穆清萍 謝少偉

（浙江水利水電學院，浙江 杭州310018）

0 引言

隨著信息化在水利行業(yè)的不斷推廣，閘門自動化監(jiān)控也日益受到重視，其對水資源的合理調配、閘門啟閉效率的提高具有重要意義。同時，隨著各類控制器、傳感器智能化程度的提高，基于現(xiàn)場總線構建閘門監(jiān)控系統(tǒng)已十分方便。本文即基于RS485總線，設計一種閘門多數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，除傳統(tǒng)的開度、荷重等閘控信號外，還實現(xiàn)了水文、三相電壓、電流、閘門啟閉圖像、環(huán)境溫濕度等數(shù)據(jù)采集，在實現(xiàn)閘門監(jiān)控的同時可以利用RS485總線構建一個水文監(jiān)測點，以節(jié)省水文監(jiān)測所需的通信線路建設與使用成本。

1 系統(tǒng)構成

圖1為基于RS485總線的閘門多數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)結構框圖。其中PLC、開度儀（包括開度及載荷傳感器）、電氣控制系統(tǒng)（包括電機執(zhí)行機構）、遠程PC機是傳統(tǒng)的閘門遠程監(jiān)控系統(tǒng)的基本構成。在此基礎上，還增加了多個數(shù)據(jù)采集節(jié)點，各節(jié)點均帶RS485通信接口，采用被動數(shù)據(jù)采集模式與 Modbus RTU（除圖像采集節(jié)點外）通信規(guī)約。數(shù)據(jù)采集時，閘門控制與保護信號（如開度儀輸出信號）盡量保證實時性，其他信號采用分時或閘門啟動前后進行采集的方式。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

（1）三相電壓、電流數(shù)據(jù)采集節(jié)點。選用HXYBU／I-X4系列三相數(shù)顯式電壓、電流表，通過面板可設置CT、PT的參數(shù)，適應不同的互感器參數(shù)要求。

（2）圖像采集節(jié)點。選用ZM-CAM串口攝像頭，支持夜視拍攝，數(shù)據(jù)通信采用命令、應答、數(shù)據(jù)3種幀結構，采用512字節(jié)分包傳輸方式。115 200波特率、60×120圖像分辨率時的圖像傳輸速度可達4 fps。其圖像拍攝有200 ms的延時，采用啟動拍攝與獲取圖像數(shù)據(jù)分時處理的方式。

（3）環(huán)境溫濕度采集節(jié)點。選用SM1810B溫濕度傳感器，測溫范圍－40～＋123.8℃，測溫精度±0.5℃，測濕范圍0～100%RH，測濕精度±4.5%RH。配置2個采集節(jié)點，1個用于測量閘門控制柜內的溫濕度，1個用于測量室內環(huán)境溫濕度。

（4）水文監(jiān)測節(jié)點。根據(jù)監(jiān)測的水源環(huán)境水位監(jiān)測可以選擇浮子式、超聲波、壓力式水位傳感器，如UTG21-B超聲波液位計、PTH601壓力式水位傳感器。流量選用MLF-900堰槽式明渠流量計。雨量監(jiān)測選用LVYLZ31型雨量傳感器。

2 布線規(guī)范

RS485總線在實際應用中單元數(shù)量較多，分布較廣，現(xiàn)場存在各種干擾，因此下面的布線問題十分關鍵。

2.1 總線結構

采用手拉手式的總線結構（不能用星型和分叉連接）。如圖1中RS485轉RS232模塊的A、B端先引線至采集節(jié)點1的A、B端，再從采集節(jié)點1的A、B端引線至采集節(jié)點2的A、B端，最后從開度儀的A、B端引線至PLC的A、B端。

2.2 終端電阻選擇

對于雙絞線組成的RS485網(wǎng)絡，終端電阻有兩個，分別位于雙絞線的兩端，目的是消除由于傳輸線即雙絞線特性阻抗不連續(xù)而帶來的反射信號，在短距離或低波特率數(shù)據(jù)傳輸時可不需終端匹配電阻。終端電阻的阻值應等于雙絞線的特性阻抗（可由生產(chǎn)廠商提供），阻抗120Ω的雙絞線，兩終端匹配電阻為120Ω。

2.3 偏置電阻配置與計算

如果RS485總線處于空閑狀態(tài)，總線電平處在－200～＋200 m V之間時（如較小的反射干擾信號），會誤認為通信幀的起始位而引起通信不正常，傳統(tǒng)的做法是給總線加偏置。

對于多數(shù)據(jù)采集的閘門控制系統(tǒng)來說，各RS485節(jié)點由不同的廠家生產(chǎn)，為方便偏置電阻的配置與計算，在訂購產(chǎn)品時，要求生產(chǎn)廠家在其產(chǎn)品中不加偏置電阻，采用在節(jié)點外進行集中配置的方式。圖2為偏置電阻計算原理圖。R1＝R2為偏置電阻，RZ1、RZ2為終端電阻，R11、R12、R1N為各節(jié)點的負載阻抗，一般為各節(jié)點所用485芯片的負載阻抗，如MAX485芯片的負載阻抗一般為12 kΩ，可由廠商提供?？臻e時A、B之間的偏置電壓可設在250～300 mV之間，太高需減小偏置電阻，以免節(jié)點通信時A、B二線的灌、拉電流增大。確定A、B間的偏置電壓、各節(jié)點的負載阻抗，便可根據(jù)圖2計算出R1、R2偏置電阻大小。

圖2 偏置電阻計算原理圖

3 開關信號數(shù)據(jù)采集器

目前普遍使用的浮子式機械編碼水位傳感器、雨量傳感器多為開關量輸出信號，不帶RS485接口，為此專門開發(fā)了開關信號數(shù)據(jù)采集器。采集器采用了STC12C5A60S2單片機，具有60 kB的程序空間，36個I／O口，內置硬件看門狗，有較強的抗干擾能力。

3.1 開關信號數(shù)據(jù)采集

浮子式機械編碼水位傳感器（如WFH2）采用12位機械格雷碼輸出，其12位編碼用3片TL521-4光電耦合器件（每片內含4路光耦）隔離后加到單片機P0.0～P0.7、P1.0～P1.3共12個口線進行數(shù)據(jù)采集。一位編碼的光電隔離線路原理如圖3所示。光耦隔離輸入回路采用閘門電氣控制回路的＋24 V輔助工作電源，輸出回路采用數(shù)據(jù)采集器的＋5 V工作電源，2路電源在電氣上隔離。

圖3 一位編碼(開關信號)光電隔離原理圖

雨量傳感器常用干簧繼電器產(chǎn)生脈沖信號，每個脈沖信號表示0.1 mm或0.5 mm或1 mm降雨量。脈沖信號同樣經(jīng)TL521-4光耦隔離，接至單片機的P3.4（T0）口線，由單片機的16位計數(shù)器對脈沖信號進行累計計數(shù)。原理圖也如圖3所示，K表示干簧繼電器。

采集器還預留8路開關信號采集線路，可用作如電氣控制動作等開關信號的采集。原理圖也如圖3所示，K表示開關信號。

3.2 RS485通信接口線路

數(shù)據(jù)采集器采用MAX485通信接口線路，MAX485的RO、DI、RE和DE（連接在一起）端經(jīng)高速光耦6N137隔離后分別接單片機的P3.0（RXD）、P3.1（TXD）、P3.5口線。數(shù)據(jù)采集器的＋5 V電源經(jīng)DC-DC隔離后，為光耦輸入回路及MAX485提供＋5 V電源，實現(xiàn)單片機與MAX485之間的電氣隔離。

4 結語

基于RS485總線，在傳統(tǒng)閘控信號的基礎上，實現(xiàn)了水文、閘控圖像、環(huán)境等數(shù)據(jù)采集，使閘門遠程控制更加安全可靠。系統(tǒng)結構簡單、性價比高、擴展性強，結合光終端機模塊可實現(xiàn)遠距離監(jiān)控，結合RS485轉GPRS或以太網(wǎng)模塊，可方便構成GPRS或以太網(wǎng)閘門多數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)。

［1］劉衍偉，陳淵睿.基于RS485總線的監(jiān)控系統(tǒng)研究與設計［J］.微處理機，2011（2）

［2］化雪梅.灌區(qū)斗口閘門自動控制系統(tǒng)設計與運行［J］.甘肅水利水電技術，2009（1）