遠端級別并聯(lián)施壓泵閥智能扼制體系

1、遠端級別并聯(lián)施壓泵閥智能扼制體系1總體設(shè)計針對泵站的目標而設(shè)計的自動控制系統(tǒng)分為主泵站和次級泵站 兩個計算機系統(tǒng)。主泵站系統(tǒng)為有人值守，次級泵站系統(tǒng)為無人值守。 次級泵站系統(tǒng)既要相對獨立工作，又要將該泵站的工作信息傳至主泵 站計算機，在主泵站計算機控制下工作。1.1主泵站計算機系統(tǒng)的任務(wù)和功能系統(tǒng)應(yīng)采集進水管的水壓、電控閥門的開度、水池A的水位、出水壓力等輸入信號。系統(tǒng)輸出控制變頻器輸出量（05伏）、電動 閥門的控制量、兩路變頻器的切換等輸出信號。系統(tǒng)提供液晶顯示， 作為人機交互的重要通道，顯示文字、簡單的圖形、表格等，直觀地 反映主、次級泵站的計算機系統(tǒng)的工作狀態(tài)； 安裝微型打印機作為主 要

2、的硬拷貝輸出設(shè)備，用于打印各類工作歷史記錄；通過單片機的在 線系統(tǒng)可編程接口（ ISP）直接對電路板上的CPU進行編程，方便了 系統(tǒng)的升級與調(diào)試；使用紅外遙控器作為按鍵輸入手段， 避免無關(guān)人 員的操作；配置不間斷電源（UPS），為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的交流電。所 有的設(shè)備都安裝在19標準機柜中，設(shè)備的排列按強電到弱電次序從 下到上，分層、分塊安放，使維護方便。系統(tǒng)具備遠程通信功能，以 便主、次系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作；機柜使用強制通風以解決散熱問題。1.2無人值守的次級泵站計算機實現(xiàn)的任務(wù)和功能系統(tǒng)輸入水池B、C的水位信號；向水池C供水的水泵輸出開關(guān)信號和主、次級泵站的計算機的通信信號。水池C水位檢測的信號線從山

3、頂通過架空線引入，要特別考慮系統(tǒng)的防雷問題。1.3計算機的內(nèi)嵌調(diào)試模塊主、次級泵站的計算機均采用自行設(shè)計的內(nèi)嵌調(diào)試模塊，開發(fā)人員通過上位機與主、次級計算機相連就可以調(diào)閱計算機中的存儲器、 端口的實時工作情況，鼠標點在存儲器、端口的字節(jié)單元上，與原程 序?qū)?yīng)的變量名和注釋均可顯示，大大方便于開發(fā)者對計算機系統(tǒng)的 開發(fā)，調(diào)試者對現(xiàn)場的維護和 PID自動控制參數(shù)的整定。2計算機系統(tǒng)的硬件設(shè)計計算機系統(tǒng)主要由以下模塊組成：模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)模轉(zhuǎn)換，實時時 鐘，開關(guān)量輸入，開關(guān)量輸出，打印機接口，MODEM通訊接口，EEPROM，點陣圖形式液晶顯示模塊，紅外遙控鍵盤等。主泵站的計 算機系統(tǒng)采用ATMEL公司的

4、89S52作為系統(tǒng)的MCU，89S52支持 在系統(tǒng)編程（ISP），使系統(tǒng)的調(diào)試、維護更方便；89S52增加了片內(nèi) 看門狗，使用戶的應(yīng)用系統(tǒng)更堅固；為了簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的 可靠性，主要使用I2C串行總線來擴展外圍器件。次級泵站的計算機 系統(tǒng)采用ATMEL公司的89S51作為系統(tǒng)的MCU.2.1實時時鐘PCF8563PCF8563是I2C總線的，具有極低功耗的多功能時鐘/日歷芯片。 在本系統(tǒng)中該芯片為供水工作記錄、異常情況的報警處理提供時間參 數(shù)。22 數(shù)據(jù)存儲器（AT24C32, X5045）主泵站計算機采用ATMEL公司的AT24C32作為數(shù)據(jù)存儲器， AT24C32是I 2C串行總線接

5、口的4K字節(jié)的EEPROM，用于存放水 壓、水位等系統(tǒng)工作的參數(shù)和工作進程紀錄。次級泵站計算機采用X5045.X5045是SPI總線接口的CMOS的 4K位串行EEPROM.次級系統(tǒng)使用X5045保存工作設(shè)定參數(shù)并提供 看門狗功能2.3電源根據(jù)硬件設(shè)計的要求，計算機需要提供以下五種電源： 系統(tǒng)電源：+5V :水位開關(guān)模塊電源：+9V，傳感器電源： +24V，A/D轉(zhuǎn)換器電源：+5V，D/A轉(zhuǎn)換器電源：+5V.其中 傳感器的+24V工作電源是通過DC DC變換器MAX629升壓芯片 提供的。為防止外部干擾通過水位開關(guān)模塊進入計算機系統(tǒng)，水位開關(guān)模塊與主板利用變壓器實現(xiàn)隔離。系統(tǒng)配備了一臺300W

6、的不間斷 電源（UPS）,為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的交流電源，該交流電源同時為停電 期間的報警電鈴供電。2.4模數(shù)轉(zhuǎn)換（TCL549）TCL549是美國德洲儀器公司生產(chǎn)的8位分辨率CMOS模數(shù)轉(zhuǎn)換 器，TCL549模數(shù)轉(zhuǎn)換要完成水壓力傳感器、進水電控調(diào)節(jié)閥門開度 的電位器、水位的浮球開關(guān)傳送來的開關(guān)量信號也通過該模數(shù)轉(zhuǎn)換 器，變成數(shù)字信號傳給CPU處理。2.5數(shù)模轉(zhuǎn)換（Max518）Max518是I2C的雙總線串行接口的8位電壓輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換器，由兩片DAC集成，具有兩路輸出。該芯片完成兩路變頻器控制。2.6通訊方式在遠程通訊的接口形式的選擇上，主要考慮通訊任務(wù)的非緊迫 性、非實時性要求。通訊僅發(fā)生在：

7、次級泵站計算機定時與主泵站計 算機通訊，主泵站計算機可以此判定次級泵站計算機的工作狀態(tài)；遠程次級泵站的計算機系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)需要觸發(fā)通信（次級水池的水位低 到一定水位時，要求主泵站向次級水池供水，次級水池的水位達到一 定水位時停止供水，次級水池有異常情況報警），主泵站的計算機需 要查詢遠程次級泵站的計算機系統(tǒng)所記錄的兩個水池的水位時，另外考慮線路租用的經(jīng)濟性，選用撥號 MODEM通訊方式，而不使用專 線MODEM或?qū)拵ЬW(wǎng)絡(luò)，從維護方便考慮采用標準的外置 MODEM.2.7水位檢測模塊水池水位的檢測采用獨立的模塊實現(xiàn)，水位檢測模塊由CPU板提供+9V電源。每個模塊可以接入4個浮球開關(guān)的水位信號，轉(zhuǎn)換

8、為 4路經(jīng)過光耦隔離的開關(guān)量信號，“0”低電平表示到達該水位，“ 1即高電平表示低于該水位。模塊可以提供 2組相同的水位指示燈插 座，一組用于在室內(nèi)顯示水位情況，一組用于接至遠程顯示。水池C的水位經(jīng)過電線桿架空的信號線接入室內(nèi)的次級泵站計 算機，必須考慮系統(tǒng)的防雷擊問題。信號線采用非屏蔽雙絞線，將四 對雙絞線中每一根雜色線都并在一起作為屏蔽線接地， 另外的四根純 色線作為四路的信號線。電路采用放電氣隙電路實現(xiàn)防雷擊。水位檢測模塊通過獨立的印刷電路板上形成微小的尖端氣隙來實現(xiàn)氣隙放電。當雷擊沖擊電壓傳來時，受到電感的阻擋，形成數(shù)百伏以上的高壓，擊穿氣隙放電，將 輸入線上沖擊脈沖導(dǎo)入大地，如所示。

9、電容C1旁路信號中的毛刺消除干擾；光電偶合器用于電路隔離； 門電路7407用于信號整形并進一步保護系統(tǒng)。兩年來的使用證明抗 雷擊的效果良好。3計算機系統(tǒng)的軟件設(shè)計軟件設(shè)計采取分層模塊化，自頂向下的開發(fā)方式，該方式便于程 序的開發(fā)、調(diào)試和移植。本系統(tǒng)軟件分為三個層次：系統(tǒng)層，驅(qū)動程 序?qū)雍蛻?yīng)用任務(wù)層，其中，系統(tǒng)層負責系統(tǒng)的自檢和初始化、提供線 程運行時標、中斷支持和系統(tǒng)級軟件抗干擾措施， 負責應(yīng)用任務(wù)的調(diào) 度和錯誤的處理，系統(tǒng)層主要由實時多任務(wù)操作系統(tǒng)構(gòu)成；驅(qū)動程序?qū)犹峁┝嗣嫦蛐酒屯庠O(shè)的各種子程序，由多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換（TLC549, MAX4558 ）、紅外遙控鍵盤、液晶顯示模塊（ACM1283

10、2 ）、 實時時鐘PCF8563 數(shù)據(jù)存儲（X5045或AT24C32）、MODEM 通訊 接口（支持通用AT指令集）、I2C總線接口、PID控制器、開關(guān)量輸 入、開關(guān)量輸出、微型打印機接口（ MP-D16、的驅(qū)動程序構(gòu)成；應(yīng) 用任務(wù)層實現(xiàn)了系統(tǒng)的各項具體功能，由以下模塊組成：系統(tǒng)參數(shù)輸入、系統(tǒng)標定與設(shè)置、打印任務(wù)、變頻恒壓供水 PID控制計算、自動 進水控制、自動供水控制、通信功能以及無人值守自動進水控制等。限于篇幅以下僅介紹軟件系統(tǒng)中的開關(guān)量輸入部分。系統(tǒng)從水位開關(guān)檢測模塊取得開關(guān)量信號，系統(tǒng)對開關(guān)量的檢測米取兩種不同的方式。3.1主泵站計算機開關(guān)量的輸入形式在主泵站計算機系統(tǒng)中由于 A/

11、D通道有剩余，而I/O 口不足，所 以設(shè)計時主泵站計算機將開關(guān)量視同模擬量， 接入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，通 過模數(shù)轉(zhuǎn)換，使用滑動平均法管理數(shù)據(jù)：在單片機的存儲器中開一段空間（其長度 S= 2n）作為數(shù)據(jù)緩沖 區(qū)，建立一個先進先出的FIFO隊列，如3所示，用來存放采樣的數(shù) 據(jù)。3先進先出的FIFO隊列隊列中的元素di, d2, d 3到ds采 樣的新數(shù)據(jù)從隊尾依次進入隊列，與此同時舊數(shù)據(jù)從隊頭出隊，這樣 始終保持隊列中元素個數(shù)不變，以便對其進行運算。其優(yōu)點在于：不 必等到測量達到S個數(shù)據(jù)后才進行運算，每采樣一個數(shù)據(jù)后就可對前 面的S個數(shù)據(jù)進行計算，便于單片機編程，可用移位進行快速除法運 算。得到開關(guān)量對

12、應(yīng)的FIFO隊列中元素均值，保存在A/D緩沖區(qū)中。開關(guān)量輸入模塊只需要從 AD緩沖區(qū)中取出相應(yīng)的字節(jié)進行判 斷，轉(zhuǎn)換成邏輯值 “0或“ 1。本系統(tǒng)采用如下規(guī)則： AD值大于 OFOH,轉(zhuǎn)換為邏輯值“ 1。 AD值小于10H，轉(zhuǎn)換為邏輯值“O： AD值在10H-0F0H之間，視為不確定值，不予處理，提高了 抗干擾能力。3.2次級泵站計算機開關(guān)量的輸入處理次級泵站計算機系統(tǒng)功能相對簡單，有較多的I/O端口，所以設(shè)計時次級泵站計算機將開關(guān)量直接接入CPU的通用I/O 口，由I/O讀 取開關(guān)量。本系統(tǒng)采用位單元FIFO隊列存儲結(jié)構(gòu)，經(jīng)過處理獲得開關(guān)量數(shù) 值。具體實現(xiàn)如下：隊列的初始化：在內(nèi)存中為每個開

13、關(guān)量建立一 個8字節(jié)共8？ 8個位的先進先出緩沖區(qū)，讀取開關(guān)量測量值，若測 量值為1則將隊列中的所有位全部置1,如所示，這時隊列中所有位 的和就是80H，若測量值為0則將隊列中的所有位全部置0，隊列中 所有位的和是0H.64位先進先出的FIFO隊列每隔1/16秒讀取一次開關(guān)量信號 獲得邏輯值0或1. 將該值通過Cy加到位的和單元S中，并且從FIFO隊列進入。 隊列移出的位進入Cy，從位的和單元S中減掉。 檢查S內(nèi)容，若S>60H轉(zhuǎn)換為開關(guān)量“ 1, S< 20H轉(zhuǎn)換為開關(guān) 量“0,當20HV Sv60H時不進行轉(zhuǎn)換，提高了抗干擾能力。使用這種方法獲得開關(guān)量數(shù)值，可有效地消除開關(guān)量傳輸信號線 闖入的干擾信號和開關(guān)觸點過渡時或水位開關(guān)老化引起的接觸不良 引起的的抖動，大大提高了系統(tǒng)輸入接口