王 輝

(東莞市水利勘測設(shè)計院有限公司,廣東 東莞 523115)

1 基于傳感器的新型泵站水閘實時信息采集管理系統(tǒng)

泵站水閘是水利工程中的重要組成設(shè)備之一，通過啟停、升降水閘，實現(xiàn)攔洪、擋潮、抬高水位、泄洪、排澇、沖沙、取水等水資源調(diào)動和調(diào)控活動，從而實現(xiàn)水閘的有效控制和管理[1]。

隨著計算機信息技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展，新型泵站水閘逐漸取代了傳統(tǒng)泵站水閘，使得水資源度調(diào)控更加自動化，提高泵站水閘工作效率，但是也由于新型泵站水閘的應(yīng)用，傳統(tǒng)的應(yīng)用在泵站水閘管理中的實時信息采集管理系統(tǒng)無法滿足新型泵站水閘控制的需要，信息采集和管理出現(xiàn)嚴重的滯后性[2]。本文為滿足新型泵站水閘控制的需要，在傳統(tǒng)實時信息采集管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進行改進，研究集檢測、監(jiān)視、管理、控制、維護等為一體的綜合性實時信息采集管理系統(tǒng)，全面提高系統(tǒng)的整體性能，以便更好地為新型泵站水閘服務(wù)。

1.1 系統(tǒng)整體框架設(shè)計

基于傳感器技術(shù)的新型泵站水閘實時信息采集管理系統(tǒng)整體框架設(shè)計大體分為三個單元，即現(xiàn)場控制單元、遠程控制單元和中間通信傳輸單元[3]。

(1)現(xiàn)場控制單元

現(xiàn)場控制單元負責對現(xiàn)場泵站水閘信息進行采集、處理、發(fā)送等操作，以及接收上位機發(fā)送過來的控制指令，并執(zhí)行指令。該單元具體包括兩種功能：①由布設(shè)在現(xiàn)場的各類傳感器、視頻設(shè)備采集泵站水閘水位、液壓、閘高、開度、油泵電流等運行參數(shù)和狀態(tài)信號，然后對這些信息進行處理，最后將其發(fā)送給上位機，為指令生成提供可靠依據(jù)[4]。②上位機根據(jù)傳輸過來的信息生成指令并發(fā)送給現(xiàn)場控制設(shè)備，控制閘門工作，包括啟停、開度等，完成水資源調(diào)度。

(2)遠程控制單元

操作人員在遠控室實時查看水閘的運行狀態(tài)，同時上位機根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備采集到的信息進行分析，并得出閘門的具體控制方案[5]。該單元具體包括三種功能：①接收現(xiàn)場信息，并進行存儲和在線顯示。②生成控制命令并發(fā)送，完成對閘門的提升、下降、停止和同步糾偏等控制。③建立數(shù)據(jù)庫，對實時和歷史信息進行備錄,并可隨時查看，兼有報警等功能。

(3)中間通信傳輸單元

現(xiàn)場控制單元和遠程控制單元之間需要中間通信傳輸單元作為橋梁，進行連接，完成信息傳輸和指令傳輸[6]。

1.2 系統(tǒng)關(guān)鍵硬件設(shè)計

1.2.1 傳感器

(1)液位傳感器

水位直接關(guān)系到閘門控制方案，因此液位傳感器是整個系統(tǒng)中最關(guān)鍵的硬件設(shè)備之一。本系統(tǒng)中采用的液位傳感器為MPM426W投入式變送器，用于閘門上下游水位計算[7]。該設(shè)備具體性能參數(shù)如表1所示。

表1 MPM426W投入式變送器主要性能參數(shù)指標

(2)壓力傳感器

壓力傳感器主要作用是采集液壓啟閉機中的油液壓力信息，油液壓力是以壓力油液作為介質(zhì)來工作的，繼而控制閘門提升、降落等行為[8]。本系統(tǒng)當中的壓力傳感器為德魯克PTX 1400，主要性能參數(shù)如表2所示。

(3)閘門傳感器

閘門傳感器主要作用是檢測水閘的狀態(tài)信息，以便及時進行調(diào)整。本系統(tǒng)當中的閘門傳感器為一種ZKC-3型閘門開度傳感器。該傳感器安裝方便，適應(yīng)性強，穩(wěn)定可靠[9]。ZKC-3型閘門開度傳感器主要技術(shù)指標如表3所示。

表2 德魯克PTX 1400壓力傳感器主要性能參數(shù)

表3 ZKC-3型閘門開度傳感器主要技術(shù)指標

(4)視覺傳感器

視覺傳感器的作用是對整個現(xiàn)場設(shè)備的工作環(huán)境進行監(jiān)測，主要采集視覺圖像信息，以便通過畫面及時發(fā)現(xiàn)異常。 本系統(tǒng)當中的視覺傳感器利用集成工業(yè)相機鏡頭拍攝的圖像來確定目標物體的存在、大小、形狀、方向和圖案等。采用LED照明，相機和鏡頭的集成設(shè)計使用戶可以更輕松地設(shè)置和管理設(shè)備。像機采用全景快門方式捕獲精確圖像，傳感器具有13種基本檢測功能，適用于各種應(yīng)用。捕獲的圖像也可以直接保存到FTP服務(wù)器，以便單獨管理和分析檢測數(shù)據(jù)。

1.2.2 可編程控制器(PLC)

PLC是現(xiàn)場控制單元的核心，現(xiàn)場所有設(shè)備都通過I/O接口與之相連，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的分布式控制。本系統(tǒng)當中的PLC為施耐德TWDL-CAC220DRF。該PLC主要性能特征有以下三點：

(1)10種本體，分別為10點、16點、24點或40點四種類型，其中6種本體分別可擴展4～7個數(shù)字量或模擬量模塊，還可以添加顯示界面、實時時鐘卡或儲卡等。

(2)內(nèi)置模擬量I/O、可作為高速計數(shù)的快速輸入、脈沖輸出和以太網(wǎng)通訊等多種功能，幫助控制器滿足OEM客戶的設(shè)備控制要求。

(3)通訊協(xié)議：Modbus，CANopen，CAN J1939全部內(nèi)部集成。

總而言之，TWDL-CAC220DRF具有靈活的配置，緊湊的結(jié)構(gòu)，強大的功能，豐富的通信方式，CPU的Firmware可不斷升級。

1.2.3 多處理器芯片Neuron

Neuron是遠程控制單元的核心，起到主控作用。Neuron是一塊大規(guī)模集成電路，主要集成了CPU、存儲器、接口等部件，如圖1所示。

圖1 Neuron多處理器芯片結(jié)構(gòu)

Neuron由于集成了三種CPU，工作效率高、配置也更為靈活，同時也支持多種傳輸介質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)泵站水閘群的同時控制[10]。

1.3 系統(tǒng)主要軟件程序設(shè)計

本系統(tǒng)軟件程序主要包括傳感器信息采集程序、水閘控制程序、監(jiān)控報警程序。下面進行具體分析。

1.3.1 傳感器信息采集程序

本系統(tǒng)的關(guān)鍵是利用各種傳感器進行新型泵站水閘實時信息采集，通過采集到的信息進行水閘控制，因此傳感器信息采集程序是本系統(tǒng)中最關(guān)鍵的程序[11]。雖然有四種傳感器類型，但是基礎(chǔ)采集流程是大致相同的，具體如圖2所示。

圖2 傳感器信息采集程序

1.3.2 泵站水閘控制程序

本系統(tǒng)研究的目的是通過采集到的信息更好的為泵站水閘控制服務(wù)，因此泵站水閘控制程序是本系統(tǒng)中另一關(guān)鍵程序[12]。根據(jù)水閘狀態(tài)，分為水閘上升/下降子程序以及水閘左/右糾偏子程序，具體如圖3所示。

圖3 泵站水閘控制程序

1.3.3 監(jiān)控報警程序

為及時發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場環(huán)境中的異常，監(jiān)控報警程序至關(guān)重要。

(1)視覺傳感器定時采樣警情圖像。

(2)對圖像進行處理，消除干擾。

(3)判斷是否存在異常？若不存在異常，則回到步驟1，若存在異常，則進行異常定位和登記。

(4)現(xiàn)場高分貝尖叫報警。

(5)向遠程操作人員發(fā)送報警信息，并給出警情位置和類型。

(6)工作人員采取相應(yīng)措施處理[13]。

2 系統(tǒng)測試與分析

系統(tǒng)理論設(shè)計完成后，還需要進行測試與分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題，以便及時進行改進。

2.1 系統(tǒng)測試環(huán)境

系統(tǒng)測試環(huán)境對系統(tǒng)測試與分析尤為重要，具體配置見表4。

表4 系統(tǒng)測試環(huán)境

2.2 測試結(jié)果分析

系統(tǒng)測試方法一般分為白盒測試和黑盒測試兩種，分別用于系統(tǒng)性能和功能。

2.2.1 白盒測試結(jié)果

在上系統(tǒng)環(huán)境設(shè)置的基礎(chǔ)上，進行白盒測試，得到結(jié)果如表5所示。

2.2.2 黑盒測試結(jié)果

在上述系統(tǒng)環(huán)境設(shè)置基礎(chǔ)上，進行信息采集測試以滿足測試要求范圍，得到結(jié)果如表6，水閘控制功能測試結(jié)果如表7。

表5 白盒測試結(jié)果

表6 信息采集功能測試結(jié)果

續(xù)表6

表7 水閘控制功能測試結(jié)果

3 結(jié) 語

本系統(tǒng)經(jīng)黑盒和白盒測試，證明了其性能和功能均達到了預(yù)期要求，但是本系統(tǒng)設(shè)計還存在一些不足，如系統(tǒng)需要在實際環(huán)境中進行進一步測試，以保證系統(tǒng)能夠在實際工作中得以應(yīng)用，這也是未來研究的重點。