(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

管網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜、規(guī)模巨大,且流體使用隨機(jī)性強(qiáng)，運(yùn)行控制為多目標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[1]。近年來，隨著城市管網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，管網(wǎng)系統(tǒng)的復(fù)雜性和多變性更為突出。管網(wǎng)正常運(yùn)行的安全性和可靠性也尤為重要，尤其是對(duì)于有毒流體。目前，對(duì)于管網(wǎng)的監(jiān)測(cè)和閥門的控制是相對(duì)獨(dú)立的[2-3]，管網(wǎng)的監(jiān)測(cè)是后期通過鉆孔等操作在管道上面安裝傳感器，工程量大，且對(duì)管道的損傷程度也比較大，而閥門的控制也是在管網(wǎng)出現(xiàn)嚴(yán)重問題時(shí)安排工作人員對(duì)其直接操作或遠(yuǎn)程操控。

為此，本文提出了一種基于全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(global system of mobile communication,GSM)技術(shù)的智能監(jiān)控閥系統(tǒng)。該系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式，將監(jiān)測(cè)和控制集成于閥門之中，一旦發(fā)生爆管，系統(tǒng)將自動(dòng)關(guān)閉相應(yīng)閥門并發(fā)出報(bào)警信息，有效減少了流體資源的浪費(fèi)和對(duì)環(huán)境的污染。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在總體上分為以下兩級(jí)。

一級(jí)系統(tǒng)即現(xiàn)場(chǎng)級(jí)是集成于閥門上的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)在硬件構(gòu)成上有傳感模塊、采集模塊、控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和遠(yuǎn)程傳輸5大模塊[4-8]。其中，傳感模塊包括液壓傳感器、流量傳感器、pH傳感器等傳感器接口，采集模塊和控制模塊均由AVR單片機(jī)完成，遠(yuǎn)程傳輸采用GSM模塊。

二級(jí)系統(tǒng)即控制中心，該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊3大模塊構(gòu)成。其中，數(shù)據(jù)接收模塊為GSM模塊，數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)模塊分別為工控機(jī)和服務(wù)器，后兩者可以集于一體。

當(dāng)系統(tǒng)成功開啟以后，傳感模塊通過MCU內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換模塊將傳感數(shù)據(jù)傳送給MCU，MCU將數(shù)字量傳送給遠(yuǎn)程傳輸模塊——GSM模塊，GSM模塊通過GSM網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送給控制中心，控制中心將對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、分析和處理。

若流體在管網(wǎng)運(yùn)行中出現(xiàn)如爆管等異常狀態(tài)，則相應(yīng)閥門將會(huì)自動(dòng)關(guān)斷，并且將報(bào)警信息發(fā)送給控制中心和管網(wǎng)維護(hù)人員，以便控制中心和維護(hù)人員及時(shí)做出相應(yīng)的維護(hù)和管理，有效減少資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 遠(yuǎn)程可控智能閥的一體化設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程可控智能調(diào)節(jié)閥是將執(zhí)行機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理與傳送模塊集于一體，并且密封于防護(hù)罩中。

由于系統(tǒng)所處環(huán)境比較潮濕，對(duì)密封要求較高，因此在防護(hù)罩與閥門連接處均加入密封墊，與外部的線纜均采用防水航空插頭，電機(jī)選用防水電機(jī)，電路板采用防水設(shè)計(jì)，并涂有三防(防塵、防震、防水)漆，使該系統(tǒng)的防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP68。同時(shí)，設(shè)置有外置天線，即使發(fā)生爆管、設(shè)備被水淹沒的情況，系統(tǒng)仍然能夠安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

一體化的設(shè)計(jì)，即在管道上安裝閥門的同時(shí)，采集系統(tǒng)也安裝于管網(wǎng)上，避免了后期在管道上進(jìn)行打孔等操作；安裝、維護(hù)方便，大大減少了后期工程量；數(shù)據(jù)采集的可靠性高，且對(duì)管道無破壞，有效提高了管道的使用壽命和安全性。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 遠(yuǎn)程傳輸與數(shù)據(jù)采集模塊

遠(yuǎn)程傳輸模塊選用了華為的GSM模塊GTM900-C。該模塊是一款兩頻段GSM/GPRS無線模塊,支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令和增強(qiáng)型AT命令，提供豐富的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)功能[9]。該模塊共有40個(gè)引腳，而與ATmega128只需要連接4個(gè)引腳，連接簡(jiǎn)單方便。其中GTM900-C的RXD和TXD分別與ATmega128的RXD和TXD相連接，用于兩者之間的RS-232串行通信，其他兩個(gè)引腳分別用于控制GTM900-C的開機(jī)與復(fù)位。GTM900-C與ATmega128的具體連接方式如圖2所示。

圖2 GTM900-C與ATmega128接口電路

由于ATmega128采用5 V供電，與GTM900-C電平不匹配，因此在兩個(gè)模塊引腳間串聯(lián)電阻，使其電平匹配。

數(shù)據(jù)采集直接利用ATmega128內(nèi)置A/D，其分辨率為10位，非線性度為0.5 LSB，絕對(duì)精度為±2 LSB。選用的傳感器均為0～5 V電壓輸出，且通過上拉電阻后單端接入A/D。內(nèi)置A/D減少了硬件成本，操作簡(jiǎn)單方便，且穩(wěn)定性和可靠性高，避免了對(duì)A/D的調(diào)試和硬件電路的設(shè)計(jì)。

3.2 看門狗電路設(shè)計(jì)

由于本文所述系統(tǒng)為遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，而且工作環(huán)境較為惡劣，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)死機(jī)等故障時(shí)，很難進(jìn)行人工操作,雖然ATmega128內(nèi)置有看門狗定時(shí)器，但是GTM900-C沒有，因此為了提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，設(shè)置了硬件看門狗電路。

看門狗電路工作原理為：當(dāng)GTM900-C正常工作時(shí)，其管腳LPG每隔一定時(shí)間(最長不超過3 s)輸出一個(gè)高電平脈沖，送到CD4060復(fù)位端(即喂狗)，將計(jì)數(shù)器清零，CD4060輸出低電平，使MOS管APM3095P導(dǎo)通，從而保證模塊正常工作。若GTM900-C未能正常工作，LPG引腳將沒有脈沖輸出，達(dá)到計(jì)數(shù)時(shí)間T后，CD4060的Qn管腳將輸出一個(gè)高電平脈沖到MOS管源(G)端，使MOS管截止，從而使模塊GTM900-C和ATmega128復(fù)位，使其繼續(xù)正常工作。CD4060的計(jì)數(shù)時(shí)間為：T=2Qn-1(2.2RtCt)。其中，Qn為脈沖輸出引腳，Rt為該芯片第10個(gè)引腳所接電阻，Ct為該芯片第9個(gè)引腳所接電容。本次設(shè)計(jì)T=9.011 2 s，即GTM900-C如果在9 s內(nèi)不輸出脈沖，該電路將會(huì)對(duì)模塊進(jìn)行復(fù)位?？撮T狗電路具體連接如圖3所示。

圖3 看門狗電路

3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制

由于本系統(tǒng)控制主要是對(duì)閥門開啟和關(guān)斷的控制，因此對(duì)于液體壓強(qiáng)的控制，系統(tǒng)通過控制閥門的開啟度來實(shí)現(xiàn)，即對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。液體壓強(qiáng)的控制精度為0.001 MPa。系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。ATmega128通過I/O口輸出高低電平控制三極管的導(dǎo)通與截止，繼而控制繼電器的通斷，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)與停止。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

為了防止閥板對(duì)閥門的損壞，在閥門外部安裝了行程限位開關(guān)，保證電機(jī)安全可靠地運(yùn)行。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)分為兩大模塊：一是數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，二是電機(jī)控制[10-12]。

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)流程圖如圖5所示。首先，對(duì)MCU和GSM進(jìn)行初始化，依次對(duì)I/O口、串口、定時(shí)器、A/D、緩存、GSM進(jìn)行初始化。初始化完成后，GSM向控制中心發(fā)送短信，表明初始化成功，等待控制中心給予開始采集的命令。若控制中心發(fā)出開始采集的命令，則系統(tǒng)開始運(yùn)行，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換；若沒有，則繼續(xù)等待。由于ATmega128內(nèi)置A/D第一次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，因此將其丟棄，從第二次開始，采集1 400次，并將采集的、連續(xù)的20個(gè)數(shù)據(jù)取一次均值，變成70個(gè)數(shù)據(jù)，最后將這70個(gè)數(shù)據(jù)與預(yù)警值進(jìn)行比較。若出現(xiàn)連續(xù)的3個(gè)數(shù)據(jù)值大于預(yù)警值，則立即關(guān)閉閥門，并將報(bào)警信息發(fā)送到控制中心和相應(yīng)的維護(hù)人員；若數(shù)據(jù)值均在預(yù)警范圍內(nèi)，則將這70個(gè)數(shù)據(jù)以分組數(shù)據(jù)單元(packet data unit,PDU)格式發(fā)送到控制中心，控制中心將數(shù)據(jù)保存。10 min后開始第二次采集，依次循環(huán)。

圖5 數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)監(jiān)測(cè)流程圖

電機(jī)控制流程圖如圖6所示。

圖6 電機(jī)控制流程圖

首先是系統(tǒng)初始化，本次初始化除了圖6中初始化外，還包括對(duì)閥板位置進(jìn)行初始化，將閥門關(guān)閉，直到觸動(dòng)限位開關(guān)。準(zhǔn)備就緒后，等待控制中心給予電機(jī)控制的命令，命令包括打開閥門、關(guān)閉閥門、升壓和降壓。這些動(dòng)作均由電機(jī)的正反轉(zhuǎn)完成。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的反饋信號(hào)由液壓傳感器和限位開關(guān)給定。若電機(jī)正確執(zhí)行了指令即達(dá)到指定壓強(qiáng)，則等待接收下條指令；若沒有，則繼續(xù)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，直至達(dá)到指定壓強(qiáng)。

電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)通過兩個(gè)繼電器的吸合和斷開實(shí)現(xiàn)。若要使電機(jī)正轉(zhuǎn)，則使其中一個(gè)繼電器吸合；若要實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)，則使其斷開，使另一個(gè)繼電器吸合；若要停止轉(zhuǎn)動(dòng)，則兩個(gè)繼電器同時(shí)斷開。

若閥板運(yùn)動(dòng)到閥門底部，閥門完全關(guān)閉，而電機(jī)還在向下轉(zhuǎn)動(dòng)，則限位開關(guān)給ATmega128發(fā)送信號(hào)，強(qiáng)行停止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，反之亦然。

4.2 控制中心軟件設(shè)計(jì)

為了更好、更直觀地對(duì)閥門作出控制和管理，編寫了上位機(jī)軟件。該上位機(jī)軟件應(yīng)用VB編寫，其中包括的功能有：模塊的設(shè)定與測(cè)試，串行通信的設(shè)定，閥門信息的錄入與管理，閥門的開啟、關(guān)閉，對(duì)采集數(shù)據(jù)的保存、管理和顯示。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了閥門控制和監(jiān)測(cè)的一體化設(shè)計(jì)，極大地減少了管網(wǎng)智能化管理的后續(xù)工作和工程量，并且能夠?qū)﹂y門作出可靠、及時(shí)的控制，對(duì)管網(wǎng)的正常運(yùn)行和維護(hù)提供了有效的技術(shù)手段，所采集到的數(shù)據(jù)為管網(wǎng)的管理提供了科學(xué)依據(jù)。

[1] 李玉華，孫希兵.基于GIS的城市供水管網(wǎng)管理系統(tǒng)開發(fā)[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，30(4)：476-480.

[2] Gama-Moreno L,Reyes J,Sánchez M,et al.Instrumentation of a water-leaks detection system controlled via the short message service through the GSM network[C]//Electronics,Robotics and Automotive Mechanics Conference(CERMA),IEEE,2010:654-659.

[3] 李楠楠，郄志紅，古田均.供水管網(wǎng)爆管故障診斷的PSO-SVM方法[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2012,32(9)：2104-2109.

[4] Onat M,Cetin M S.GSM based cathodic protection scada system[J].Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University,2008,23(3):585-594.

[5] 劉西秀，張民，劉勇.GSM技術(shù)在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012(10)：79-84.

[6] 孫立國，周玉文.基于壓電傳感器與GSM技術(shù)的供水管網(wǎng)漏損控制系統(tǒng)[J].中國給水排水，2010,26(6)：16-19.

[7] 何金枝，毛海燕，周國運(yùn).基于單片機(jī)的GSM遠(yuǎn)程溫度控制器設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2012,34(11)：128-131.

[8] 蘇維均，張曉明，聶爾豪,等.基于GSM的故障實(shí)時(shí)報(bào)警控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012,20(8)：2133-2135.

[9] 華為技術(shù)有限公司.GTM900-C產(chǎn)品概述/GTM900-C無線模塊V100R001[K].2009.04.09.

[10] 陳琦，丁天懷，李成,等.基于GPRS/GSM的低功耗無線遠(yuǎn)程測(cè)控終端設(shè)計(jì)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009,49(2)：223-225.

[11] 鄭爭(zhēng)兵，趙峰.基于GSM的遠(yuǎn)程心率監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2012，32(7):2082-2084.

[12] 趙立燕，許亮.基于GSM短消息的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2009,17(7)：29-31.