電纜溝智能防汛聯(lián)控裝置研究

林智炳,李語菲,陳友恒

(1.國網(wǎng)莆田供電公司,福建 莆田 351100;2.廈門理工學(xué)院,福建 廈門 361024)

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快和城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展。電纜溝作為城市供電、通信等重要設(shè)施的承載體,其防汛工作的重要性不容忽視。傳統(tǒng)的電纜溝防汛手段主要依靠人工巡查,存在反應(yīng)時(shí)間長、效率低等問題[1]。因此,研制一種能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測和響應(yīng)的電纜溝防汛聯(lián)控裝置具有重要意義。

1 聯(lián)控裝置應(yīng)用

電纜溝防汛響應(yīng)聯(lián)控裝置的應(yīng)用可以提高城市供電的防汛能力。聯(lián)控裝置能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測電纜溝內(nèi)的水位深度、溫度、濕度多種數(shù)據(jù),并進(jìn)行多維度分析評價(jià)電纜溝汛情狀態(tài),通過聯(lián)控系統(tǒng)與城市防汛指揮中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。一旦監(jiān)測到電纜溝內(nèi)的水位超過安全閾值或水流量異常增大,聯(lián)控裝置會自動發(fā)出預(yù)警信號、啟動水泵排水,并向防汛指揮中心發(fā)送告警信號。防汛指揮中心可以根據(jù)裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)及時(shí)制定防汛措施,并調(diào)度相關(guān)部門進(jìn)行搶險(xiǎn)工作,提高城市電纜溝防汛的響應(yīng)速度和效率。

2 聯(lián)控裝置創(chuàng)新

(1)通過電纜溝全域溫濕度感知技術(shù),構(gòu)建電纜溝汛期設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)算法。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測當(dāng)前電纜溝環(huán)境溫濕度、水位,進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估,起到提前預(yù)警、盡早準(zhǔn)備的作用。

(2)通過水位監(jiān)測傳感器自檢及水位監(jiān)測同步分析,在極端天氣條件下,可在局部水位倒灌實(shí)際發(fā)生時(shí),無視其他算法的安全提示,立即啟動汛期緊急響應(yīng)。

3 聯(lián)控裝置整體設(shè)計(jì)

電纜溝防汛響應(yīng)聯(lián)控裝置由溫濕度傳感器模塊、水位傳感器模塊、水泵驅(qū)動模塊、電源模塊、無線通信模塊、上位機(jī)模塊和STM32控制模塊組成。整體聯(lián)控裝置設(shè)計(jì)如圖1所示,溫濕度傳感器模塊完成電纜溝內(nèi)環(huán)境溫濕度檢測;水位傳感器模塊完成電纜溝內(nèi)水位的測量;STM32控制模塊是聯(lián)控裝置的控制核心,完成信息的采集和控制水泵驅(qū)動模塊;水泵驅(qū)動模塊控制水泵完成排水和停止排水;無線通信模塊與上位機(jī)模塊建立通信,將傳感器測得的電纜溝內(nèi)環(huán)境信息上傳至上位機(jī);上位機(jī)模塊對采集到的電纜溝環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算,發(fā)布抽水、停止抽水等命令和給出警示信息;電源模塊是整個(gè)設(shè)計(jì)的動力工廠,完成各個(gè)模塊所需電壓的轉(zhuǎn)換。

圖1 聯(lián)控裝置整體設(shè)計(jì)

3.1 溫濕度傳感器模塊設(shè)計(jì)

出現(xiàn)汛情時(shí),電纜溝內(nèi)環(huán)境濕度升高,濕度能側(cè)面反饋汛情程度。電纜溝在高濕環(huán)境下長期運(yùn)行會使電纜表面不斷吸收潮氣并形成水膜,影響設(shè)備壽命,甚至發(fā)生安全事故,造成經(jīng)濟(jì)損失和不良影響。電纜溝內(nèi)環(huán)境溫度過高或過低都會對電纜的健康產(chǎn)生不利影響。過高的溫度會導(dǎo)致電纜加速老化,降低使用壽命;過低的溫度則可能導(dǎo)致電纜凍裂或收縮,引起電力故障。聯(lián)控裝置針對電纜溝環(huán)境溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,并將溫濕度數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳上報(bào),為評估汛情和電纜健康狀態(tài)提供依據(jù)。

溫濕度傳感器模塊使用溫度、濕度于一體的瑞士Sensirion最新高精度數(shù)字溫濕度傳感器(SHT30),靈敏度高、穩(wěn)定性好、全量程自動溫度補(bǔ)償。實(shí)時(shí)采集溫度、濕度,克服了傳統(tǒng)模式溫度和濕度傳感器不穩(wěn)定、誤差大、易受干擾等嚴(yán)重缺陷。輸出信號為數(shù)字信號,可以方便與機(jī)房監(jiān)控主機(jī)或其他工控機(jī)聯(lián)網(wǎng),溫濕度值可以實(shí)時(shí)通過RS485讀取出來,具有準(zhǔn)確、穩(wěn)定、使用壽命長等特點(diǎn)。該設(shè)計(jì)溫度測量范圍為-40～125 ℃,精度達(dá)到±0.2 ℃、濕度測量范圍為0～100%,精度±2%。

3.2 水位傳感器模塊設(shè)計(jì)

水位傳感器是電纜溝內(nèi)水位采集系統(tǒng)的前端,被安裝在電纜溝內(nèi)地勢較低的地方,將采集到的水位情況傳送給主控單元,作為是否啟動抽水泵的重要參考條件,因此要求所用水位傳感器具有較好的穩(wěn)定性、較高的精度、較低的功耗等[2]。目前,能夠?qū)崿F(xiàn)水位測量的傳感器種類較多,綜合電纜溝內(nèi)環(huán)境情況及性能考慮,聯(lián)控裝置選用投入式水位傳感器。投入式水位傳感器是根據(jù)地下水的壓力與地下水的水位高度呈現(xiàn)一種線性關(guān)系原理制成的。水位傳感器檢測到的水位信號為模擬信號,需經(jīng)過處理后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出,然后再經(jīng)過溫度補(bǔ)償以及線性修正之后,將水位信號輸出到主控制芯片。為保證水位傳感器的測量精度,水位傳感器在安裝時(shí)需要將其緩慢放入電纜溝水位監(jiān)測點(diǎn)中,禁止使用暴力手段直接拋投產(chǎn)生壓力,以免損壞水位傳感器。

水位信息采集模塊包含水位傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。水位傳感器以輸出模擬電壓的方式傳遞水位信息,且輸出端的電壓隨著傳感器所受壓力的增大而增大,與壓力成正比例關(guān)系,由于控制芯片無法直接處理水模擬電壓信號,因此在處理水位傳感器信號時(shí)需要將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。ADC0832是一個(gè)8位、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片,測量的電壓范圍是0～5 V,它能夠?qū)?～5 V的電壓轉(zhuǎn)化成對應(yīng)比例關(guān)系的1∶255的數(shù)據(jù)。電纜溝內(nèi)水位信息采集過程,首先將水位傳感器輸出的直流電壓信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)關(guān)系的數(shù)字信號,然后控制芯片直接讀取ADC0832轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)獲取電纜溝內(nèi)水位信息,最后完成水位信息采集。

3.3 水泵驅(qū)動模塊設(shè)計(jì)

水泵驅(qū)動模塊具有多種驅(qū)動模式,電路如圖2所示,當(dāng)S1按下D9、D10、Q3導(dǎo)通,SD/ZD輸出低電平,聯(lián)控裝置進(jìn)入手動模式,電纜溝水位發(fā)出報(bào)警信號后,需人工打開水泵排水。當(dāng)S1處于斷開狀態(tài)時(shí),Q3處于截止?fàn)顟B(tài),由于外接上拉電阻R26,SD/ZD輸出高電平,聯(lián)控裝置進(jìn)入自動模式,當(dāng)STM32判斷條件符合時(shí),開啟水泵進(jìn)行排水。為防止出現(xiàn)水泵誤驅(qū)動和方便電纜維修,聯(lián)控裝置設(shè)計(jì)了強(qiáng)制停止模式,常態(tài)下S2處于斷開狀態(tài),QZTZ輸出高電平,表示水泵可以通過自動模式和手動模式控制完成排水工作。當(dāng)S2處于按下狀態(tài)時(shí),D11導(dǎo)通,QZTZ輸出低電平,強(qiáng)制斷開水泵電源。

圖2 水泵工作模式原理

水泵供電電源如圖3所示,J3外接水泵,在符合水泵啟動條件時(shí),STM32輸出低電平,使Q2處于導(dǎo)通狀態(tài),繼電器J2上電導(dǎo)通,市電220 L接通水泵開始工作。

圖3 水泵供電原理

3.4 電源模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)STM32主控芯片、采集放大電路、顯示電路和通信電路等電路的供電需求,聯(lián)控裝置設(shè)計(jì)了DC5 V供電和DC3.3 V供電。設(shè)計(jì)通過使用交流轉(zhuǎn)直流模塊LDE05將AC220 V的市電轉(zhuǎn)換成DC5 V電源,并根據(jù)模塊的用電需求使用光耦隔離器件U13、U14隔離DC5 V電源,降低市電噪聲對后級電路的影響,保護(hù)后級電路。根據(jù)不同模塊用電需求,設(shè)計(jì)使用2種直流電壓轉(zhuǎn)換芯片AS1117和LM1086,完成DC3.3 V供電電源設(shè)計(jì)。此種電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)既保證了設(shè)計(jì)中對電流的需求,又降低了開發(fā)成本。

3.5 通信模塊設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測電纜溝內(nèi)環(huán)境溫濕度、水位及水泵工作情況。聯(lián)控裝置設(shè)計(jì)了無線通信模塊。能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程無線通信的技術(shù)有多種,如藍(lán)牙技術(shù)、ZigBee技術(shù)以及GPRS技術(shù)等[3]。設(shè)計(jì)對比各個(gè)無線通信技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)后,本文選用GPRS技術(shù)作為聯(lián)控裝置的無線通信技術(shù)。GPRS采用分組技術(shù)原理進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸,實(shí)現(xiàn)電纜溝內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測。傳感器采集到的電纜溝內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)經(jīng)過模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換處理之后,到達(dá)防汛指揮中心的GPRS模塊,通過GPRS模塊再傳輸給前置機(jī),然后將電纜溝內(nèi)環(huán)境信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中進(jìn)行存儲。防汛指揮中心的上位機(jī)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和顯示。

4 程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)是聯(lián)控裝置實(shí)現(xiàn)電纜溝聯(lián)控防汛的核心,程序流程如圖4所示,上電后,系統(tǒng)首先進(jìn)入初始化狀態(tài)。初始化完成后,對上位機(jī)發(fā)布的電纜溝內(nèi)環(huán)境信息是否采集指令進(jìn)行判斷,上位機(jī)發(fā)布信息采集命令后開始進(jìn)入數(shù)據(jù)接收狀態(tài),接收前端傳感器采集到的電纜溝環(huán)境信息,對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示,然后進(jìn)入抽水條件判決狀態(tài)。將采集到的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)條件進(jìn)行對比,不滿足水泵啟動條件時(shí)進(jìn)入關(guān)閉抽水泵狀態(tài)。當(dāng)滿足水泵啟動條件時(shí),啟動抽水泵。水泵啟動后,繼續(xù)進(jìn)行電纜溝環(huán)境數(shù)據(jù)的采集與傳輸并做到上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示與條件判決,符合啟動條件繼續(xù)啟動抽水泵,否則關(guān)閉抽水泵,抽水泵關(guān)閉后進(jìn)入系統(tǒng)判定狀態(tài),通過與設(shè)定條件進(jìn)行對比,符合設(shè)定條件則判定系統(tǒng)正常,回到數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)繼續(xù)對電纜溝內(nèi)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測;若不符合設(shè)定條件則程序結(jié)束,并發(fā)出報(bào)警[4-5]。

圖4 程序流程

5 結(jié)語

電纜溝防汛響應(yīng)聯(lián)控裝置的研制和應(yīng)用對提高城市防汛能力具有重要意義。聯(lián)控裝置能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測電纜溝內(nèi)的水位和溫濕度,并與城市防汛指揮中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,實(shí)現(xiàn)及時(shí)響應(yīng)和調(diào)控。經(jīng)過現(xiàn)場安裝與調(diào)試,模擬電纜溝進(jìn)水實(shí)驗(yàn)效果顯著。電纜溝內(nèi)進(jìn)水1 cm,防汛指揮中心即可收到報(bào)警信號并能顯示當(dāng)前水位與溫濕度。水位達(dá)到5～10 cm時(shí),水泵啟動一級排水。水位達(dá)到10～20 cm時(shí),水泵啟動二級排水。水位達(dá)到20 cm及以上時(shí),水泵啟動三級排水。同時(shí),防汛指揮中心發(fā)出排水告警信號。水位回落至5 cm及以下時(shí),水泵自動停止運(yùn)行,保護(hù)水泵電機(jī),并通知防汛指揮中心。綜上所述,聯(lián)控裝置完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,已投入正式運(yùn)行。