城市供水管網(wǎng)檢測及閥門智能控制系統(tǒng)的設計

0 引 言
    城市供水管網(wǎng)是結構復雜、規(guī)模巨大的管線網(wǎng)絡系統(tǒng)，是城市賴以生存的血脈。近年來，隨著技術進步和改造資金投入，多數(shù)供水企業(yè)建立了供水數(shù)據(jù)監(jiān)測與控制系統(tǒng)(SCADA)，實現(xiàn)了水源和原水輸送系統(tǒng)監(jiān)測、凈水構筑物和工藝設備監(jiān)控以及供水管網(wǎng)測壓等功能，但閥門啟閉和調節(jié)還必須依靠操作工人到現(xiàn)場手動完成。管網(wǎng)閥門是供水系統(tǒng)中的重要設施，起到輸送、關斷、調節(jié)供水流量、壓力和改變流向等管網(wǎng)調控作用，是供水系統(tǒng)暢通輸配和管網(wǎng)搶修、維護、改造的重要保證措施。因此閥門作為管網(wǎng)中的一個重要設備，如何更好地管理，對搞好管網(wǎng)建設及運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)測量，閥門智能控制系統(tǒng)，管網(wǎng)監(jiān)測中心，閥門電動執(zhí)行機構。其原理是通過傳感器遠程采集管網(wǎng)系統(tǒng)運行的數(shù)據(jù)，經(jīng)有線或無線等方式將信號傳遞到企業(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)傳送來的適時反饋監(jiān)測數(shù)據(jù)，控制電動執(zhí)行機構進行閥門調節(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)測量
    供水管網(wǎng)監(jiān)測點一般要求測量壓力、流量、流速、流向四路數(shù)據(jù)。所以現(xiàn)場需要配置壓力、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)信號發(fā)送到閥門智能控制終端或管網(wǎng)監(jiān)測中心。對主管道應分段測量，如圖2所示。

    閥門V1的參數(shù)監(jiān)測模塊位于閥門V2前方，閥門V2的參數(shù)監(jiān)測模塊位于閥門V3前方。如此類推，這樣參數(shù)監(jiān)測模塊才能準確地把主管道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)測中心。

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3 閥門智能控制系統(tǒng)
    閥門智能控制系統(tǒng)可獨立地對傳遞來的管網(wǎng)參數(shù)信號進行處理，根據(jù)處理后的結果向閥門電動執(zhí)行機構發(fā)出執(zhí)行信號，還可以把參數(shù)上傳到管網(wǎng)監(jiān)測中心。閥門智能控制系統(tǒng)可由計算機系統(tǒng)、單片微型機系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)等來實現(xiàn)。本文以單片機為控制核心并給出了針對某一測量點的設計方案。
3．1 硬件設計
    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、報警電路、時鐘和復位電路，其結構如圖3所示。

    系統(tǒng)以AT89C52單片機為核心，配合相應的傳感器將檢測到的壓力、流量、流速、流向四路數(shù)據(jù)經(jīng)變送器處理后，轉換成0～5 V標準信號，送ADC0809芯片進行A／D轉換，單片機每隔500 ms循環(huán)采樣一次，采樣5次后進行中值濾波，經(jīng)數(shù)據(jù)變換后，在LED上顯示各參數(shù)的實際值(工程量)，并將信息發(fā)送到管網(wǎng)監(jiān)測中心。同時檢測值與給定值進行比較，根據(jù)比較結果輸出控制信號經(jīng)D／A轉換器轉換后輸出控制電壓，驅動閥門電動執(zhí)行機構實現(xiàn)對閥門的自動調節(jié)。
    為了增加系統(tǒng)的靈活性，設計了一個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，撤銷報警；按“F”鍵，投入報警。
3．2 軟件設計
    系統(tǒng)應用程序由主程序及中斷服務程序兩大部分組成。
3．2．1 主程序
    主程序程序框圖如圖4所示。包括三個主要環(huán)節(jié)：一是實現(xiàn)各種初始化，包括設置堆棧指針、8255A芯片初始化、定時器／計數(shù)器0初始化、以及開中斷、定時器／計數(shù)器啟動等。二是實現(xiàn)顯示(按照人機對話功能顯示各種不同參數(shù))。三是不斷進行鍵盤掃描，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)所按鍵實現(xiàn)相應的人機對話功能。[!--empirenews.page--]
3．2．2 中斷服務程序
    中斷服務程序主要包括采樣、數(shù)據(jù)處理、報警、控制算法及控制值輸出等環(huán)節(jié)，均以調用子程序實現(xiàn)，程序框圖如圖5所示。

4 管網(wǎng)監(jiān)測中心
    管網(wǎng)監(jiān)測中心的信息處理系統(tǒng)可由計算機系統(tǒng)實現(xiàn)。通過RS 422／RS 485／Lonworks等不同的網(wǎng)絡接口，使閥門終端接入網(wǎng)絡中。管網(wǎng)監(jiān)測中心根據(jù)傳遞來的管網(wǎng)參數(shù)，通過后臺監(jiān)控軟件可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的記錄、分析處理、在控制中心的顯示屏上實時顯示出管網(wǎng)運行狀態(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)出報警提示職守人員。管網(wǎng)監(jiān)測中心對閥門電動執(zhí)行機構的控制權高于閥門智能控制系統(tǒng)。

5 閥門電動執(zhí)行機構
    閥門電動執(zhí)行機構中的閥門采用電磁閥。電磁閥是用電磁控制的工業(yè)設備，用在工業(yè)控制系統(tǒng)中調整介質的方向、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被吸引到哪邊。通過控制閥體的移動來檔住或漏出不同的排油的孔，然后通過油的壓力來推動油剛的活塞，活塞又帶動活塞桿，活塞竿帶動機械裝置動。這樣通過控制電磁鐵的電流就控制了機械運動。另外，閥門還需配置手動調節(jié)的手柄，以備系統(tǒng)出現(xiàn)故障時以手動調節(jié)閥門。

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