灌區(qū)閘門遠(yuǎn)程自動化控制系統(tǒng)

張日勇

（大連市供水有限公司，遼寧 大連 116000）

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，分一個(gè)主站和若干個(gè)子站，通過無線調(diào)制解調(diào)器構(gòu)成一個(gè)無線通訊網(wǎng)絡(luò)，對多個(gè)斷面的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集、傳輸、處理和控制。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。下位機(jī)中的傳感器把引水渠中的水位值和各閘門的開度值經(jīng)轉(zhuǎn)換后送給編碼器，編碼器對水位及閘門開度信號進(jìn)行編碼，在通過避雷器將編碼信號傳給數(shù)采儀，數(shù)采儀將數(shù)據(jù)進(jìn)行初步加工和處理后由無線調(diào)制解調(diào)器傳給上位機(jī)，上位機(jī)即系統(tǒng)主站，可分別與不同的子站建立聯(lián)系，查詢各測點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并按照用戶的要求對各閘門進(jìn)行控制，下位機(jī)中的控制箱接收到此信息，經(jīng)過計(jì)算，發(fā)出控制信號自動控制閘門到一定的開度，達(dá)到自動控、制的目的。

圖1 閘門遠(yuǎn)程自動監(jiān)測與控制結(jié)構(gòu)圖

2 下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)下位機(jī)重點(diǎn)在于閘門自動控制箱的設(shè)計(jì)，本文提出閘門的運(yùn)行控制模式，并進(jìn)行可靠性處理，然后利用無線傳輸設(shè)備與上位機(jī)進(jìn)行通訊，傳輸數(shù)據(jù)。

2.1 下位機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)采用AT89系列單片機(jī)，采用矩陣式鍵盤進(jìn)行輸入數(shù)據(jù)，鍵盤提供切換鍵、時(shí)間設(shè)置鍵、控制鍵三個(gè)按鍵，通過三個(gè)按鍵顯示水位、流量、閘門開度、日期和時(shí)間。切換鍵實(shí)現(xiàn)上述四個(gè)功能的轉(zhuǎn)換，時(shí)間設(shè)置鍵用于修改日期和時(shí)間，控制鍵用于對電機(jī)啟停進(jìn)行控制。

2.2 閘門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)下位機(jī)接收到上位機(jī)傳來的要求流量值（或水位值），當(dāng)要求的流量值（或水位值）與系統(tǒng)所測的流量值（或水位值）不一致時(shí)，單片機(jī)啟鍵閉合，閘門電動裝置控制箱自動啟動電機(jī)，提升或下降閘門，當(dāng)所要求的流量值（或水位值）與當(dāng)前所測流量值（或水位值）相等時(shí)，單片機(jī)閉鍵閉合，電機(jī)自動停止，達(dá)到自動控制的目的。閘門的運(yùn)行控制模式有實(shí)時(shí)型控制模式和定時(shí)型控制模式兩種，在實(shí)時(shí)型控制模式中，上位機(jī)根據(jù)用戶要求的流量，利用流量-水位關(guān)系曲線把要求的流量換算成要求的水位，然后和下位機(jī)聯(lián)系，下位機(jī)接到信號后，由電動裝置控制箱控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，達(dá)到要求時(shí)停止轉(zhuǎn)動。定時(shí)控制模式要求用戶輸入所期望的流量值和要求閘門動作的時(shí)間，下位機(jī)的控制箱在規(guī)定的時(shí)間里自動開啟和關(guān)閉閘門，進(jìn)行控制。

2.3 無線通訊設(shè)備SRM6100調(diào)制解調(diào)器。SRM6100無線調(diào)制解調(diào)器原是美國Data-Linc Group公司生產(chǎn)的軍用產(chǎn)品，現(xiàn)應(yīng)用于民用。它提供最可靠和最高性能的串行無線通訊方法，在2.4GHz-2.483GHz頻段應(yīng)用智能頻譜跳頻技術(shù)，在無阻擋物的情況下，兩調(diào)制解調(diào)器之間的通訊距離可達(dá)32.18公里，可實(shí)現(xiàn)PLC（可編程控制器）和工作站之間的無線連接。SRM6100應(yīng)用跳頻，擴(kuò)頻和32位誤碼矯正技術(shù)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴o需昂貴的射頻點(diǎn)檢測技術(shù)。射頻數(shù)據(jù)傳輸速率為188kbps。并且不需要FCC點(diǎn)現(xiàn)場許可證。SRM6100支持多種組態(tài)，包括點(diǎn)對點(diǎn)通訊和多點(diǎn)通訊。多點(diǎn)通訊對子站數(shù)目無限制。并且SRM6100可做為中繼器工作，以達(dá)到擴(kuò)展通訊距離或克服阻擋物通訊的目的。

2.4 下位機(jī)可靠性處理。為了精確控制電動閘門的關(guān)閉，避免電動閘門在工作中出現(xiàn)過載破壞或關(guān)閉不嚴(yán)的現(xiàn)象，本系統(tǒng)在電動軸上安裝了轉(zhuǎn)矩傳感器，用來監(jiān)測閘門輸出軸的轉(zhuǎn)動力矩，以判斷閘門是否關(guān)嚴(yán)、是否被卡住。閘門電動裝置用于檢測和控制閘門的開度，本系統(tǒng)在轉(zhuǎn)動軸上安裝了光電碼盤，考慮到閘門可能出現(xiàn)頻繁的正反轉(zhuǎn)交替，為了避免錯位和丟碼，采用雙光耦技術(shù)，光耦輸出的兩路信號經(jīng)74221雙單穩(wěn)觸發(fā)器進(jìn)行整形，89C51的INT0和INT1對其進(jìn)行計(jì)數(shù)、計(jì)時(shí)，并判斷轉(zhuǎn)動方向，計(jì)算閘門開度。電動閘門在工作中若出現(xiàn)異常現(xiàn)象，系統(tǒng)會自動報(bào)警，切斷電機(jī)電源并顯示故障情況。

2.5 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)分為閘門自動裝置控制箱程序設(shè)計(jì)和串行口中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)兩部分。閘門自動裝置控制箱程序設(shè)計(jì)主要完成數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示、按鍵操作等功能，串行口中斷服務(wù)的程序完成下位機(jī)向上位機(jī)數(shù)據(jù)的傳送和用戶設(shè)定參數(shù)的接收。控制箱程序的主框圖如上：

圖2、閘門自動控制程序流程圖

3 上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)的軟件部分采用VB6.0為開發(fā)工具，將各個(gè)功能模塊化，分別解決相應(yīng)問題，再將各個(gè)模塊組裝，構(gòu)成上位機(jī)軟件系統(tǒng)的核心，上位機(jī)軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，通信模塊位于最底層，其余模塊功能的實(shí)現(xiàn)都直接或間接建立在此模塊的基礎(chǔ)上，本文利用VB的API函數(shù)編寫串口通訊程序，程序的框圖如圖4所示。數(shù)據(jù)管理模塊的主要作用就是為水位、流量、閘位等建立數(shù)據(jù)庫，并對其進(jìn)行管理。

結(jié)語：本文以國內(nèi)某灌區(qū)為例，全面分析了灌區(qū)閘門自動化控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)，對其軟件開發(fā)和硬件選擇作了全面闡述，并總結(jié)了提高自動化系統(tǒng)可靠性的經(jīng)驗(yàn)，為提高灌區(qū)現(xiàn)代化管理水平提供了有利的工具，具有較高的使用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。

圖3、上位機(jī)軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4、通信模塊程序流程圖

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