傅永平,胡芳華,虞曉峰

(1.紹興縣塘閘管理處,浙江 紹興 312073;2.杭州廣川科技有限公司,浙江 杭州 310020;3.杭州經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)江堤河道監(jiān)管中心,浙江 杭州 310018)

1 問題提出

隨著經(jīng)濟的發(fā)展,防汛工作日趨重要,而如今中小水閘(泵站)自動化控制系統(tǒng)日漸成熟,在我國沿海發(fā)達地區(qū)已經(jīng)很普遍,其中上下游水位即是水閘運行中極為重要的數(shù)據(jù)信息,又是防汛的重要的基礎信息,但由于中小水閘(泵站)的網(wǎng)絡建設普遍比較落后以及水文信息平臺安全性和獨立性的要求,無法通過公用網(wǎng)絡上傳至防汛主管部門的數(shù)據(jù)平臺,而省水文信息系統(tǒng)又要求接入水閘(泵站)上下游水位信息。當前絕大多數(shù)中小水閘(泵站)上下游水位數(shù)據(jù)并未直接融入省水文信息平臺,部分閘 (泵)站采用另行獨立建設一套遙測系統(tǒng)方式上傳上下游水位信息,造成投資的浪費以及可能導致2套系統(tǒng)數(shù)據(jù)不一致。因此采用一種經(jīng)濟安全可行的方式解決2個系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸成為一個值得研究的問題。

2 技術路線

水文遙測系統(tǒng)在硬件上是通過水文遙測終端的格雷碼數(shù)據(jù)接口讀取水位數(shù)據(jù) (水位計為格雷碼編碼的浮子式水位計),通過GPRS網(wǎng)絡傳輸?shù)绞∷男畔⑾到y(tǒng)服務器,數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡上具有安全保密性、相對獨立性等特點。

由于水閘 (泵站)自動化系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集的精確度、水位反應的靈敏度和自動化系統(tǒng)自身的要求。水位信號往往是通過壓力式和超聲波式的水位傳感器,它們的輸出共性是4～20 cm的電流信號。

綜合分析2套系統(tǒng)的特點以及對紹興縣濱海閘及其他類似閘站應用探索,總結出以下技術路線,在保證數(shù)據(jù)一致的條件下實現(xiàn)不同接口數(shù)據(jù)轉換與傳輸以及使得閘 (泵)站系統(tǒng)中水位靈敏度達到水文遙測系統(tǒng)要求的目標。

首先由在水閘的上下游分別通過壓力式(超聲波)水位計采集得到4～20mA電流信號,經(jīng)現(xiàn)地控制單元取得浮點型上下游水位數(shù)據(jù),再經(jīng)過數(shù)據(jù)轉換軟件模塊和濾波模塊處理,形成水文遙測系統(tǒng)能夠識別的格雷碼開關量信號輸出到遙測終端機[1].,再由終端機通過GPRS傳輸?shù)绞∷倪b測信息平臺,系統(tǒng)原理圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)原理圖

3 數(shù)據(jù)傳輸模塊設計

3.1 轉換接口硬件設計

應用數(shù)據(jù)處理模塊,將最終轉換后的數(shù)據(jù) (格雷碼)狀態(tài)輸出到數(shù)據(jù)處理模塊的Q 0.4～Q 1.7點位上,數(shù)據(jù)處理模塊點位輸出圖見圖2。

數(shù)據(jù)處理模塊的電壓是直流24 V,而遙測終端機輸入電壓是5 V,所以增加中間繼電器進行電壓轉換[2].,數(shù)據(jù)處理模塊與遙測終端機接線圖見圖3。

3.2 數(shù)據(jù)轉換軟件設計

格雷碼處理程序步驟[3].:

(1)首先編寫子程序邏輯運算,將二進制數(shù)轉換成格雷碼子程序模塊(見圖4)。

圖2 數(shù)據(jù)處理模塊點位輸出圖

圖3 數(shù)據(jù)處理模塊與遙測終端機接線圖

圖4 二進制數(shù)轉換成格雷碼子程序模塊圖

(2)從高位到低位依次進行處理,將L 6.0-L 7.3的狀態(tài)取反,輸出到IA-IL對應的接口模塊(見圖5)。

圖5 輸出到IA-IL對應的接口模塊圖

(3)最后形成數(shù)據(jù)處理模塊見圖6,其功能是,在VD輸入任何一個實數(shù)就能在IA-IL處輸出對應的格雷碼數(shù)據(jù)。

圖6 數(shù)據(jù)處理模塊圖

3.3 濾波模塊的設計

為保證閘(泵)站的水位數(shù)據(jù)滿足水文遙測要求,需使壓力式(超聲波)水位計和浮子式水位計水位波動特性相一致,分析如下:

浮子式水位計濾波主要由2層實現(xiàn),水位井本身的濾波和浮子式水位計自身的機械濾波。壓力式 (超聲波)水位計濾波也由2層實現(xiàn),水位井本身濾波和數(shù)據(jù)處理軟件濾波。首先采用標準水位井,兩側有著相同濾波特性的水位測井,其次在同一河道斷面和同一測點測量取得浮子式/壓力式(超聲波)水位計數(shù)值波動數(shù)值/時間采樣表 (見表1)。

表1 浮子式水位計,4～20 mA原始數(shù)據(jù)采用表

根據(jù)表1進行軟件濾波設計使得投入式或浮子式水位波動的特性與浮子式一致,濾波模塊設計如下:

VD200是濾波前的數(shù)據(jù)T34是5min定時器,每15 s采集一次水位數(shù)據(jù),存儲到相應的存儲器中,15 s采樣模塊見圖7。

把區(qū)段時間內(nèi)所有采集時間點數(shù)據(jù)進行加權平均(見圖8),再把最終數(shù)據(jù)寫到VD500存儲器中 (見圖9)。

最后將經(jīng)過軟件濾波后的系統(tǒng)再進行實驗測試,得到以下數(shù)據(jù)到達水文遙測系統(tǒng)要求,實驗后的結果見表2。

表2 浮子式水位計,4～20 mA水位值經(jīng)軟件濾波后數(shù)值表 cm

圖7 15s采樣模塊圖

圖8 加權平均模塊圖

圖9 最終數(shù)據(jù)模塊圖

4 結 語

水閘 (泵站)管理自動化今后將成為趨勢,其水位數(shù)據(jù)作為防汛水文信息平臺的補充將越來越重要,研究其數(shù)據(jù)準確上傳省防汛水文信息平臺是很有必要的。所以,水文遙測與自動化系統(tǒng)的水位數(shù)據(jù)共享,還需要不斷探索和研究。

[1].林國輝.WFY型遙測水位計十進制數(shù)-格雷碼的轉換計算和應用 [J]..水利水文自動化,1999(3):57.

[2].康華光.電子技術基礎 [M]..4版.北京:高等教育出版社,2000.

[3].徐斌,鄭阿奇.施耐德PLC應用技術[M]..北京:電子工業(yè)出版社,2011.