城市供水管網(wǎng)檢測及閥門智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

白政民

摘 要:供水管網(wǎng)的泄漏會造成經(jīng)濟(jì)損失及環(huán)境危害,及時對管道檢測并準(zhǔn)確對閥門進(jìn)行合理調(diào)節(jié)是減少漏損率的關(guān)鍵。介紹基于AT89C52單片機(jī)為核心的供水管網(wǎng)檢測及閥門智能控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)的建立,能夠?qū)崿F(xiàn)對城市供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集及閥門開關(guān)的自動控制,使管理員在最短的時間內(nèi)了解現(xiàn)場情況并做出相應(yīng)對策,不僅提高了供水企業(yè)的管理服務(wù)水平,而且降低了供水成本。

關(guān)鍵詞:AT89C52單片機(jī);電磁閥;供水管網(wǎng);智能控制

中圖分類號:TP274文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

文章編號:1004-373X(2009)19-163-03

Detection of City Water Supply Pipes Net and Design of Valves Intelligent Control System

BAI Zhengmin

(Xuchang University,Xuchang,461000,China)

Abstract:The leakage of water supply pipe network should lead to economic loss and environmental hazard,so it′s the key to reduce the leakage rate by detecting the pipeline timely and carrying out reasonable adjustment to the valves accurately.The design of hardware and software based on AT89C52 single-chip microcomputer and as the core of the water supply pipes net detection and valves intelligent control system are introduced.Setting up the system can help us achieve the city water supply pipe network data′s acquisition and the automatic control of valves.so it′s possible for administrators to understand the situation and make appropriate countermeasures in the shortest time.As a result,it not only improve the management of water supply service′s level,but also lower the cost of water supply.

Keywords:AT89C52 single-chip microcomputer; electromagnetic valve; water supply pipe network;intelligent control

0 引 言

城市供水管網(wǎng)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模巨大的管線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),是城市賴以生存的血脈。近年來,隨著技術(shù)進(jìn)步和改造資金投入,多數(shù)供水企業(yè)建立了供水?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)測與控制系統(tǒng)(SCADA),實(shí)現(xiàn)了水源和原水輸送系統(tǒng)監(jiān)測、凈水構(gòu)筑物和工藝設(shè)備監(jiān)控以及供水管網(wǎng)測壓等功能,但閥門啟閉和調(diào)節(jié)還必須依靠操作工人到現(xiàn)場手動完成。

管網(wǎng)閥門是供水系統(tǒng)中的重要設(shè)施,起到輸送、關(guān)斷、調(diào)節(jié)供水流量、壓力和改變流向等管網(wǎng)調(diào)控作用,是供水系統(tǒng)暢通輸配和管網(wǎng)搶修、維護(hù)、改造的重要保證措施。因此閥門作為管網(wǎng)中的一個重要設(shè)備,如何更好地管理,對搞好管網(wǎng)建設(shè)及運(yùn)行管理顯得越來越重要。

1 供水管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)

通常供水管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)由四部分組成(如圖1所示):管網(wǎng)參數(shù)測量,閥門智能控制系統(tǒng),管網(wǎng)監(jiān)測中心,閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其原理是通過傳感器遠(yuǎn)程采集管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù),經(jīng)有線或無線等方式將信號傳遞到企業(yè)管網(wǎng)控制中心和閥門智能控制系統(tǒng),閥門智能控制系統(tǒng)根據(jù)傳送來的適時反饋監(jiān)測數(shù)據(jù),控制電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行閥門調(diào)節(jié)。其中閥門智能控制系統(tǒng)是控制的核心部分。

圖1 供水管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 管網(wǎng)參數(shù)測量

供水管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)一般要求測量壓力、流量、流速、流向四路數(shù)據(jù)。所以現(xiàn)場需要配置壓力、流量、流速、流向變送器,然后通過有線或無線的方式把參數(shù)信號發(fā)送到閥門智能控制終端或管網(wǎng)監(jiān)測中心。對主管道應(yīng)分段測量,如圖2所示。

閥門V1的參數(shù)監(jiān)測模塊位于閥門V2前方,閥門V2的參數(shù)監(jiān)測模塊位于閥門V3前方。如此類推,這樣參數(shù)監(jiān)測模塊才能準(zhǔn)確地把主管道L1,L2,…段的參數(shù),反饋給閥門智能控制系統(tǒng)和管網(wǎng)監(jiān)測中心。

圖2 供水管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)參數(shù)測量示意圖

3 閥門智能控制系統(tǒng)

閥門智能控制系統(tǒng)可獨(dú)立地對傳遞來的管網(wǎng)參數(shù)信號進(jìn)行處理,根據(jù)處理后的結(jié)果向閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出執(zhí)行信號,還可以把參數(shù)上傳到管網(wǎng)監(jiān)測中心。

閥門智能控制系統(tǒng)可由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、單片微型機(jī)系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)等來實(shí)現(xiàn)。本文以單片機(jī)為控制核心并給出了針對某一測量點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

閥門智能控制系統(tǒng)主要包括主控制器CPU、A/D、D/A、8255A、6264SRAM、按鍵輸入電路、LED顯示電路、報警電路、時鐘和復(fù)位電路,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 閥門智能控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為核心,配合相應(yīng)的傳感器將檢測到的壓力、流量、流速、流向四路數(shù)據(jù)經(jīng)變送器處理后,轉(zhuǎn)換成0~5 V標(biāo)準(zhǔn)信號,送ADC0809芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,單片機(jī)每隔500 ms循環(huán)采樣一次,采樣5次后進(jìn)行中值濾波,經(jīng)數(shù)據(jù)變換后,在LED上顯示各參數(shù)的實(shí)際值(工程量),并將信息發(fā)送到管網(wǎng)監(jiān)測中心。同時檢測值與給定值進(jìn)行比較,根據(jù)比較結(jié)果輸出控制信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸出控制電壓,驅(qū)動閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對閥門的自動調(diào)節(jié)。

為了增加系統(tǒng)的靈活性,設(shè)計(jì)了一個4×4的矩陣式鍵盤。鍵碼0～9為輸入的數(shù)字量,按“A”鍵,顯示壓力;按“B”鍵,顯示流量;按“C”鍵,顯示流速;按“D”鍵,顯示流向;按“E”鍵,撤銷報警;按“F”鍵,投入報警。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)應(yīng)用程序由主程序及中斷服務(wù)程序兩大部分組成。

3.2.1 主程序

主程序程序框圖如圖4所示。包括三個主要環(huán)節(jié):一是實(shí)現(xiàn)各種初始化,包括設(shè)置堆棧指針、8255A芯片初始化、定時器/計(jì)數(shù)器0初始化、以及開中斷、定時器/計(jì)數(shù)器啟動等。二是實(shí)現(xiàn)顯示(按照人機(jī)對話功能顯示各種不同參數(shù))。三是不斷進(jìn)行鍵盤掃描,判斷是否有鍵按下,若無鍵按下,則返回顯示;如有鍵按下,則根據(jù)所按鍵實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的人機(jī)對話功能[1]。

3.2.2 中斷服務(wù)程序

中斷服務(wù)程序主要包括采樣、數(shù)據(jù)處理、報警、控制算法及控制值輸出等環(huán)節(jié),均以調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)[1],程序框圖如圖5所示。

圖4 主程序程序框圖

圖5 中斷服務(wù)程序框圖

4 管網(wǎng)監(jiān)測中心

管網(wǎng)監(jiān)測中心的信息處理系統(tǒng)可由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。通過RS 422/RS 485/Lonworks等不同的網(wǎng)絡(luò)接口[2],使閥門終端接入網(wǎng)絡(luò)中。管網(wǎng)監(jiān)測中心根據(jù)傳遞來的管網(wǎng)參數(shù),通過后臺監(jiān)控軟件可實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的記錄、分析處理、在控制中心的顯示屏上實(shí)時顯示出管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)及各種所需數(shù)據(jù),并提供出解決方案。如果數(shù)據(jù)異常,可發(fā)出報警提示職守人員。管網(wǎng)監(jiān)測中心對閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制權(quán)高于閥門智能控制系統(tǒng)。

5 閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)

閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的閥門采用電磁閥。電磁閥是用電磁控制的工業(yè)設(shè)備,用在工業(yè)控制系統(tǒng)中調(diào)整介質(zhì)的方向、流量、速度和其他的參數(shù)。電磁閥里有密閉的腔,在的不同位置開有通孔,每個孔都通向不同的油管,腔中間是閥,兩面是兩塊電磁鐵,哪面的磁鐵線圈通電閥體就會被吸引到哪邊。通過控制閥體的移動來檔住或漏出不同的排油的孔,然后通過油的壓力來推動油剛的活塞,活塞又帶動活塞桿,活塞竿帶動機(jī)械裝置動。這樣通過控制電磁鐵的電流就控制了機(jī)械運(yùn)動。另外,閥門還需配置手動調(diào)節(jié)的手柄,以備系統(tǒng)出現(xiàn)故障時以手動調(diào)節(jié)閥門。

6 結(jié) 語

城市供水管網(wǎng)檢測及閥門智能控制系統(tǒng)的主要目的是解決自來水公司對供水管道中各監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控以及閥門開關(guān)的自動控制。便于及時迅速地了解及控制管道及閥門,降低了故障率和檢修時間,減少停水次數(shù),提高了供水企業(yè)的服務(wù)水平,從而實(shí)現(xiàn)了城市供水的信息化、現(xiàn)代化。

參考文獻(xiàn)

[1]韓志軍,沈晉源,王振波.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[2]苗強(qiáng),何鳳有,鄧世建,等.基于RS 485總線的變電所監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報,2006(S1):921-922.

[3]張萌,和湘,姜斌.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)綜合實(shí)例[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.

[4]趙曉安.MCS-51單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].天津:天津大學(xué)出版社,2001.

[5]李廣弟,朱秀月,冷祖祁.單片機(jī)基礎(chǔ)[M].3版.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

[6]孟建華,郝晉霞.AT89S系列單片機(jī)及在線編程技術(shù)[J].西安工程科技學(xué)院學(xué)報,2006(6):143-145.

[7]張智,鄒志榮.基于單片機(jī)的日光溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2006,22(35):77-78.

[8]班建民,陸志強(qiáng).基于AT89C52的勵磁調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2006,22(32):276-278.

[9]許海波,廖傳書.基于AT89C52單片機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007,23(20):66-68.

[10]陳鋼,熊曉松.單片機(jī)80C196在電機(jī)調(diào)速中波形輸出的控制[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2006(6):14-16.