郭 志，張 瑩，林 松，汪 洋，陳冠彪

（國(guó)網(wǎng)淮南供電公司，安徽 淮南 232000）

0 引言

老舊變電站的給水系統(tǒng)管道老化嚴(yán)重，管道中的水一旦結(jié)冰膨脹將導(dǎo)致管道開裂、漏水，且無人值守變電站數(shù)量多、路途遠(yuǎn)、巡視周期長(zhǎng)，給水系統(tǒng)發(fā)生滲漏水后，若工作人員無法及時(shí)關(guān)閉水通道閥門，將造成水資源浪費(fèi)和水費(fèi)成本的增加，漏水造成水流噴濺，對(duì)墻壁、地板等周圍環(huán)境產(chǎn)生不利影響，并給運(yùn)行設(shè)備帶來安全隱患。

在防漏水應(yīng)用研究方面，文獻(xiàn)［1］提出利用霍爾元件代替水流傳感器的低成本新方案，但水流量計(jì)算精度欠佳；文獻(xiàn)［2］提出了一種借助聲音傳感器現(xiàn)實(shí)漏水聲音檢測(cè)，但易受周圍環(huán)境影響；文獻(xiàn)［3］提出一種用水量上限值可調(diào)節(jié)的智能家居防漏水系統(tǒng)；文獻(xiàn)［4］利用傳感電纜檢測(cè)漏水，能夠有效檢測(cè)機(jī)房漏水，但適用場(chǎng)所受限。因此，現(xiàn)有的漏水保護(hù)器工作模式單一，而無人值守變電站用水情況特殊，難以滿足實(shí)際工作需求。

提出一種基于AT89S51 單片機(jī)的無人值守變電站防漏水告警系統(tǒng)，針對(duì)變電站用水特點(diǎn)設(shè)置了正常用水工作模式和防漏水工作模式，能夠在檢測(cè)到水流量或連續(xù)出水時(shí)長(zhǎng)達(dá)到閾值后，自動(dòng)關(guān)閉水通道閥門，并及時(shí)發(fā)出告警信息告知工作人員，有效防止變電站給水系統(tǒng)滲漏水的發(fā)生。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

無人值守變電站防漏水告警系統(tǒng)由AT89S51 單片機(jī)、工作模式選擇電路、復(fù)位電路、蜂鳴器告警電路、水流量采集電路、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路、電源電路以及LCD 顯示屏、直動(dòng)式電磁閥、葉輪式流量計(jì)、短信息告警模塊組成，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1 所示。通過工作模式選擇，滿足變電站用水需求。水流量及連續(xù)出水時(shí)長(zhǎng)的采集由葉輪式流量計(jì)及水流量采集電路完成，當(dāng)檢測(cè)到水流量或連續(xù)出水時(shí)長(zhǎng)達(dá)到閾值時(shí)，單片機(jī)通過電磁閥驅(qū)動(dòng)電路關(guān)閉給水通道，同時(shí)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器及LCD 顯示屏發(fā)出就地告警，控制短信息告警模塊向指定號(hào)碼發(fā)送告警信息。在工作人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)并查明給水系統(tǒng)漏水情況后，通過復(fù)位按鈕完成系統(tǒng)復(fù)位。

圖1 無人值守變電站防漏水告警系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.2 工作模式方案設(shè)計(jì)

無人值守變電站正常情況下用水需求很小，而在某些特定情況下如草坪灌溉、清洗設(shè)備等需要大量用水，針對(duì)其特點(diǎn)，將無人值守變電站防漏水告警裝置分為兩種工作模式：正常用水工作模式與防漏水工作模式。正常用水工作模式用于滿足無人值守變電站單次或在某時(shí)段內(nèi)頻繁大量用水需求，防漏水工作模式用于滿足無人值守變電站防滲漏水需求。

2 硬件設(shè)計(jì)

無人值守變電站防漏水告警裝置包含眾多硬件單元，以下重點(diǎn)介紹微處理器及外圍接口電路、水流量采集電路、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路、告警電路等核心單元。

2.1 處理器及外圍接口電路

AT89S51 單片機(jī)作為微處理器，具有成本低、功能強(qiáng)大、體積小及硬件安裝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)［5］。微處理器接口電路如圖2 所示，包含有時(shí)鐘電路、復(fù)位電路及工作模式選擇電路。單片機(jī)供電電壓為5 V，通過選擇開關(guān)選擇不同的工作模式，通過按鍵實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。

圖2 微處理器及外圍接口電路

2.2 水流量檢測(cè)電路

管道水流量采集電路輸入端連接葉輪式流量計(jì)，則管道內(nèi)水流量為［6］

式中：k1、k2為管道內(nèi)水流量計(jì)算系數(shù)，由葉輪式流量傳感器決定；d 為葉輪直徑；S 為管道橫截面積；f 為霍爾傳感器輸出脈沖信號(hào)的頻率，計(jì)算公式為

式中：ω 為葉輪轉(zhuǎn)速；T 為霍爾傳感器輸出脈沖信號(hào)的周期。接入系統(tǒng)5 V 電源，經(jīng)過AD 轉(zhuǎn)換器將連續(xù)的模擬信號(hào)離散化后傳輸給AT89S51 單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)水流量檢測(cè)，水流量采集電路如圖3 所示。

圖3 水流量采集電路

2.3 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路

選取常閉型直動(dòng)式電磁閥，其驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示，當(dāng)單片機(jī)通過引腳輸出低電平時(shí)，三極管Q2未導(dǎo)通，則三極管Q3 基極電壓升至系統(tǒng)電壓，三極管Q3 導(dǎo)通，電磁閥通電開啟水通道閥門，單片機(jī)輸出高電平時(shí)的工作原理與此相反。

圖4 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路

2.4 告警電路

系統(tǒng)采用有源蜂鳴器和LCD 顯示屏進(jìn)行就地聲光告警，有源蜂鳴器內(nèi)部自帶震蕩源，其驅(qū)動(dòng)電路如圖5 所示。系統(tǒng)采用S140GSM／3G／4GLTE 型短信息告警控制器進(jìn)行遠(yuǎn)方短信息告警，內(nèi)置SIM 通信卡，外接12 V 電源，其信號(hào)輸入端INPUT2 與微控制器的引腳連接，驅(qū)動(dòng)電路如圖6 所示。

圖5 有源蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路

圖6 短信息告警控制器驅(qū)動(dòng)電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序流程

“初始化”包括定時(shí)器中斷、外部中斷、串口中斷及短信模塊的初始化。通過外接選擇開關(guān)選擇工作模式，采用循環(huán)掃描方式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道出水情況。Flag是滲漏水標(biāo)志位，若選擇正常用水工作模式，F(xiàn)lag置0，不再對(duì)出水情況進(jìn)行檢測(cè)；若選擇防漏水工作模式，對(duì)出水情況進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到有滲漏水發(fā)生時(shí)，F(xiàn)lag置1，通過電磁閥驅(qū)動(dòng)電路關(guān)閉水通道閥門，同時(shí)啟動(dòng)蜂鳴器和LCD 就地聲光告警，并向指定手機(jī)號(hào)碼發(fā)送告警短信息，待工作人員前來處理。主程序流程如圖7 所示。

3.2 滲漏水檢測(cè)設(shè)計(jì)

在正常用水工作模式下，不對(duì)管道內(nèi)水流情況進(jìn)行檢測(cè)。在防漏水工作模式下檢測(cè)給水系統(tǒng)單次出水量和連續(xù)出水時(shí)長(zhǎng)，若單次出水量或連續(xù)出水時(shí)長(zhǎng)未達(dá)到預(yù)設(shè)閾值，則經(jīng)延時(shí)后清零重新檢測(cè)；若單次出水量或連續(xù)出水時(shí)長(zhǎng)達(dá)到預(yù)設(shè)閾值，則判定給水系統(tǒng)有滲漏水發(fā)生，滲漏水檢測(cè)流程如圖8 所示。由于無人值守變電站用水情況特殊，據(jù)統(tǒng)計(jì)，變電站單次用水量幾乎不超過50 L，且用水時(shí)長(zhǎng)不超過1 h，而大量用水情況在1 年中也難以遇見1 次，頻次十分低，因此將防漏水工作模式單次出水量和連續(xù)出水時(shí)長(zhǎng)閾值分別為50 L、1 h，這樣不但能夠有效防止變電站給水系統(tǒng)滲水和漏水的發(fā)生，且不影響變電站站內(nèi)工作時(shí)正常用水需求，有效減少了人工干預(yù)環(huán)節(jié)。

圖7 主程序流程

圖8 漏水檢測(cè)流程

3.3 告警短信息設(shè)計(jì)

短信息告警控制器內(nèi)插SIM 卡［7］，通過GSM 短信控制報(bào)警器配置軟件V1.5 進(jìn)行短信信息編制，編輯內(nèi)容簡(jiǎn)介以告知防漏裝置工作情況，如“××變電站室外防漏水裝置動(dòng)作”，并與指定手機(jī)進(jìn)行通信，如圖9 所示。在系統(tǒng)檢測(cè)到防漏達(dá)到告警條件時(shí)，通過微處理器驅(qū)動(dòng)短信息告警控制器，發(fā)送短信息給指定手機(jī)，上報(bào)漏水情況信息。

圖9 告警短信息編輯界面

4 系統(tǒng)測(cè)試

選取某無人值守變電站給水系統(tǒng)，對(duì)防漏水告警裝置進(jìn)行安裝調(diào)試，測(cè)試在不同工作模式下裝置各模塊動(dòng)作情況，測(cè)試結(jié)果如表1 所示。從表1 可以得出，兩種工作模式下，防漏水裝置均能在檢測(cè)到有滲漏水發(fā)生時(shí)，有效閉鎖水通道閥門，并及時(shí)發(fā)出告警信息。

表1 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)無人值守變電站用水特點(diǎn)，提出了正常用水工作模式和防漏水工作模式，通過檢測(cè)管道水流量及水流時(shí)長(zhǎng)，能夠在變電站發(fā)生滲漏水時(shí)及時(shí)關(guān)閉水通道閥門，并經(jīng)短信息告警控制器發(fā)送告警短信通知工作人員，避免給水系統(tǒng)漏水所帶來的損失和安全隱患，提升無人值守變電站智能化和安全運(yùn)行水平。