劉 煜，鄭 嵬，萬韶輝

（中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司，湖北省宜昌市 443133）

0 引言

三峽水情遙測(cè)系統(tǒng)共建設(shè)有633個(gè)遙測(cè)站，實(shí)時(shí)采集水位、流量、雨量、氣象等數(shù)據(jù)，并通過GSM/GPRS、PSTN、北斗衛(wèi)星等信道發(fā)送會(huì)水情遙測(cè)中心站[1]，由中心站系統(tǒng)軟件進(jìn)行分析、評(píng)估，為運(yùn)行管理人員提供決策依據(jù)，也為三峽梯級(jí)樞紐的防洪、航運(yùn)、生態(tài)保護(hù)，以及水電廠生產(chǎn)調(diào)度等效益發(fā)揮著重要的作用。

在遙測(cè)站實(shí)際運(yùn)行中，經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集器死機(jī)、通信進(jìn)程無響應(yīng)或者應(yīng)用程序BUG等原因?qū)е碌墓收稀？偨Y(jié)分析三峽水情遙測(cè)系統(tǒng)歷年故障及維修記錄，發(fā)現(xiàn)有些故障通常通過給遙測(cè)站的數(shù)據(jù)采集器設(shè)備進(jìn)行掉電，再上電的復(fù)位操作就可以解決。

目前，針對(duì)遙測(cè)站數(shù)據(jù)采集器復(fù)位操作，通常由技術(shù)人員去現(xiàn)場(chǎng)操作實(shí)現(xiàn)。人工操作，復(fù)雜費(fèi)時(shí)，并且效率低，并且也不符合現(xiàn)代社會(huì)對(duì)自動(dòng)化的要求。特別是，晚上遙測(cè)設(shè)備出現(xiàn)故障，或者位置較為偏僻的地方遙測(cè)站設(shè)備出現(xiàn)故障，就不能保證設(shè)備維護(hù)的及時(shí)性。

1 遙測(cè)站功能結(jié)構(gòu)

三峽水情遙測(cè)系統(tǒng)遙測(cè)站（Remote Terminal Unit，簡(jiǎn)稱RTU）典型功能結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括數(shù)據(jù)采集器、傳感器模塊、通信模塊，以及電源模塊等四個(gè)功能模塊[2]。

圖1 遙測(cè)站功能框圖Fig.1 RTU block diagram

數(shù)據(jù)采集器，為遙測(cè)站的“大腦”，負(fù)責(zé)遙測(cè)站數(shù)據(jù)采集、通信進(jìn)程、電源控制管理，以及傳感器控制等工作，接收來自中心站的遠(yuǎn)程命令，響應(yīng)遠(yuǎn)程召測(cè)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、采集功能模塊定制化配置等工作。

傳感器模塊，包括流量、水位、雨量、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度等傳感器，通過響應(yīng)數(shù)據(jù)采集器的命令，進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，并把所采集的數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)采集器。

通信模塊，包括GSM/GPRS、北斗、VHF、PSTN等信道相關(guān)設(shè)備。三峽水情遙測(cè)系統(tǒng)遙測(cè)站主要采用GSM/GPRS為主信道，北斗信道為備用信道的雙信道冗余配置的模式，提高遙測(cè)站的信道暢通率，確保數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)發(fā)送回中心站。

電源模塊，為遙測(cè)站的“動(dòng)力之源”，包括蓄電池、集成接口電路板、太陽能板等，為遙測(cè)站其他所有設(shè)備提供工作電源。

總結(jié)歷年的遙測(cè)站故障維護(hù)記錄，發(fā)現(xiàn)有35%為應(yīng)用程序故障，該類故障通過給遙測(cè)站復(fù)位操作就可以解決。如果可以遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)給遙測(cè)站進(jìn)行復(fù)位操作，將會(huì)有效快速解決這一部分故障，從而提高設(shè)備維護(hù)的及時(shí)性，提高遙測(cè)站的可用度、暢通率等指標(biāo)。

為解決上述問題，設(shè)備維護(hù)人員發(fā)現(xiàn)，可以利用遙測(cè)站GSM/GPRS信道[2]，通過維護(hù)人員撥打遙測(cè)站電話號(hào)碼所產(chǎn)生的振鈴信號(hào)[3]，來控制遙測(cè)站系統(tǒng)供電電路的通斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)遙測(cè)站系統(tǒng)的遠(yuǎn)程掉電/上電控制功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)遙測(cè)站設(shè)備的遠(yuǎn)程復(fù)位功能。該操作只需要維護(hù)人員撥打遙測(cè)站電話就可以實(shí)現(xiàn)，維護(hù)效率較人工去現(xiàn)場(chǎng)操作大大提高。為此，本文設(shè)計(jì)基于振鈴控制信號(hào)的振鈴控制器模塊，遠(yuǎn)程控制遙測(cè)站復(fù)位操作。

2 振鈴控制器設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 功能模塊確定

結(jié)合遙測(cè)站的功能結(jié)構(gòu)，振鈴控制器的主要功能模塊包括：①振鈴信號(hào)檢測(cè)電路，用于檢測(cè)是否有振鈴信號(hào)輸入；②脈沖計(jì)數(shù)器，用于統(tǒng)計(jì)振鈴信道脈沖的數(shù)目，如果符合模塊設(shè)定要求，則輸出相應(yīng)的掉電/上電命令；③供電控制電路，控制是否輸出受控電壓[4]。如圖2所示。

圖2 振鈴控制器功能結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Block diagram of ringing control model

2.2 功能模塊實(shí)現(xiàn)

2.2.1 電源控制電路

圖3為電源電路，為振鈴控制器提供工作電源，輸入電源為遙測(cè)站的工作電源VIN，線性穩(wěn)壓芯片TPS71533將輸入電壓VIN轉(zhuǎn)換為振鈴控制器所需要的工作電壓VCC（+5V），為控制器的各個(gè)部分電路提供工作電源[5-7]。

2.2.2 振鈴脈沖信號(hào)生成

圖4為振鈴脈沖信號(hào)檢測(cè)電路，需要遠(yuǎn)程控制遙測(cè)站復(fù)位操作時(shí)，振鈴檢測(cè)電路將振鈴信號(hào)的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為后續(xù)處理電路所對(duì)應(yīng)電平的脈沖信號(hào)，當(dāng)振鈴信號(hào)為高電平時(shí)控制三極管Q3導(dǎo)通，邏輯芯片74HC02的與非門電路輸入為低電平，輸出為高；相應(yīng)的振鈴信號(hào)為低電平時(shí)三極管Q3截止，邏輯芯片74HC02的與非門電路輸入為高，輸出為低，以此產(chǎn)生于振鈴信號(hào)相對(duì)于的可檢測(cè)脈沖信號(hào)RINGOUT，同時(shí)RINGOUT經(jīng)過兩級(jí)與非門電路之后驅(qū)動(dòng)LED指示燈D4閃爍。

2.2.3 脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)器

圖5為脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)器，脈沖計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖檢測(cè)電路所檢測(cè)到的振鈴信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，4路D觸發(fā)器對(duì)檢測(cè)到的振鈴信號(hào)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)分頻，計(jì)數(shù)到第8個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)（本模塊設(shè)置為8，該參數(shù)可變?cè)O(shè)置），最后1路D觸發(fā)器U3B輸出Q端進(jìn)行電平翻轉(zhuǎn)，輸出電壓控制信號(hào)VOUT_CTR由高變?yōu)榈?，關(guān)閉輸出控制電路的電壓輸出。

2.2.4 振蕩電路

圖3 電源控制電路Fig.3 Power Supply Control Circuit

圖4 脈沖信號(hào)檢測(cè)Fig.4 Detection of pulse signal

圖5 脈沖計(jì)數(shù)Fig.5 Pulse Signal Counter

圖6為振蕩電路，振蕩電路對(duì)內(nèi)部振蕩信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，起延時(shí)控制功能。當(dāng)振鈴信號(hào)脈沖RINGOUT存在時(shí)，U6振蕩器CD4060不停地復(fù)位操作，使得延時(shí)電路計(jì)時(shí)不停地重新開始，當(dāng)最后一個(gè)脈沖信號(hào)到來后振蕩器的最后一次復(fù)位，此時(shí)振蕩器對(duì)內(nèi)部振蕩信號(hào)重新開始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)滿之后Q12輸出高電平（電路設(shè)計(jì)的是脈沖結(jié)束后3秒，該參數(shù)可以通過調(diào)節(jié)RC振蕩電路的參數(shù)C12和R13的阻容值大小實(shí)現(xiàn)時(shí)間調(diào)節(jié)），Q12輸出信號(hào)經(jīng)與非門電路U4D處理之后CLR輸出為低電平，此時(shí)，D觸發(fā)器U3B的復(fù)位信號(hào)有效，輸出電壓控制信號(hào)VOUT_CTR為高電平，經(jīng)與非門U4A處理后控制三極管Q2導(dǎo)通，場(chǎng)效應(yīng)管Q1的柵極電平被拉低，場(chǎng)效應(yīng)管Q1導(dǎo)通，電壓輸出VOUT與VIN相連，電壓輸出開啟，遙測(cè)站設(shè)備上電，實(shí)現(xiàn)脈沖計(jì)數(shù)之后的延時(shí)上電操作。

2.2.5 電源控制輸出

圖7為電源輸出控制電路，通過脈沖計(jì)數(shù)器輸出的控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的開關(guān)控制，以此來實(shí)現(xiàn)遙測(cè)站的掉電上電操作。輸出電壓控制電路的輸出端VOUT接到遙測(cè)站的工作電源上，脈沖計(jì)數(shù)電路輸出的電壓控制信號(hào)VOUT_CTR為低電平時(shí)，經(jīng)與非門U4A處理后控制三極管Q2導(dǎo)通，場(chǎng)效應(yīng)管Q1的柵極電平被拉低，場(chǎng)效應(yīng)管Q1導(dǎo)通，電壓輸出VOUT與VIN相連，電壓輸出開啟，遙測(cè)站設(shè)備上電；脈沖計(jì)數(shù)電路輸出的電壓控制信號(hào)VOUT_CTR為高電平時(shí)，經(jīng)與非門U4A處理后控制三極管Q2截止，場(chǎng)效應(yīng)管Q1的柵極電平被拉高，場(chǎng)效應(yīng)管Q1截止，電壓輸出VOUT與VIN斷開，電壓輸出關(guān)閉，遙測(cè)站設(shè)備掉電。

2.3 振鈴控制器信號(hào)處理流程

圖6 振蕩電路Fig.6 Oscillating circuit

圖7 電源輸出控制Fig.7 Output of power control

振鈴控制器，振鈴信號(hào)檢測(cè)電路不斷檢測(cè)是否有振鈴信號(hào)輸入[7，8]，如果有的話，脈沖計(jì)數(shù)器則開始統(tǒng)計(jì)振鈴信號(hào)檢測(cè)電路所檢測(cè)到的振鈴信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)振鈴信號(hào)次數(shù)達(dá)到電路設(shè)定值時(shí)（本振鈴控制器中設(shè)置的振鈴信號(hào)為8次），供電控制電路控制電壓輸出開關(guān)將斷開，實(shí)現(xiàn)斷電操作；斷開3s以后，再閉合該開關(guān)，電壓輸出端V0輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)遙測(cè)站設(shè)備的一次掉電/上電操作。

信號(hào)處理流程如圖8所示，具體步驟如下：

（1）對(duì)遙測(cè)站進(jìn)行掉電/上電操作，維護(hù)人員撥打遙測(cè)站電話號(hào)碼，振鈴脈沖檢測(cè)電路檢測(cè)是否有脈沖信號(hào)（也即振鈴信號(hào)）。

（2）如果振鈴信號(hào)檢測(cè)電路檢測(cè)到振鈴信號(hào)，則執(zhí)行步驟（3）；如果沒有檢測(cè)到脈沖信號(hào)，則重復(fù)步驟（1）等待振鈴信號(hào)輸入。

（3）脈沖計(jì)數(shù)器清零，并開始統(tǒng)計(jì)振鈴信號(hào)脈沖次數(shù)。

圖8 信號(hào)處理流程Fig.8 Flow chart of signal processing

（4）當(dāng)振鈴信號(hào)次數(shù)達(dá)到電路設(shè)定值時(shí)，供電控制電路控制電壓輸出開關(guān)將斷開，實(shí)現(xiàn)斷電操作。

（5）電壓輸出開關(guān)斷開3s后，電壓輸出開關(guān)閉合，實(shí)現(xiàn)上電操作。

（6）遙測(cè)站遠(yuǎn)程掉電/上電操作結(jié)束。

3 結(jié)束語

目前，該振鈴控制器模塊已經(jīng)在三峽水情遙測(cè)系統(tǒng)中使用，在三峽水情遙測(cè)系統(tǒng)設(shè)備維護(hù)工作中，扮演著重要的作用，發(fā)揮良好的效益。遙測(cè)站安裝該振鈴控制器模塊后，維護(hù)人員可以更快速地處理一些遙測(cè)站故障，從而提高遙測(cè)站的暢通率和可用度。經(jīng)過一年的運(yùn)行及統(tǒng)計(jì)，2016年可用度達(dá)99.11%，較2015年提高0.2%；2016年暢通率達(dá)99.43%，較2015年提高0.3%。由于遙測(cè)站點(diǎn)設(shè)備故障恢復(fù)時(shí)間降低，三峽水情遙測(cè)系統(tǒng)暢通率和可用度顯著增長(zhǎng)。