灌區(qū)閘門遠(yuǎn)程自動化控制系統(tǒng)

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摘要：本文以國內(nèi)某大型灌區(qū)為例，在灌區(qū)遠(yuǎn)程測報系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了閘門自動控制研究，通過無線調(diào)制解調(diào)器連接上位機(jī)（PC機(jī)）與下位機(jī)（單片機(jī)），將下位機(jī)采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，根據(jù)用戶要求的流量控制閘門的開度和時間，為灌區(qū)的運(yùn)行和管理提供保證，為提高系統(tǒng)的可靠性，采用了一些可供類似工程借鑒的可行技術(shù)。

  關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程自動化控制閘門單片機(jī)閘門調(diào)節(jié)是灌區(qū)工程中經(jīng)常采用的手段，閘門控制的研究對于節(jié)約能源、確保水利工程的正常運(yùn)行、提高水資源的利用效率和節(jié)約用水具有重要的意義。目前國內(nèi)大部分灌區(qū)已基本實(shí)現(xiàn)流量數(shù)據(jù)的自動采集和監(jiān)測，并把數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾聿块T，但是在根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程自動監(jiān)測和控制方面成熟的經(jīng)驗(yàn)非常少。國外特別是歐美等先進(jìn)國家在這方面已經(jīng)達(dá)到較高的水平，如美國的SRP灌區(qū)自動化灌溉系統(tǒng)，可以同時采集100多點(diǎn)的水位、閘門開度和其他信息，通過計(jì)算機(jī)處理后，控制幾百座閘門、150多處泵站的運(yùn)行。本文以國內(nèi)某大型灌區(qū)為例，對閘門的自動監(jiān)控進(jìn)行了研究。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)，分一個主站和若干個子站，通過無線調(diào)制解調(diào)器構(gòu)成一個無線通訊網(wǎng)絡(luò)，對多個斷面的數(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、時間設(shè)置鍵、控制鍵三個按鍵，通過三個按鍵顯示水位、流量、閘門開度、日期和時間。切換鍵實(shí)現(xiàn)上述四個功能的轉(zhuǎn)換，時間設(shè)置鍵用于修改日期和時間，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，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，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)時型控制模式和定時型控制模式兩種，在實(shí)時型控制模式中，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)到要求時停止轉(zhuǎn)動。定時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間，下位機(jī)的控制箱在規(guī)定的時間里自動開啟和關(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-LincGroup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?。無需昂貴的射頻點(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，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?，F(xiàn)象，系統(tǒng)會自動報警，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下：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，將各個功能模塊化，分別解決相應(yīng)問題，再將各個模塊組裝，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。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4、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，具有較高的使用價值和廣泛的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)：[1]、水利水文儀器介紹，水利部南京水利水文自動化研究所，1997。   [2]、邵杰、劉萍，單片機(jī)與調(diào)制解調(diào)器接口通訊，雷達(dá)與對抗，1998、2。   [3]、周建國、曹炬、姚金斌，單片機(jī)與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)電動閘門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)自動測量與控制，2001、9。