超聲波數(shù)控水位自報(bào)儀技術(shù)的研制

史 磊

（南水北調(diào)中線(xiàn)干線(xiàn)工程建設(shè)管理局河南直管建管局平頂山項(xiàng)目部，河南 魯山 467300）

1 研發(fā)背景

水位觀(guān)測(cè)是防汛工作的重要組成部分，是工程運(yùn)行工作的基礎(chǔ)，是做好汛期人員調(diào)度、料物配送、搶險(xiǎn)指揮、防汛預(yù)警工作的最基本的工作。在每年的調(diào)水調(diào)沙及主汛期期間，水位觀(guān)測(cè)顯得尤為重要，無(wú)論天氣、道路情況多么惡劣，都要求一線(xiàn)職工定時(shí)向上級(jí)防汛部門(mén)報(bào)送水位情況，有時(shí)甚至要求5分鐘一次，觀(guān)測(cè)人員日夜堅(jiān)守在觀(guān)測(cè)崗位，為保證圓滿(mǎn)完成這項(xiàng)工作付出了辛勞的汗水。為了解決這一問(wèn)題，減輕一線(xiàn)職工的工作強(qiáng)度，改變傳統(tǒng)的人員觀(guān)測(cè)形式，推動(dòng)治黃工作向科技方向發(fā)展，有必要研究開(kāi)發(fā)出一種能夠根據(jù)水位變化借用通訊網(wǎng)絡(luò)將水位變化情況定時(shí)向上級(jí)主管部門(mén)、領(lǐng)導(dǎo)發(fā)送的儀器，代替人員觀(guān)測(cè)，以便及時(shí)決策。

2 研發(fā)思路、目標(biāo)、技術(shù)特征

2.1 研發(fā)思路

水位觀(guān)測(cè)觀(guān)測(cè)的是水位的高低，是一個(gè)連續(xù)變化的模擬量，它既不是電壓也不是電流，如何將這一變化的模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)變，變成信息內(nèi)容，通過(guò)手機(jī)發(fā)送出去，手機(jī)又如何進(jìn)行操作，這是本儀器研發(fā)工作要解決的基本問(wèn)題。

通過(guò)對(duì)家用電器的遙控器進(jìn)行認(rèn)真研究，從中發(fā)現(xiàn)遙控器每個(gè)按鍵下面都有一對(duì)觸點(diǎn)，按鍵按下兩點(diǎn)接通，執(zhí)行相應(yīng)功能。如果將手機(jī)的觸點(diǎn)用導(dǎo)線(xiàn)引出，導(dǎo)線(xiàn)接通就等于按下此鍵，將一條信息的發(fā)布按鍵步驟通過(guò)一段程序由編程控制器來(lái)完成就達(dá)到自動(dòng)發(fā)送的目的。

在自動(dòng)化控制中，非電流電壓信號(hào)稱(chēng)為模擬信號(hào)或模擬量，模擬量轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)的電流或電壓、標(biāo)準(zhǔn)的電流或電壓轉(zhuǎn)換成模擬量有專(zhuān)用轉(zhuǎn)換模塊，通過(guò)該模塊將水情變化量輸送給可編程控制器，由可編程控制器通過(guò)執(zhí)行編寫(xiě)的程序?qū)D(zhuǎn)換的數(shù)字量進(jìn)行運(yùn)算，使控制器輸出觸點(diǎn)接通，驅(qū)動(dòng)手機(jī)工作。

2.2 研發(fā)目標(biāo)

通過(guò)各功能部件的選配組裝，能夠準(zhǔn)確、自動(dòng)多點(diǎn)的傳送水情信息，有效地克服了固定接收、一站一機(jī)現(xiàn)象。

能夠執(zhí)行水情和其他液面的觀(guān)測(cè)，按照預(yù)設(shè)時(shí)間將觀(guān)測(cè)信息進(jìn)行自動(dòng)發(fā)送。

具有短信過(guò)濾或返回功能，可遙控調(diào)整發(fā)送時(shí)間段，并能遙控處理一些小的故障。

具有功能擴(kuò)展作用，根據(jù)用戶(hù)要求，配置短信群發(fā)設(shè)備可進(jìn)行大面積群發(fā)，并通過(guò)電腦儲(chǔ)存、打印，作為基礎(chǔ)資料長(zhǎng)期保存。

3 技術(shù)方案

在所觀(guān)測(cè)的液面上安裝一浮子，隨水位的變化浮子上下浮動(dòng)，使其拉動(dòng)旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，將編碼器所產(chǎn)生的脈沖輸入可編程器的輸入觸點(diǎn)，進(jìn)行運(yùn)算分析，使可編程控制器輸出觸點(diǎn)接通，與之相接的手機(jī)觸點(diǎn)接通，模擬完成手機(jī)按鍵功能，按照程序設(shè)定，完成程序編寫(xiě)發(fā)送功能。

4 儀器設(shè)計(jì)組成

可編程控制系統(tǒng)、編碼系統(tǒng)、信息發(fā)送系統(tǒng)。下面將相同系統(tǒng)進(jìn)行介紹：

4.1 可編程控制系統(tǒng)

可編程控制系統(tǒng)是工業(yè)控制的可編程控制器（programmable Logic Comroller）簡(jiǎn)稱(chēng)PLC，它應(yīng)用面廣、功能強(qiáng)大、使用方便，已成為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化控制的主要設(shè)備。可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。根據(jù)水位觀(guān)測(cè)要求和相關(guān)配套設(shè)備的要求，選用日本三菱微型可編程控制器MWLSEC FX2N—48MR型。

4.2 信息收發(fā)系統(tǒng)

信息收發(fā)系統(tǒng)主要由一部性能可靠的手機(jī)改裝而成，將手機(jī)的各鍵觸點(diǎn)用導(dǎo)線(xiàn)引出，通過(guò)PLC程序控制操縱各輸出觸點(diǎn)，使手機(jī)相應(yīng)鍵閉合或斷開(kāi)，達(dá)到人工按鍵的目的，進(jìn)行信息發(fā)送。由于本儀器安裝在野外，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整費(fèi)工費(fèi)時(shí)不方便，本儀器設(shè)置了遙控調(diào)整系統(tǒng)。該系統(tǒng)是將手機(jī)振動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)線(xiàn)引出，驅(qū)動(dòng)一個(gè)3伏的小型繼電器，將手機(jī)設(shè)置在振動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)撥打手機(jī)，使繼電器根據(jù)手機(jī)振動(dòng)頻率觸點(diǎn)斷開(kāi)、閉合，操叢PLC相應(yīng)輸入觸點(diǎn)斷開(kāi)、閉合，使發(fā)送時(shí)間程序進(jìn)行切換、信息攔截。

5 控制程序的設(shè)計(jì)

5.1 開(kāi)機(jī)程序

在停電或關(guān)機(jī)后，整個(gè)儀器停止工作，手機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)。來(lái)電情況下，手機(jī)如仍處在關(guān)機(jī)狀態(tài)，所采集的信息就發(fā)送不得。這段程序主要由PLC內(nèi)部的特殊輔助繼電器M8000來(lái)控制。通過(guò)該繼電器來(lái)控制一時(shí)間繼電器，一時(shí)間繼電器再控制另一時(shí)間繼電器。

5.2 水情信息采集程序

情信息采集程序是X0接通后，通過(guò)模擬塊轉(zhuǎn)換，將水位變化的模擬量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)寄存在數(shù)字寄存器D100中。通過(guò)加法運(yùn)算對(duì)3次采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相加并除以3，將結(jié)果存放在D11中，這里不再敘述，在工作原理中進(jìn)一步說(shuō)明。為了延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，在程序設(shè)計(jì)中超聲波傳感器在數(shù)據(jù)采集前30s開(kāi)機(jī)，第三次采集后30s關(guān)機(jī)。

5.3 工作循環(huán)程序

由于是自動(dòng)發(fā)送，要求無(wú)人操作的情況按照預(yù)設(shè)的時(shí)間段進(jìn)行發(fā)送，這里設(shè)計(jì)的是5個(gè)大的時(shí)間段，操作人員進(jìn)行遙控設(shè)定，每個(gè)時(shí)間段又分5個(gè)時(shí)間點(diǎn)，第1點(diǎn)為超聲波傳感器的開(kāi)機(jī)點(diǎn)，2、3、4點(diǎn)為數(shù)據(jù)的采集點(diǎn)，第5點(diǎn)為超聲波傳感器關(guān)機(jī)點(diǎn)，開(kāi)機(jī)點(diǎn)和關(guān)機(jī)點(diǎn)的設(shè)定主要是為了減少傳感器的工作時(shí)間，延長(zhǎng)使用壽命。時(shí)間段的5個(gè)點(diǎn)通過(guò)已閉合的時(shí)間繼電器融點(diǎn)和置位指令將下一計(jì)數(shù)器復(fù)位，由驅(qū)動(dòng)復(fù)位的計(jì)數(shù)器進(jìn)行時(shí)間計(jì)數(shù)，達(dá)到預(yù)設(shè)時(shí)間值時(shí)，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)器件工作，同時(shí)對(duì)下一個(gè)計(jì)數(shù)器復(fù)位，第5點(diǎn)計(jì)數(shù)器對(duì)第1點(diǎn)復(fù)位，這樣就構(gòu)成循環(huán)控制程序。

5.4 遙控調(diào)整程序

為了適應(yīng)工作的要求，設(shè)定了不同時(shí)間預(yù)報(bào)的程序，時(shí)間段相互間如何轉(zhuǎn)變，由控制人員用手機(jī)撥打本儀器手機(jī)號(hào)碼，手機(jī)接通時(shí)輸出電流驅(qū)動(dòng)繼電器，使PLC的輸入觸點(diǎn)閉合或斷開(kāi)，控制發(fā)送時(shí)間段的轉(zhuǎn)換。為了區(qū)別其他來(lái)電導(dǎo)致發(fā)布時(shí)間段的調(diào)整，在調(diào)整時(shí)首先按照程序的設(shè)定撥通本儀器手機(jī)，一聲即關(guān)，60s后再撥通，操作時(shí)間為60s。具體為2聲為10min段，3聲為30min段，4聲為1h時(shí)間段，5聲為4h時(shí)間段，6聲為24h時(shí)間段，操作時(shí)間為60s，60s后無(wú)效，需重復(fù)以上操作。

5.5 過(guò)濾抗干擾程序

在各時(shí)間段中，本儀器內(nèi)置手機(jī)在每個(gè)時(shí)間段的后3min內(nèi)，進(jìn)行信息的編輯，手機(jī)的確認(rèn)鍵不時(shí)接通，如果在此期間，有手機(jī)呼叫，將可能接通手機(jī)，使發(fā)送功能喪失。為了解決這個(gè)問(wèn)題，將手機(jī)在此時(shí)間段信號(hào)線(xiàn)路切斷，在其他時(shí)間段恢復(fù)，保證時(shí)間段的調(diào)整和信息的發(fā)送。在手機(jī)的使用中，不時(shí)收到短信，使手機(jī)出現(xiàn)短信畫(huà)面，破壞信息的發(fā)送狀態(tài)，需要按動(dòng)返回鍵。在程序設(shè)計(jì)中編寫(xiě)了短信返回程序，其主要是根據(jù)短信的振動(dòng)頻率與來(lái)電頻率不同而設(shè)計(jì)的。在來(lái)電調(diào)整或誤呼時(shí)，不能同時(shí)達(dá)到以上兩個(gè)條件，此段程序不執(zhí)行，這樣既不影響來(lái)電遙控調(diào)整，又能達(dá)到拒收短信的目的。

6 社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益分析

本儀器的成功研發(fā)，能夠大大降低一線(xiàn)職工的勞動(dòng)強(qiáng)度，能夠準(zhǔn)確及時(shí)地了解水位的變化情況，向領(lǐng)導(dǎo)、防汛部門(mén)提供水位、水情信息，便于領(lǐng)導(dǎo)及時(shí)決策。同時(shí)也推動(dòng)治黃工作向科技化方向發(fā)展。