为图3的A-A截面图。
具体实施方式
下面根据附图1～图4，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。
请参阅图1～图4，本发明实施例的一种地下水回灌智能控制系统，包括一信号采集模块1、一人机交互模块2、一微控制器模块3、一继电器4、一电磁阀5、一变频器6、一增压泵7和一供电部分；人机交互模块2和信号采集模块1连接微控制器模块3；微控制器模块3通过继电器4连接电磁阀5；微控制器模块3通过变频器6连接增压泵7；信号采集模块1包括连接于微控制器模块3的一地下水渗压传感器101和一回灌井井口压力传感器102；地下水渗压传感器101设置于一水位观测井8内；回灌井井口压力传感器102设置于一回灌井9的井口；一回灌管道10连通至回灌井9内，电磁阀5和增压泵7安装于回灌管道10；供电部分连接信号采集模块1、电磁阀5、变频器6和增压泵7。
地下水渗压传感器101和回灌井井口压力传感器102分别用于采集观测井水位信号和回灌井井口压力信号。
人机交互模块2包括多个按键21和一LCD显示屏22；按键21和LCD显示屏22连接微控制器模块3。通过按键21和LCD显示屏22回显，设置回灌系统初始参数，例如回灌目标水位、允许水位降深限值以及回灌供水管道允许压力限值等。
微控制器模块3包括一STC89C52单片机31、以及连接于STC89C52单片机31的一RS485通讯模块32、一按键输入模块33和一LED显示输出模块34；按键输入模块33连接按键21；LED显示输出模块34连接LCD显示屏22。
STC89C52单片机31是一种低功耗、高性能CMOS8位微处理器，具有8K字节系统可编程Flash存储器。在系统中用于压力传感器数据的采集和处理，以及控制继电器4和变频器6工作等。
RS485通讯模块32采用MAX485芯片，用于压力传感器和变频器6通讯的信号转换，将STC89C52单片机31的数字信号转换成RS485通讯模块32的差分信号。
继电器4是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”，在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。本系统中由于STC89C52单片机31是5V电压工作的小电流装置，需要通过继电器4来控制220V电压工作的电磁阀5。
变频器6是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。该系统中变频器6主要是用来控制增压泵7开关及转速，达到调节回灌井9压力的作用。
电磁阀5是用电磁控制的工业设备，是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器。该系统中电磁阀5被STC89C52单片机31间接控制，用来开/关回灌管路通水状态。
供电部分：由于各元器件之间工作电压不同，所以各部分之间应该按实际所需电压供电，除380V和220V电压外，24V和5V直流电压均通过220V交流电转换而来。
水位观测井8的井口盖设有一观测井井盖11，地下水渗压传感器101连接一绳索，绳索上固定有一定位器12；绳索穿过观测井井盖11，观测井井盖11对定位器12限位。观测井井盖11的底面还设置有对中器13。
还包括一电磁流量计14，电磁流量计14安装于回灌管道10上，电磁流量计14连接STC89C52单片机31。
回灌井9的井口安装有一法兰15，一盲板16通过螺栓17固定于法兰15上；盲板16上安装有一排气阀18和回灌井井口压力传感器102；回灌管道10通过盲板16通入回灌井9内。
法兰15和盲板16之间设置有一密封垫19。
还包括一集成控制箱20；微控制器模块3设置于集成控制箱20内；人机交互模块2设置于集成控制箱20的表面。
还包括多个状态指示灯22，状态指示灯22设置于集成控制箱20的表面并连接微控制器模块3。
本发明实施例的一种地下水回灌智能控制系统，其基本工作原理如下：
微控制器模块3按照预设采集频率从观测井的地下水渗压传感器101、回灌井井口压力传感器102采集水位数据和井口水头压力数据，然后根据水位预设标准将水位数据转换成回灌需求等级。微控制器模块3根据回灌需求等级信号通过继电器4来控制分步直动式电磁阀5的开/关状态的切换，并通过变频器6来实现增压泵7的工作状态的控制：STC89C52单片机31根据预设对应等级下的压力上限值和回灌井9口的压力反馈信号确定需求增压泵7功率信号，然后将需求信号发送给变频器6，变频器6根据需求信号对增压泵7输出所需电压，实现按需增压回灌。
观测井水位与回灌需求等级对应关系如下：
回灌需求等级I：实时水位sw∈[s0,∞)；电磁阀5关闭；增压泵7关闭；
回灌需求等级II：实时水位sw∈(s0-s1,s0)；电磁阀5开启；增压泵7关闭；
回灌需求等级III：实时水位sw∈(s0-2s1,s0-s1]；电磁阀5开启；增压泵7开启；压力上限值30％P0；
回灌需求等级IV：实时水位sw∈(s0-3s1,s0-2s1]；电磁阀5开启；增压泵7开启；压力上限值50％P0；
回灌需求等级V：实时水位sw∈(-∞,s0-3s1]；电磁阀5开启；增压泵7开启；压力上限值P0；
其中，s0为回灌区域初始水位，也为回灌目标水位；s1为回灌目标水位允许降深值；P0为加压回灌压力上限值。
数据采集设备的安装：地下水渗压传感器101通过观测井井盖11置入观测井可能的最低水面以下，由定位器12固定其深度位置，地下水渗压传感器101通过信号线与集成控制箱20中水位控制器采集输入端口连接。回灌井井口压力传感器102采用井口压力表与回灌井盖预留螺孔对接，配套的压力传感器通过信号线与集成控制箱20的反馈信号输入端口连接。电磁流量计14与回灌管道10连接，通过信号线与集成控制箱20的流量输入端口连接。
输出设备的安装：电磁阀5两端与回灌管道10连接，并通过电源线与集成控制箱20对应的输出端口相连。增压泵7两端与回灌管道10连接，并通过电源线与集成控制箱20对应的输出端口相连。
系统调试：水位采集模块的调试主要是检查传感器的灵敏度和稳定性：将计算公式中采集量的系数和常数设置为1和0，在传感器的位置固定的情况下连续采集若干次，前后采集量数值之差小于0.5HZ，则灵敏度满足要求。输出模块的调试以增压泵7变频工作状态的稳定性为核心，同时检查电磁阀5的开/关状态切换的灵敏度。系统综合调试：主要检查控制器将水位信号向回灌需求信号转换的可靠性，保障信号的精确传输，综合调试时间不应少于1天。系统正常运行阶段，应按不小于1次/7d的频率对水位进行人工复核。
参数输入：系统需要输入的参数包括传感器的率定系数、初始水位和初始模量；回灌目标水位s0和容许水位降深s1；输回灌井口最小压力等级条件下的压力上限值P0。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种地下水回灌智能控制系统，其特征在于，包括一信号采集模块、一人机交互模块、一微控制器模块、一继电器、一电磁阀、一变频器、一增压泵和一供电部分；所述人机交互模块和所述信号采集模块连接所述微控制器模块；所述微控制器模块通过所述继电器连接所述电磁阀；所述微控制器模块通过所述变频器连接所述增压泵；所述信号采集模块包括连接于所述微控制器模块的一地下水渗压传感器和一回灌井井口压力传感器；所述地下水渗压传感器设置于一水位观测井内；所述回灌井井口压力传感器设置于一回灌井的井口；一回灌管道连通至所述回灌井内，所述电磁阀和所述增压泵安装于所述回灌管道；所述供电部分连接所述信号采集模块、所述电磁阀、所述变频器和所述增压泵。
2.根据权利要求1所述的地下水回灌智能控制系统，其特征在于，所述人机交互模块包括多个按键和一LCD显示屏；所述按键和所述LCD显示屏连接所述微控制器模块。
3.根据权利要求2所述的地下水回灌智能控制系统，其特征在于，所述微控制器模块包括一STC89C52单片机、以及连接于所述STC89C52单片机的一RS485通讯模块、一按键输入模块和一LED显示输出模块；所述按键输入模块连接所述按键；所述LED显示输出模块连接所述LCD显示屏。
4.根据权利要求3所述的地下水回灌智能控制系统，其特征在于，所述水位观测井的井口盖设有一观测井井盖，所述地下水渗压传感器连接一绳索，所述绳索上固定有一定位器；所述绳索穿过所述观测井井盖，所述观测井井盖对所述定位器限位。
5.根据权利要求4所述的地下水回灌智能控制系统，其特征在于，还包括一电磁流量计，所述电磁流量计安装于所述回灌管道上，所述电磁流量计连接所述STC89C52单片机。
6.根据权利要求5所述的地下水回灌智能控制系统，其特征在于，所述回灌井的井口安装有一法兰，一盲板通过螺栓固定于所述法兰上；所述盲板上安装有一排气阀和所述回灌井井口压力传感器；所述回灌管道通过所述盲板通入所述回灌井内。
7.根据权利要求6所述的地下水回灌智能控制系统，其特征在于，所述法兰和所述盲板之间设置有一密封垫。
8.根据权利要求7所述的地下水回灌智能控制系统，其特征在于，还包括一集成控制箱；所述微控制器模块设置于所述集成控制箱内；所述人机交互模块设置于所述集成控制箱的表面。
9.根据权利要求8所述的地下水回灌智能控制系统，其特征在于，还包括多个状态指示灯，所述状态指示灯设置于所述集成控制箱的表面并连接所述微控制器模块。
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