高偉中,孟飛鋒

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 浙江 杭州 310005)

閘門(mén)是水電站、大壩、泵站的關(guān)鍵運(yùn)行設(shè)施，閘門(mén)的形式多樣，有直線門(mén)、弧門(mén)、升臥門(mén)、人字門(mén)等，傳動(dòng)方式有卷?yè)P(yáng)機(jī)式、液壓式，所以運(yùn)算、控制邏輯復(fù)雜多樣.通常閘門(mén)控制系統(tǒng)由現(xiàn)地控制單元，遠(yuǎn)方集控PLC等組成.開(kāi)度儀安裝在現(xiàn)地控制箱內(nèi)，負(fù)責(zé)采集閘門(mén)的傳感器信號(hào)，并進(jìn)行開(kāi)度換算，是閘門(mén)控制系統(tǒng)的核心控制裝置.MCS-06閘門(mén)開(kāi)度儀正是為適應(yīng)以上需求而開(kāi)發(fā)的新一代通用閘門(mén)開(kāi)度儀.

MCS-06閘門(mén)開(kāi)度儀采用SSI接口和絕對(duì)值傳感器(光電式編碼器)通訊，閘門(mén)運(yùn)動(dòng)通過(guò)耦合器帶動(dòng)傳感器旋轉(zhuǎn)，即可輸出與閘位相對(duì)應(yīng)的格雷碼編碼信號(hào)，量程分辨率最高可達(dá)8 192(13位)x4096轉(zhuǎn)(12位)，具有結(jié)構(gòu)合理，安裝簡(jiǎn)便、抗干擾能力強(qiáng)，分辨率高，量程大，壽命長(zhǎng)，集檢測(cè)與A/D轉(zhuǎn)換為一體，有掉電后信號(hào)跟蹤記憶功能.

1 硬件設(shè)計(jì)

開(kāi)度儀由主板、顯示板、繼電器板、電源、接口板等組成.采用NXP的LPC2119 CPU為主運(yùn)算單元：LPC2119是采用ARM7內(nèi)核的32位CPU，片內(nèi)集成了16 K RAM和128 K FLASH，還有看門(mén)狗，串口，CAN，I2C接口等資源，最大工作頻率可達(dá)60 M，工作溫度為-40℃～85℃.單芯片就可以具備開(kāi)度儀所需的絕大多數(shù)接口，可有效地減少外圍芯片，提高系統(tǒng)可靠性.非常適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用.

開(kāi)度儀在設(shè)計(jì)過(guò)程中貫穿“簡(jiǎn)潔至上”原則[1].儀器按電磁兼容(EMC)設(shè)計(jì)[2]，采用全金屬外殼、主板采用4層電路板，中間層為大面積的接地層和電源層，電源層邊框小于接地層5 mm[3].CPU的主頻在滿足運(yùn)算需求的前提下盡可能降低，為11.059 2 M，減小了電磁輻射.

儀表的顯示板采用移位寄存器芯片加高亮度LED的設(shè)計(jì)方案，在陽(yáng)光照射時(shí)不同角度都能清晰顯示.背面采用金屬板屏蔽，杜絕正面電磁干擾[4].電源、接口都采用了防雷設(shè)計(jì)，外部電源和內(nèi)部電源采用DC-DC模塊隔離，繼電器板在儀器最后部，接口芯片、RS485通訊芯片與主控芯片通過(guò)光耦隔離，全部采用工業(yè)級(jí)元器件.可適應(yīng)在惡劣自然環(huán)境、強(qiáng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行沖擊干擾和電磁干擾的環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1).

圖1 主控模塊構(gòu)成

工作主要參數(shù)如下：

工作電源：交直流兩用：DC 24 V,0.3 A或者 AC220 V, 0.04 A.

工作溫度：-10 ℃ ～ 60 ℃

存儲(chǔ)溫度：-20 ℃ ～ 80 ℃

相對(duì)濕度：5%～95%

開(kāi)度范圍：0.5～90 M

2 軟件設(shè)計(jì)

開(kāi)度儀的軟件在ADS1.2開(kāi)發(fā)平臺(tái)環(huán)境下完成，啟動(dòng)代碼、部分接口程序用匯編完成，95%以上代碼用C完成[5].軟件由主循環(huán)程序和中斷程序組成，具有良好的可維護(hù)性、可移植性[6]，通訊規(guī)約采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的ModbusRTU，方便與監(jiān)控系統(tǒng)通訊.

軟件主控流程(見(jiàn)圖2).

為了提高開(kāi)度儀運(yùn)行的可靠性做了以下設(shè)計(jì)：

(1)參數(shù)存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)如：表格值，輸出整定值，方向及ModbusRTU通訊都采用CRC16冗余效驗(yàn)，保證了數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性.CRC校驗(yàn)碼是將所有有效數(shù)據(jù)的位串看作是系數(shù)為0或1的多項(xiàng)式，一個(gè)k位的數(shù)據(jù)流可以看作是關(guān)于x的從k-1階到0階的k-1次多項(xiàng)式的系數(shù)序列.采用此編碼，發(fā)送方和接收方事先商定一個(gè)生成多項(xiàng)式G(x)，其高位和低位必須是1.要計(jì)算m位的幀M(x)的校驗(yàn)和，基本思想是將校驗(yàn)和加在幀的末尾，使這個(gè)帶校驗(yàn)和的幀的多項(xiàng)式能被G(x)除盡.當(dāng)接收方收到加有校驗(yàn)和的幀時(shí)，用G(x)去除它，如果有余數(shù)，則CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤，只有沒(méi)有余數(shù)的校驗(yàn)才是正確的.本系統(tǒng)次用的生成多項(xiàng)式G(x)為x16+x15+x2+1.算法的實(shí)現(xiàn)用查表法實(shí)現(xiàn)，運(yùn)算速度快，系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)較小.

圖2 軟件主控流程圖

(2)看門(mén)狗由主控程序和中斷程序共同完成，在沒(méi)有兩段程序共同運(yùn)行的情況下會(huì)觸發(fā)看門(mén)狗重啟開(kāi)度儀消除故障.

(3)顯示采用簡(jiǎn)單的移位寄存器方式，每秒刷新多次，即使有錯(cuò)誤產(chǎn)生也會(huì)在下一次刷新時(shí)修復(fù).

(4)每次循環(huán)都調(diào)用狀態(tài)監(jiān)控程序，對(duì)傳感器、程序的運(yùn)行情況實(shí)時(shí)檢查，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)點(diǎn)亮故障指示燈，并且退出輸出控制程序.

3 人機(jī)交互設(shè)計(jì)

人機(jī)交互設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行及調(diào)試、運(yùn)行人員情況.

(1)開(kāi)度儀面板狀態(tài)區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)分行顯示，故障、全開(kāi)、全關(guān)、通訊指示、主板電源指示燈都單獨(dú)設(shè)置，運(yùn)行人員在現(xiàn)場(chǎng)無(wú)須打開(kāi)控制箱就可以掌握儀器的運(yùn)行狀況.

(2)調(diào)零設(shè)計(jì)方便:將閘門(mén)放到最低位置后按住“功能”和“確定”，開(kāi)電源即可.

(3)運(yùn)行方向設(shè)置:在設(shè)置對(duì)應(yīng)的方向菜單里按▲或▼鍵后按“確定”.

(4)可以模擬4～20 mA輸出.方便監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)試.

(5)在現(xiàn)場(chǎng)一次手動(dòng)提門(mén)就可以完成所有的表格參數(shù)設(shè)置，減少了調(diào)試風(fēng)險(xiǎn).對(duì)于直線門(mén)，只要輸入最高點(diǎn)的傳感器編碼值和對(duì)應(yīng)的實(shí)際閘門(mén)開(kāi)度值(S8和T8),其他的Sn和Tn都輸入0就可以；對(duì)于運(yùn)行軌跡復(fù)雜的弧門(mén)、升臥門(mén)等，可以把整個(gè)閘門(mén)運(yùn)轉(zhuǎn)的行程分成多段，預(yù)先設(shè)置關(guān)鍵點(diǎn)編碼和開(kāi)度值，運(yùn)行時(shí)通過(guò)插值運(yùn)算計(jì)算出當(dāng)時(shí)編碼值對(duì)應(yīng)的實(shí)際開(kāi)度值.計(jì)算(見(jiàn)圖3)，開(kāi)度和實(shí)際電流輸出對(duì)用表(見(jiàn)圖4).

圖3 編碼器采集值、實(shí)際開(kāi)度值對(duì)應(yīng)表

圖4 開(kāi)度、輸出電流值對(duì)應(yīng)表

4 結(jié) 論

通過(guò)以上軟硬件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，開(kāi)度儀的按鍵輸入和LED顯示提供給了用戶良好的人機(jī)控制界面，能夠?qū)崟r(shí)顯示閘門(mén)的運(yùn)行狀況，并可以通過(guò)4～20 mA電流輸出、繼電器、通訊等多種方式與其他系統(tǒng)交互，適應(yīng)范圍廣.儀器調(diào)試簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，目前已經(jīng)投入批量生產(chǎn).該儀器在嘉興城市防洪系統(tǒng)，杭州赤通浦泵站、四川小姓電站等項(xiàng)目上大量使用，在現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定運(yùn)行多年，并創(chuàng)造了了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，獲得了用戶的好評(píng).

參考文獻(xiàn)：

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