智能閥監控系統設計

(西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610031)

0 引言

管網系統是一個結構錯綜復雜、規模巨大,且流體使用隨機性強，運行控制為多目標的網絡系統[1]。近年來，隨著城市管網規模的不斷擴大，管網系統的復雜性和多變性更為突出。管網正常運行的安全性和可靠性也尤為重要，尤其是對于有毒流體。目前，對于管網的監測和閥門的控制是相對獨立的[2-3]，管網的監測是后期通過鉆孔等操作在管道上面安裝傳感器，工程量大，且對管道的損傷程度也比較大，而閥門的控制也是在管網出現嚴重問題時安排工作人員對其直接操作或遠程操控。

為此，本文提出了一種基于全球移動通信系統(global system of mobile communication,GSM)技術的智能監控閥系統。該系統取代傳統的監測方式，將監測和控制集成于閥門之中，一旦發生爆管，系統將自動關閉相應閥門并發出報警信息，有效減少了流體資源的浪費和對環境的污染。

1 系統總體設計

系統在總體上分為以下兩級。

一級系統即現場級是集成于閥門上的現場監測和遠程傳輸系統，該系統在硬件構成上有傳感模塊、采集模塊、控制模塊、電機驅動和遠程傳輸5大模塊[4-8]。其中，傳感模塊包括液壓傳感器、流量傳感器、pH傳感器等傳感器接口，采集模塊和控制模塊均由AVR單片機完成，遠程傳輸采用GSM模塊。

二級系統即控制中心，該系統主要由數據接收、數據處理和數據存儲模塊3大模塊構成。其中，數據接收模塊為GSM模塊，數據處理和存儲模塊分別為工控機和服務器，后兩者可以集于一體。

當系統成功開啟以后，傳感模塊通過MCU內置A/D轉換模塊將傳感數據傳送給MCU，MCU將數字量傳送給遠程傳輸模塊——GSM模塊，GSM模塊通過GSM網絡將數據傳送給控制中心，控制中心將對接收到的數據進行保存、分析和處理。

若流體在管網運行中出現如爆管等異常狀態，則相應閥門將會自動關斷，并且將報警信息發送給控制中心和管網維護人員，以便控制中心和維護人員及時做出相應的維護和管理，有效減少資源浪費和環境污染。

系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

2 遠程可控智能閥的一體化設計

遠程可控智能調節閥是將執行機構、數據采集模塊、數據處理與傳送模塊集于一體，并且密封于防護罩中。

由于系統所處環境比較潮濕，對密封要求較高，因此在防護罩與閥門連接處均加入密封墊，與外部的線纜均采用防水航空插頭，電機選用防水電機，電路板采用防水設計，并涂有三防(防塵、防震、防水)漆，使該系統的防護等級達到IP68。同時，設置有外置天線，即使發生爆管、設備被水淹沒的情況，系統仍然能夠安全、穩定地運行。

一體化的設計，即在管道上安裝閥門的同時，采集系統也安裝于管網上，避免了后期在管道上進行打孔等操作；安裝、維護方便，大大減少了后期工程量；數據采集的可靠性高，且對管道無破壞，有效提高了管道的使用壽命和安全性。

3 系統硬件設計

3.1 遠程傳輸與數據采集模塊

遠程傳輸模塊選用了華為的GSM模塊GTM900-C。該模塊是一款兩頻段GSM/GPRS無線模塊,支持標準的AT命令和增強型AT命令，提供豐富的語音和數據業務功能[9]。該模塊共有40個引腳，而與ATmega128只需要連接4個引腳，連接簡單方便。其中GTM900-C的RXD和TXD分別與ATmega128的RXD和TXD相連接，用于兩者之間的RS-232串行通信，其他兩個引腳分別用于控制GTM900-C的開機與復位。GTM900-C與ATmega128的具體連接方式如圖2所示。

圖2 GTM900-C與ATmega128接口電路

由于ATmega128采用5 V供電，與GTM900-C電平不匹配，因此在兩個模塊引腳間串聯電阻，使其電平匹配。

數據采集直接利用ATmega128內置A/D，其分辨率為10位，非線性度為0.5 LSB，絕對精度為±2 LSB。選用的傳感器均為0～5 V電壓輸出，且通過上拉電阻后單端接入A/D。內置A/D減少了硬件成本，操作簡單方便，且穩定性和可靠性高，避免了對A/D的調試和硬件電路的設計。

3.2 看門狗電路設計

由于本文所述系統為遠程控制系統，而且工作環境較為惡劣，當系統出現死機等故障時，很難進行人工操作,雖然ATmega128內置有看門狗定時器，但是GTM900-C沒有，因此為了提高了系統的可靠性和穩定性，設置了硬件看門狗電路。

看門狗電路工作原理為：當GTM900-C正常工作時，其管腳LPG每隔一定時間(最長不超過3 s)輸出一個高電平脈沖，送到CD4060復位端(即喂狗)，將計數器清零，CD4060輸出低電平，使MOS管APM3095P導通，從而保證模塊正常工作。若GTM900-C未能正常工作，LPG引腳將沒有脈沖輸出，達到計數時間T后，CD4060的Qn管腳將輸出一個高電平脈沖到MOS管源(G)端，使MOS管截止，從而使模塊GTM900-C和ATmega128復位，使其繼續正常工作。CD4060的計數時間為：T=2Qn-1(2.2RtCt)。其中，Qn為脈沖輸出引腳，Rt為該芯片第10個引腳所接電阻，Ct為該芯片第9個引腳所接電容。本次設計T=9.011 2 s，即GTM900-C如果在9 s內不輸出脈沖，該電路將會對模塊進行復位。看門狗電路具體連接如圖3所示。

圖3 看門狗電路

3.3 電機驅動與控制

由于本系統控制主要是對閥門開啟和關斷的控制，因此對于液體壓強的控制，系統通過控制閥門的開啟度來實現，即對電機進行控制。液體壓強的控制精度為0.001 MPa。系統電機驅動電路如圖4所示。ATmega128通過I/O口輸出高低電平控制三極管的導通與截止，繼而控制繼電器的通斷，實現電機的正反轉與停止。

圖4 電機驅動電路

為了防止閥板對閥門的損壞，在閥門外部安裝了行程限位開關，保證電機安全可靠地運行。

4 系統軟件設計

4.1 下位機軟件設計

系統下位機軟件設計分為兩大模塊：一是數據采集與系統監測，二是電機控制[10-12]。

數據采集與監測流程圖如圖5所示。首先，對MCU和GSM進行初始化，依次對I/O口、串口、定時器、A/D、緩存、GSM進行初始化。初始化完成后，GSM向控制中心發送短信，表明初始化成功，等待控制中心給予開始采集的命令。若控制中心發出開始采集的命令，則系統開始運行，啟動A/D轉換；若沒有，則繼續等待。由于ATmega128內置A/D第一次轉換的數據不準確，因此將其丟棄，從第二次開始，采集1 400次，并將采集的、連續的20個數據取一次均值，變成70個數據，最后將這70個數據與預警值進行比較。若出現連續的3個數據值大于預警值，則立即關閉閥門，并將報警信息發送到控制中心和相應的維護人員；若數據值均在預警范圍內，則將這70個數據以分組數據單元(packet data unit,PDU)格式發送到控制中心，控制中心將數據保存。10 min后開始第二次采集，依次循環。

圖5 數據采集與系統監測流程圖

電機控制流程圖如圖6所示。

圖6 電機控制流程圖

首先是系統初始化，本次初始化除了圖6中初始化外，還包括對閥板位置進行初始化，將閥門關閉，直到觸動限位開關。準備就緒后，等待控制中心給予電機控制的命令，命令包括打開閥門、關閉閥門、升壓和降壓。這些動作均由電機的正反轉完成。電機轉動的反饋信號由液壓傳感器和限位開關給定。若電機正確執行了指令即達到指定壓強，則等待接收下條指令；若沒有，則繼續控制電機運動，直至達到指定壓強。

電機轉動通過兩個繼電器的吸合和斷開實現。若要使電機正轉，則使其中一個繼電器吸合；若要實現反轉，則使其斷開，使另一個繼電器吸合；若要停止轉動，則兩個繼電器同時斷開。

若閥板運動到閥門底部，閥門完全關閉，而電機還在向下轉動，則限位開關給ATmega128發送信號，強行停止電機轉動，反之亦然。

4.2 控制中心軟件設計

為了更好、更直觀地對閥門作出控制和管理，編寫了上位機軟件。該上位機軟件應用VB編寫，其中包括的功能有：模塊的設定與測試，串行通信的設定，閥門信息的錄入與管理，閥門的開啟、關閉，對采集數據的保存、管理和顯示。

5 結束語

系統實現了閥門控制和監測的一體化設計，極大地減少了管網智能化管理的后續工作和工程量，并且能夠對閥門作出可靠、及時的控制，對管網的正常運行和維護提供了有效的技術手段，所采集到的數據為管網的管理提供了科學依據。

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