傅永平,胡芳華,虞曉峰

(1.紹興縣塘閘管理處,浙江 紹興 312073;2.杭州廣川科技有限公司,浙江 杭州 310020;3.杭州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)江堤河道監(jiān)管中心,浙江 杭州 310018)

1 問題提出

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,防汛工作日趨重要,而如今中小水閘(泵站)自動(dòng)化控制系統(tǒng)日漸成熟,在我國沿海發(fā)達(dá)地區(qū)已經(jīng)很普遍,其中上下游水位即是水閘運(yùn)行中極為重要的數(shù)據(jù)信息,又是防汛的重要的基礎(chǔ)信息,但由于中小水閘(泵站)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)普遍比較落后以及水文信息平臺(tái)安全性和獨(dú)立性的要求,無法通過公用網(wǎng)絡(luò)上傳至防汛主管部門的數(shù)據(jù)平臺(tái),而省水文信息系統(tǒng)又要求接入水閘(泵站)上下游水位信息。當(dāng)前絕大多數(shù)中小水閘(泵站)上下游水位數(shù)據(jù)并未直接融入省水文信息平臺(tái),部分閘 (泵)站采用另行獨(dú)立建設(shè)一套遙測(cè)系統(tǒng)方式上傳上下游水位信息,造成投資的浪費(fèi)以及可能導(dǎo)致2套系統(tǒng)數(shù)據(jù)不一致。因此采用一種經(jīng)濟(jì)安全可行的方式解決2個(gè)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸成為一個(gè)值得研究的問題。

2 技術(shù)路線

水文遙測(cè)系統(tǒng)在硬件上是通過水文遙測(cè)終端的格雷碼數(shù)據(jù)接口讀取水位數(shù)據(jù) (水位計(jì)為格雷碼編碼的浮子式水位計(jì)),通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)绞∷男畔⑾到y(tǒng)服務(wù)器,數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)上具有安全保密性、相對(duì)獨(dú)立性等特點(diǎn)。

由于水閘 (泵站)自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集的精確度、水位反應(yīng)的靈敏度和自動(dòng)化系統(tǒng)自身的要求。水位信號(hào)往往是通過壓力式和超聲波式的水位傳感器,它們的輸出共性是4～20 cm的電流信號(hào)。

綜合分析2套系統(tǒng)的特點(diǎn)以及對(duì)紹興縣濱海閘及其他類似閘站應(yīng)用探索,總結(jié)出以下技術(shù)路線,在保證數(shù)據(jù)一致的條件下實(shí)現(xiàn)不同接口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳輸以及使得閘 (泵)站系統(tǒng)中水位靈敏度達(dá)到水文遙測(cè)系統(tǒng)要求的目標(biāo)。

首先由在水閘的上下游分別通過壓力式(超聲波)水位計(jì)采集得到4～20mA電流信號(hào),經(jīng)現(xiàn)地控制單元取得浮點(diǎn)型上下游水位數(shù)據(jù),再經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件模塊和濾波模塊處理,形成水文遙測(cè)系統(tǒng)能夠識(shí)別的格雷碼開關(guān)量信號(hào)輸出到遙測(cè)終端機(jī)[1].,再由終端機(jī)通過GPRS傳輸?shù)绞∷倪b測(cè)信息平臺(tái),系統(tǒng)原理圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)原理圖

3 數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)

3.1 轉(zhuǎn)換接口硬件設(shè)計(jì)

應(yīng)用數(shù)據(jù)處理模塊,將最終轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù) (格雷碼)狀態(tài)輸出到數(shù)據(jù)處理模塊的Q 0.4～Q 1.7點(diǎn)位上,數(shù)據(jù)處理模塊點(diǎn)位輸出圖見圖2。

數(shù)據(jù)處理模塊的電壓是直流24 V,而遙測(cè)終端機(jī)輸入電壓是5 V,所以增加中間繼電器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換[2].,數(shù)據(jù)處理模塊與遙測(cè)終端機(jī)接線圖見圖3。

3.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計(jì)

格雷碼處理程序步驟[3].:

(1)首先編寫子程序邏輯運(yùn)算,將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成格雷碼子程序模塊(見圖4)。

圖2 數(shù)據(jù)處理模塊點(diǎn)位輸出圖

圖3 數(shù)據(jù)處理模塊與遙測(cè)終端機(jī)接線圖

圖4 二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成格雷碼子程序模塊圖

(2)從高位到低位依次進(jìn)行處理,將L 6.0-L 7.3的狀態(tài)取反,輸出到IA-IL對(duì)應(yīng)的接口模塊(見圖5)。

圖5 輸出到IA-IL對(duì)應(yīng)的接口模塊圖

(3)最后形成數(shù)據(jù)處理模塊見圖6,其功能是,在VD輸入任何一個(gè)實(shí)數(shù)就能在IA-IL處輸出對(duì)應(yīng)的格雷碼數(shù)據(jù)。

圖6 數(shù)據(jù)處理模塊圖

3.3 濾波模塊的設(shè)計(jì)

為保證閘(泵)站的水位數(shù)據(jù)滿足水文遙測(cè)要求,需使壓力式(超聲波)水位計(jì)和浮子式水位計(jì)水位波動(dòng)特性相一致,分析如下:

浮子式水位計(jì)濾波主要由2層實(shí)現(xiàn),水位井本身的濾波和浮子式水位計(jì)自身的機(jī)械濾波。壓力式 (超聲波)水位計(jì)濾波也由2層實(shí)現(xiàn),水位井本身濾波和數(shù)據(jù)處理軟件濾波。首先采用標(biāo)準(zhǔn)水位井,兩側(cè)有著相同濾波特性的水位測(cè)井,其次在同一河道斷面和同一測(cè)點(diǎn)測(cè)量取得浮子式/壓力式(超聲波)水位計(jì)數(shù)值波動(dòng)數(shù)值/時(shí)間采樣表 (見表1)。

表1 浮子式水位計(jì),4～20 mA原始數(shù)據(jù)采用表

根據(jù)表1進(jìn)行軟件濾波設(shè)計(jì)使得投入式或浮子式水位波動(dòng)的特性與浮子式一致,濾波模塊設(shè)計(jì)如下:

VD200是濾波前的數(shù)據(jù)T34是5min定時(shí)器,每15 s采集一次水位數(shù)據(jù),存儲(chǔ)到相應(yīng)的存儲(chǔ)器中,15 s采樣模塊見圖7。

把區(qū)段時(shí)間內(nèi)所有采集時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均(見圖8),再把最終數(shù)據(jù)寫到VD500存儲(chǔ)器中 (見圖9)。

最后將經(jīng)過軟件濾波后的系統(tǒng)再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,得到以下數(shù)據(jù)到達(dá)水文遙測(cè)系統(tǒng)要求,實(shí)驗(yàn)后的結(jié)果見表2。

表2 浮子式水位計(jì),4～20 mA水位值經(jīng)軟件濾波后數(shù)值表 cm

圖7 15s采樣模塊圖

圖8 加權(quán)平均模塊圖

圖9 最終數(shù)據(jù)模塊圖

4 結(jié) 語

水閘 (泵站)管理自動(dòng)化今后將成為趨勢(shì),其水位數(shù)據(jù)作為防汛水文信息平臺(tái)的補(bǔ)充將越來越重要,研究其數(shù)據(jù)準(zhǔn)確上傳省防汛水文信息平臺(tái)是很有必要的。所以,水文遙測(cè)與自動(dòng)化系統(tǒng)的水位數(shù)據(jù)共享,還需要不斷探索和研究。

[1].林國輝.WFY型遙測(cè)水位計(jì)十進(jìn)制數(shù)-格雷碼的轉(zhuǎn)換計(jì)算和應(yīng)用 [J]..水利水文自動(dòng)化,1999(3):57.

[2].康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ) [M]..4版.北京:高等教育出版社,2000.

[3].徐斌,鄭阿奇.施耐德PLC應(yīng)用技術(shù)[M]..北京:電子工業(yè)出版社,2011.