城市供水管網(wǎng)檢測(cè)及閥門智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0 引 言
    城市供水管網(wǎng)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模巨大的管線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是城市賴以生存的血脈。近年來，隨著技術(shù)進(jìn)步和改造資金投入，多數(shù)供水企業(yè)建立了供水?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)(SCADA)，實(shí)現(xiàn)了水源和原水輸送系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、凈水構(gòu)筑物和工藝設(shè)備監(jiān)控以及供水管網(wǎng)測(cè)壓等功能，但閥門啟閉和調(diào)節(jié)還必須依靠操作工人到現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)完成。管網(wǎng)閥門是供水系統(tǒng)中的重要設(shè)施，起到輸送、關(guān)斷、調(diào)節(jié)供水流量、壓力和改變流向等管網(wǎng)調(diào)控作用，是供水系統(tǒng)暢通輸配和管網(wǎng)搶修、維護(hù)、改造的重要保證措施。因此閥門作為管網(wǎng)中的一個(gè)重要設(shè)備，如何更好地管理，對(duì)搞好管網(wǎng)建設(shè)及運(yùn)行管理顯得越來越重要。

1 供水管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)
    通常供水管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)由四部分組成(如圖1所示)：管網(wǎng)參數(shù)測(cè)量，閥門智能控制系統(tǒng)，管網(wǎng)監(jiān)測(cè)中心，閥門電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其原理是通過傳感器遠(yuǎn)程采集管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)，經(jīng)有線或無線等方式將信號(hào)傳遞到企業(yè)管網(wǎng)控制中心和閥門智能控制系統(tǒng)，閥門智能控制系統(tǒng)根據(jù)傳送來的適時(shí)反饋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，控制電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行閥門調(diào)節(jié)。其中閥門智能控制系統(tǒng)是控制的核心部分。

2 管網(wǎng)參數(shù)測(cè)量
    供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)一般要求測(cè)量壓力、流量、流速、流向四路數(shù)據(jù)。所以現(xiàn)場(chǎng)需要配置壓力、流量、流速、流向變送器，然后通過有線或無線的方式把參數(shù)信號(hào)發(fā)送到閥門智能控制終端或管網(wǎng)監(jiān)測(cè)中心。對(duì)主管道應(yīng)分段測(cè)量，如圖2所示。

    閥門V1的參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊位于閥門V2前方，閥門V2的參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊位于閥門V3前方。如此類推，這樣參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊才能準(zhǔn)確地把主管道L1，L2，…段的參數(shù)，反饋給閥門智能控制系統(tǒng)和管網(wǎng)監(jiān)測(cè)中心。

3 閥門智能控制系統(tǒng)
    閥門智能控制系統(tǒng)可獨(dú)立地對(duì)傳遞來的管網(wǎng)參數(shù)信號(hào)進(jìn)行處理，根據(jù)處理后的結(jié)果向閥門電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出執(zhí)行信號(hào)，還可以把參數(shù)上傳到管網(wǎng)監(jiān)測(cè)中心。閥門智能控制系統(tǒng)可由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、單片微型機(jī)系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)等來實(shí)現(xiàn)。本文以單片機(jī)為控制核心并給出了針對(duì)某一測(cè)量點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案。
3．1 硬件設(shè)計(jì)
    閥門智能控制系統(tǒng)主要包括主控制器CPU、A／D、D／A、8255A、6264SRAM、按鍵輸入電路、LED顯示電路、報(bào)警電路、時(shí)鐘和復(fù)位電路，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為核心，配合相應(yīng)的傳感器將檢測(cè)到的壓力、流量、流速、流向四路數(shù)據(jù)經(jīng)變送器處理后，轉(zhuǎn)換成0～5 V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，送ADC0809芯片進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，單片機(jī)每隔500 ms循環(huán)采樣一次，采樣5次后進(jìn)行中值濾波，經(jīng)數(shù)據(jù)變換后，在LED上顯示各參數(shù)的實(shí)際值(工程量)，并將信息發(fā)送到管網(wǎng)監(jiān)測(cè)中心。同時(shí)檢測(cè)值與給定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出控制信號(hào)經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸出控制電壓，驅(qū)動(dòng)閥門電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門的自動(dòng)調(diào)節(jié)。
    為了增加系統(tǒng)的靈活性，設(shè)計(jì)了一個(gè)4×4的矩陣式鍵盤。鍵碼0～9為輸入的數(shù)字量，按“A”鍵，顯示壓力；按“B”鍵，顯示流量；按“C”鍵，顯示流速；按“D”鍵，顯示流向；按“E”鍵，撤銷報(bào)警；按“F”鍵，投入報(bào)警。
3．2 軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)應(yīng)用程序由主程序及中斷服務(wù)程序兩大部分組成。
3．2．1 主程序
    主程序程序框圖如圖4所示。包括三個(gè)主要環(huán)節(jié)：一是實(shí)現(xiàn)各種初始化，包括設(shè)置堆棧指針、8255A芯片初始化、定時(shí)器／計(jì)數(shù)器0初始化、以及開中斷、定時(shí)器／計(jì)數(shù)器啟動(dòng)等。二是實(shí)現(xiàn)顯示(按照人機(jī)對(duì)話功能顯示各種不同參數(shù))。三是不斷進(jìn)行鍵盤掃描，判斷是否有鍵按下，若無鍵按下，則返回顯示；如有鍵按下，則根據(jù)所按鍵實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的人機(jī)對(duì)話功能。
3．2．2 中斷服務(wù)程序
    中斷服務(wù)程序主要包括采樣、數(shù)據(jù)處理、報(bào)警、控制算法及控制值輸出等環(huán)節(jié)，均以調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)，程序框圖如圖5所示。

4 管網(wǎng)監(jiān)測(cè)中心
    管網(wǎng)監(jiān)測(cè)中心的信息處理系統(tǒng)可由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。通過RS 422／RS 485／Lonworks等不同的網(wǎng)絡(luò)接口，使閥門終端接入網(wǎng)絡(luò)中。管網(wǎng)監(jiān)測(cè)中心根據(jù)傳遞來的管網(wǎng)參數(shù)，通過后臺(tái)監(jiān)控軟件可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的記錄、分析處理、在控制中心的顯示屏上實(shí)時(shí)顯示出管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)及各種所需數(shù)據(jù)，并提供出解決方案。如果數(shù)據(jù)異常，可發(fā)出報(bào)警提示職守人員。管網(wǎng)監(jiān)測(cè)中心對(duì)閥門電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制權(quán)高于閥門智能控制系統(tǒng)。

5 閥門電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)
    閥門電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的閥門采用電磁閥。電磁閥是用電磁控制的工業(yè)設(shè)備，用在工業(yè)控制系統(tǒng)中調(diào)整介質(zhì)的方向、流量、速度和其他的參數(shù)。電磁閥里有密閉的腔，在的不同位置開有通孔，每個(gè)孔都通向不同的油管，腔中間是閥，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通電閥體就會(huì)被吸引到哪邊。通過控制閥體的移動(dòng)來檔住或漏出不同的排油的孔，然后通過油的壓力來推動(dòng)油剛的活塞，活塞又帶動(dòng)活塞桿，活塞竿帶動(dòng)機(jī)械裝置動(dòng)。這樣通過控制電磁鐵的電流就控制了機(jī)械運(yùn)動(dòng)。另外，閥門還需配置手動(dòng)調(diào)節(jié)的手柄，以備系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)以手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門。

6 結(jié) 語
    城市供水管網(wǎng)檢測(cè)及閥門智能控制系統(tǒng)的主要目的是解決自來水公司對(duì)供水管道中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控以及閥門開關(guān)的自動(dòng)控制。便于及時(shí)迅速地了解及控制管道及閥門，降低了故障率和檢修時(shí)間，減少停水次數(shù)，提高了供水企業(yè)的服務(wù)水平，從而實(shí)現(xiàn)了城市供水的信息化、現(xiàn)代化。