水閘自動化系統(tǒng)中水位數(shù)據(jù)與水文遙測數(shù)據(jù)的共享

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(shù)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(chǔ)信息,但由于中小水閘(泵站)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)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(luò)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(dāng)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(shè)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(dǎo)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(shù)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(luò)傳輸?shù)绞∷男畔⑾到y(tǒng)服務(wù)器,數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(yīng)用探索,總結(jié)出以下技術(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)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(shè)計

3.1 轉(zhuǎn)換接口硬件設(shè)計

應(yīng)用數(shù)據(jù)處理模塊,將最終轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換軟件設(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)的接口模塊(見圖5)。

圖5 輸出到IA-IL對應(yīng)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(yīng)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(shè)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(cè)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(shè)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(shè)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(yīng)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(quán)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(jié)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(quán)平均模塊圖

圖9 最終數(shù)據(jù)模塊圖

4 結(jié) 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(zhuǎn)換計算和應(yīng)用 [J]..水利水文自動化,1999(3):57.

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

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