基于傳感器技術(shù)的新型泵站水閘實(shí)時(shí)信息采集管理系統(tǒng)

王 輝

(東莞市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司,廣東 東莞 523115)

1 基于傳感器的新型泵站水閘實(shí)時(shí)信息采集管理系統(tǒng)

泵站水閘是水利工程中的重要組成設(shè)備之一，通過(guò)啟停、升降水閘，實(shí)現(xiàn)攔洪、擋潮、抬高水位、泄洪、排澇、沖沙、取水等水資源調(diào)動(dòng)和調(diào)控活動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)水閘的有效控制和管理[1]。

隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展，新型泵站水閘逐漸取代了傳統(tǒng)泵站水閘，使得水資源度調(diào)控更加自動(dòng)化，提高泵站水閘工作效率，但是也由于新型泵站水閘的應(yīng)用，傳統(tǒng)的應(yīng)用在泵站水閘管理中的實(shí)時(shí)信息采集管理系統(tǒng)無(wú)法滿足新型泵站水閘控制的需要，信息采集和管理出現(xiàn)嚴(yán)重的滯后性[2]。本文為滿足新型泵站水閘控制的需要，在傳統(tǒng)實(shí)時(shí)信息采集管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行改進(jìn)，研究集檢測(cè)、監(jiān)視、管理、控制、維護(hù)等為一體的綜合性實(shí)時(shí)信息采集管理系統(tǒng)，全面提高系統(tǒng)的整體性能，以便更好地為新型泵站水閘服務(wù)。

1.1 系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)

基于傳感器技術(shù)的新型泵站水閘實(shí)時(shí)信息采集管理系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)大體分為三個(gè)單元，即現(xiàn)場(chǎng)控制單元、遠(yuǎn)程控制單元和中間通信傳輸單元[3]。

(1)現(xiàn)場(chǎng)控制單元

現(xiàn)場(chǎng)控制單元負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)泵站水閘信息進(jìn)行采集、處理、發(fā)送等操作，以及接收上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的控制指令，并執(zhí)行指令。該單元具體包括兩種功能：①由布設(shè)在現(xiàn)場(chǎng)的各類傳感器、視頻設(shè)備采集泵站水閘水位、液壓、閘高、開(kāi)度、油泵電流等運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)信號(hào)，然后對(duì)這些信息進(jìn)行處理，最后將其發(fā)送給上位機(jī)，為指令生成提供可靠依據(jù)[4]。②上位機(jī)根據(jù)傳輸過(guò)來(lái)的信息生成指令并發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備，控制閘門工作，包括啟停、開(kāi)度等，完成水資源調(diào)度。

(2)遠(yuǎn)程控制單元

操作人員在遠(yuǎn)控室實(shí)時(shí)查看水閘的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)上位機(jī)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采集到的信息進(jìn)行分析，并得出閘門的具體控制方案[5]。該單元具體包括三種功能：①接收現(xiàn)場(chǎng)信息，并進(jìn)行存儲(chǔ)和在線顯示。②生成控制命令并發(fā)送，完成對(duì)閘門的提升、下降、停止和同步糾偏等控制。③建立數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)實(shí)時(shí)和歷史信息進(jìn)行備錄,并可隨時(shí)查看，兼有報(bào)警等功能。

(3)中間通信傳輸單元

現(xiàn)場(chǎng)控制單元和遠(yuǎn)程控制單元之間需要中間通信傳輸單元作為橋梁，進(jìn)行連接，完成信息傳輸和指令傳輸[6]。

1.2 系統(tǒng)關(guān)鍵硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 傳感器

(1)液位傳感器

水位直接關(guān)系到閘門控制方案，因此液位傳感器是整個(gè)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的硬件設(shè)備之一。本系統(tǒng)中采用的液位傳感器為MPM426W投入式變送器，用于閘門上下游水位計(jì)算[7]。該設(shè)備具體性能參數(shù)如表1所示。

表1 MPM426W投入式變送器主要性能參數(shù)指標(biāo)

(2)壓力傳感器

壓力傳感器主要作用是采集液壓?jiǎn)㈤]機(jī)中的油液壓力信息，油液壓力是以壓力油液作為介質(zhì)來(lái)工作的，繼而控制閘門提升、降落等行為[8]。本系統(tǒng)當(dāng)中的壓力傳感器為德魯克PTX 1400，主要性能參數(shù)如表2所示。

(3)閘門傳感器

閘門傳感器主要作用是檢測(cè)水閘的狀態(tài)信息，以便及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。本系統(tǒng)當(dāng)中的閘門傳感器為一種ZKC-3型閘門開(kāi)度傳感器。該傳感器安裝方便，適應(yīng)性強(qiáng)，穩(wěn)定可靠[9]。ZKC-3型閘門開(kāi)度傳感器主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表2 德魯克PTX 1400壓力傳感器主要性能參數(shù)

表3 ZKC-3型閘門開(kāi)度傳感器主要技術(shù)指標(biāo)

(4)視覺(jué)傳感器

視覺(jué)傳感器的作用是對(duì)整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要采集視覺(jué)圖像信息，以便通過(guò)畫面及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常。 本系統(tǒng)當(dāng)中的視覺(jué)傳感器利用集成工業(yè)相機(jī)鏡頭拍攝的圖像來(lái)確定目標(biāo)物體的存在、大小、形狀、方向和圖案等。采用LED照明，相機(jī)和鏡頭的集成設(shè)計(jì)使用戶可以更輕松地設(shè)置和管理設(shè)備。像機(jī)采用全景快門方式捕獲精確圖像，傳感器具有13種基本檢測(cè)功能，適用于各種應(yīng)用。捕獲的圖像也可以直接保存到FTP服務(wù)器，以便單獨(dú)管理和分析檢測(cè)數(shù)據(jù)。

1.2.2 可編程控制器(PLC)

PLC是現(xiàn)場(chǎng)控制單元的核心，現(xiàn)場(chǎng)所有設(shè)備都通過(guò)I/O接口與之相連，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的分布式控制。本系統(tǒng)當(dāng)中的PLC為施耐德TWDL-CAC220DRF。該P(yáng)LC主要性能特征有以下三點(diǎn)：

(1)10種本體，分別為10點(diǎn)、16點(diǎn)、24點(diǎn)或40點(diǎn)四種類型，其中6種本體分別可擴(kuò)展4～7個(gè)數(shù)字量或模擬量模塊，還可以添加顯示界面、實(shí)時(shí)時(shí)鐘卡或儲(chǔ)卡等。

(2)內(nèi)置模擬量I/O、可作為高速計(jì)數(shù)的快速輸入、脈沖輸出和以太網(wǎng)通訊等多種功能，幫助控制器滿足OEM客戶的設(shè)備控制要求。

(3)通訊協(xié)議：Modbus，CANopen，CAN J1939全部?jī)?nèi)部集成。

總而言之，TWDL-CAC220DRF具有靈活的配置，緊湊的結(jié)構(gòu)，強(qiáng)大的功能，豐富的通信方式，CPU的Firmware可不斷升級(jí)。

1.2.3 多處理器芯片Neuron

Neuron是遠(yuǎn)程控制單元的核心，起到主控作用。Neuron是一塊大規(guī)模集成電路，主要集成了CPU、存儲(chǔ)器、接口等部件，如圖1所示。

圖1 Neuron多處理器芯片結(jié)構(gòu)

Neuron由于集成了三種CPU，工作效率高、配置也更為靈活，同時(shí)也支持多種傳輸介質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)泵站水閘群的同時(shí)控制[10]。

1.3 系統(tǒng)主要軟件程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件程序主要包括傳感器信息采集程序、水閘控制程序、監(jiān)控報(bào)警程序。下面進(jìn)行具體分析。

1.3.1 傳感器信息采集程序

本系統(tǒng)的關(guān)鍵是利用各種傳感器進(jìn)行新型泵站水閘實(shí)時(shí)信息采集，通過(guò)采集到的信息進(jìn)行水閘控制，因此傳感器信息采集程序是本系統(tǒng)中最關(guān)鍵的程序[11]。雖然有四種傳感器類型，但是基礎(chǔ)采集流程是大致相同的，具體如圖2所示。

圖2 傳感器信息采集程序

1.3.2 泵站水閘控制程序

本系統(tǒng)研究的目的是通過(guò)采集到的信息更好的為泵站水閘控制服務(wù)，因此泵站水閘控制程序是本系統(tǒng)中另一關(guān)鍵程序[12]。根據(jù)水閘狀態(tài)，分為水閘上升/下降子程序以及水閘左/右糾偏子程序，具體如圖3所示。

圖3 泵站水閘控制程序

1.3.3 監(jiān)控報(bào)警程序

為及時(shí)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的異常，監(jiān)控報(bào)警程序至關(guān)重要。

(1)視覺(jué)傳感器定時(shí)采樣警情圖像。

(2)對(duì)圖像進(jìn)行處理，消除干擾。

(3)判斷是否存在異常？若不存在異常，則回到步驟1，若存在異常，則進(jìn)行異常定位和登記。

(4)現(xiàn)場(chǎng)高分貝尖叫報(bào)警。

(5)向遠(yuǎn)程操作人員發(fā)送報(bào)警信息，并給出警情位置和類型。

(6)工作人員采取相應(yīng)措施處理[13]。

2 系統(tǒng)測(cè)試與分析

系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)完成后，還需要進(jìn)行測(cè)試與分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，以便及時(shí)進(jìn)行改進(jìn)。

2.1 系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境

系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境對(duì)系統(tǒng)測(cè)試與分析尤為重要，具體配置見(jiàn)表4。

表4 系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境

2.2 測(cè)試結(jié)果分析

系統(tǒng)測(cè)試方法一般分為白盒測(cè)試和黑盒測(cè)試兩種，分別用于系統(tǒng)性能和功能。

2.2.1 白盒測(cè)試結(jié)果

在上系統(tǒng)環(huán)境設(shè)置的基礎(chǔ)上，進(jìn)行白盒測(cè)試，得到結(jié)果如表5所示。

2.2.2 黑盒測(cè)試結(jié)果

在上述系統(tǒng)環(huán)境設(shè)置基礎(chǔ)上，進(jìn)行信息采集測(cè)試以滿足測(cè)試要求范圍，得到結(jié)果如表6，水閘控制功能測(cè)試結(jié)果如表7。

表5 白盒測(cè)試結(jié)果

表6 信息采集功能測(cè)試結(jié)果

續(xù)表6

表7 水閘控制功能測(cè)試結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)經(jīng)黑盒和白盒測(cè)試，證明了其性能和功能均達(dá)到了預(yù)期要求，但是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)還存在一些不足，如系統(tǒng)需要在實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)試，以保證系統(tǒng)能夠在實(shí)際工作中得以應(yīng)用，這也是未來(lái)研究的重點(diǎn)。