城市供水管網檢測及閥門智能控制系統的設計

白政民

摘 要:供水管網的泄漏會造成經濟損失及環境危害,及時對管道檢測并準確對閥門進行合理調節是減少漏損率的關鍵。介紹基于AT89C52單片機為核心的供水管網檢測及閥門智能控制系統的軟、硬件設計方法。該系統的建立,能夠實現對城市供水管網數據的采集及閥門開關的自動控制,使管理員在最短的時間內了解現場情況并做出相應對策,不僅提高了供水企業的管理服務水平,而且降低了供水成本。

關鍵詞:AT89C52單片機;電磁閥;供水管網;智能控制

中圖分類號:TP274文獻標識碼: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

城市供水管網是結構復雜、規模巨大的管線網絡系統,是城市賴以生存的血脈。近年來,隨著技術進步和改造資金投入,多數供水企業建立了供水數據監測與控制系統(SCADA),實現了水源和原水輸送系統監測、凈水構筑物和工藝設備監控以及供水管網測壓等功能,但閥門啟閉和調節還必須依靠操作工人到現場手動完成。

管網閥門是供水系統中的重要設施,起到輸送、關斷、調節供水流量、壓力和改變流向等管網調控作用,是供水系統暢通輸配和管網搶修、維護、改造的重要保證措施。因此閥門作為管網中的一個重要設備,如何更好地管理,對搞好管網建設及運行管理顯得越來越重要。

1 供水管網監控系統

通常供水管網監控系統由四部分組成(如圖1所示):管網參數測量,閥門智能控制系統,管網監測中心,閥門電動執行機構。其原理是通過傳感器遠程采集管網系統運行的數據,經有線或無線等方式將信號傳遞到企業管網控制中心和閥門智能控制系統,閥門智能控制系統根據傳送來的適時反饋監測數據,控制電動執行機構進行閥門調節。其中閥門智能控制系統是控制的核心部分。

圖1 供水管網監控系統結構框圖

2 管網參數測量

供水管網監測點一般要求測量壓力、流量、流速、流向四路數據。所以現場需要配置壓力、流量、流速、流向變送器,然后通過有線或無線的方式把參數信號發送到閥門智能控制終端或管網監測中心。對主管道應分段測量,如圖2所示。

閥門V1的參數監測模塊位于閥門V2前方,閥門V2的參數監測模塊位于閥門V3前方。如此類推,這樣參數監測模塊才能準確地把主管道L1,L2,…段的參數,反饋給閥門智能控制系統和管網監測中心。

圖2 供水管網監測點參數測量示意圖

3 閥門智能控制系統

閥門智能控制系統可獨立地對傳遞來的管網參數信號進行處理,根據處理后的結果向閥門電動執行機構發出執行信號,還可以把參數上傳到管網監測中心。

閥門智能控制系統可由計算機系統、單片微型機系統、PLC系統等來實現。本文以單片機為控制核心并給出了針對某一測量點的設計方案。

3.1 硬件設計

閥門智能控制系統主要包括主控制器CPU、A/D、D/A、8255A、6264SRAM、按鍵輸入電路、LED顯示電路、報警電路、時鐘和復位電路,其結構如圖3所示。

圖3 閥門智能控制系統硬件電路設計框圖

系統以AT89C52單片機為核心,配合相應的傳感器將檢測到的壓力、流量、流速、流向四路數據經變送器處理后,轉換成0~5 V標準信號,送ADC0809芯片進行A/D轉換,單片機每隔500 ms循環采樣一次,采樣5次后進行中值濾波,經數據變換后,在LED上顯示各參數的實際值(工程量),并將信息發送到管網監測中心。同時檢測值與給定值進行比較,根據比較結果輸出控制信號經D/A轉換器轉換后輸出控制電壓,驅動閥門電動執行機構實現對閥門的自動調節。

為了增加系統的靈活性,設計了一個4×4的矩陣式鍵盤。鍵碼0～9為輸入的數字量,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 軟件設計

系統應用程序由主程序及中斷服務程序兩大部分組成。

3.2.1 主程序

主程序程序框圖如圖4所示。包括三個主要環節:一是實現各種初始化,包括設置堆棧指針、8255A芯片初始化、定時器/計數器0初始化、以及開中斷、定時器/計數器啟動等。二是實現顯示(按照人機對話功能顯示各種不同參數)。三是不斷進行鍵盤掃描,判斷是否有鍵按下,若無鍵按下,則返回顯示;如有鍵按下,則根據所按鍵實現相應的人機對話功能[1]。

3.2.2 中斷服務程序

中斷服務程序主要包括采樣、數據處理、報警、控制算法及控制值輸出等環節,均以調用子程序實現[1],程序框圖如圖5所示。

圖4 主程序程序框圖

圖5 中斷服務程序框圖

4 管網監測中心

管網監測中心的信息處理系統可由計算機系統實現。通過RS 422/RS 485/Lonworks等不同的網絡接口[2],使閥門終端接入網絡中。管網監測中心根據傳遞來的管網參數,通過后臺監控軟件可實現對數據的記錄、分析處理、在控制中心的顯示屏上實時顯示出管網運行狀態及各種所需數據,并提供出解決方案。如果數據異常,可發出報警提示職守人員。管網監測中心對閥門電動執行機構的控制權高于閥門智能控制系統。

5 閥門電動執行機構

閥門電動執行機構中的閥門采用電磁閥。電磁閥是用電磁控制的工業設備,用在工業控制系統中調整介質的方向、流量、速度和其他的參數。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,活塞竿帶動機械裝置動。這樣通過控制電磁鐵的電流就控制了機械運動。另外,閥門還需配置手動調節的手柄,以備系統出現故障時以手動調節閥門。

6 結 語

城市供水管網檢測及閥門智能控制系統的主要目的是解決自來水公司對供水管道中各監測點的數據采集、監控以及閥門開關的自動控制。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,提高了供水企業的服務水平,從而實現了城市供水的信息化、現代化。

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