超聲波數(shù)控水位自報儀技術的研制

史 磊

（南水北調(diào)中線干線工程建設管理局河南直管建管局平頂山項目部，河南 魯山 467300）

1 研發(fā)背景

水位觀測是防汛工作的重要組成部分，是工程運行工作的基礎，是做好汛期人員調(diào)度、料物配送、搶險指揮、防汛預警工作的最基本的工作。在每年的調(diào)水調(diào)沙及主汛期期間，水位觀測顯得尤為重要，無論天氣、道路情況多么惡劣，都要求一線職工定時向上級防汛部門報送水位情況，有時甚至要求5分鐘一次，觀測人員日夜堅守在觀測崗位，為保證圓滿完成這項工作付出了辛勞的汗水。為了解決這一問題，減輕一線職工的工作強度，改變傳統(tǒng)的人員觀測形式，推動治黃工作向科技方向發(fā)展，有必要研究開發(fā)出一種能夠根據(jù)水位變化借用通訊網(wǎng)絡將水位變化情況定時向上級主管部門、領導發(fā)送的儀器，代替人員觀測，以便及時決策。

2 研發(fā)思路、目標、技術特征

2.1 研發(fā)思路

水位觀測觀測的是水位的高低，是一個連續(xù)變化的模擬量，它既不是電壓也不是電流，如何將這一變化的模擬量進行轉變，變成信息內(nèi)容，通過手機發(fā)送出去，手機又如何進行操作，這是本儀器研發(fā)工作要解決的基本問題。

通過對家用電器的遙控器進行認真研究，從中發(fā)現(xiàn)遙控器每個按鍵下面都有一對觸點，按鍵按下兩點接通，執(zhí)行相應功能。如果將手機的觸點用導線引出，導線接通就等于按下此鍵，將一條信息的發(fā)布按鍵步驟通過一段程序由編程控制器來完成就達到自動發(fā)送的目的。

在自動化控制中，非電流電壓信號稱為模擬信號或模擬量，模擬量轉換標準的電流或電壓、標準的電流或電壓轉換成模擬量有專用轉換模塊，通過該模塊將水情變化量輸送給可編程控制器，由可編程控制器通過執(zhí)行編寫的程序對轉換的數(shù)字量進行運算，使控制器輸出觸點接通，驅動手機工作。

2.2 研發(fā)目標

通過各功能部件的選配組裝，能夠準確、自動多點的傳送水情信息，有效地克服了固定接收、一站一機現(xiàn)象。

能夠執(zhí)行水情和其他液面的觀測，按照預設時間將觀測信息進行自動發(fā)送。

具有短信過濾或返回功能，可遙控調(diào)整發(fā)送時間段，并能遙控處理一些小的故障。

具有功能擴展作用，根據(jù)用戶要求，配置短信群發(fā)設備可進行大面積群發(fā)，并通過電腦儲存、打印，作為基礎資料長期保存。

3 技術方案

在所觀測的液面上安裝一浮子，隨水位的變化浮子上下浮動，使其拉動旋轉編碼器轉動，將編碼器所產(chǎn)生的脈沖輸入可編程器的輸入觸點，進行運算分析，使可編程控制器輸出觸點接通，與之相接的手機觸點接通，模擬完成手機按鍵功能，按照程序設定，完成程序編寫發(fā)送功能。

4 儀器設計組成

可編程控制系統(tǒng)、編碼系統(tǒng)、信息發(fā)送系統(tǒng)。下面將相同系統(tǒng)進行介紹：

4.1 可編程控制系統(tǒng)

可編程控制系統(tǒng)是工業(yè)控制的可編程控制器（programmable Logic Comroller）簡稱PLC，它應用面廣、功能強大、使用方便，已成為當代工業(yè)自動化控制的主要設備。可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。根據(jù)水位觀測要求和相關配套設備的要求，選用日本三菱微型可編程控制器MWLSEC FX2N—48MR型。

4.2 信息收發(fā)系統(tǒng)

信息收發(fā)系統(tǒng)主要由一部性能可靠的手機改裝而成，將手機的各鍵觸點用導線引出，通過PLC程序控制操縱各輸出觸點，使手機相應鍵閉合或斷開，達到人工按鍵的目的，進行信息發(fā)送。由于本儀器安裝在野外，現(xiàn)場調(diào)整費工費時不方便，本儀器設置了遙控調(diào)整系統(tǒng)。該系統(tǒng)是將手機振動電機的驅動線引出，驅動一個3伏的小型繼電器，將手機設置在振動狀態(tài)，通過撥打手機，使繼電器根據(jù)手機振動頻率觸點斷開、閉合，操叢PLC相應輸入觸點斷開、閉合，使發(fā)送時間程序進行切換、信息攔截。

5 控制程序的設計

5.1 開機程序

在停電或關機后，整個儀器停止工作，手機處于關閉狀態(tài)。來電情況下，手機如仍處在關機狀態(tài)，所采集的信息就發(fā)送不得。這段程序主要由PLC內(nèi)部的特殊輔助繼電器M8000來控制。通過該繼電器來控制一時間繼電器，一時間繼電器再控制另一時間繼電器。

5.2 水情信息采集程序

情信息采集程序是X0接通后，通過模擬塊轉換，將水位變化的模擬量轉換為標準的數(shù)寄存在數(shù)字寄存器D100中。通過加法運算對3次采集的數(shù)據(jù)進行相加并除以3，將結果存放在D11中，這里不再敘述，在工作原理中進一步說明。為了延長設備的使用壽命，在程序設計中超聲波傳感器在數(shù)據(jù)采集前30s開機，第三次采集后30s關機。

5.3 工作循環(huán)程序

由于是自動發(fā)送，要求無人操作的情況按照預設的時間段進行發(fā)送，這里設計的是5個大的時間段，操作人員進行遙控設定，每個時間段又分5個時間點，第1點為超聲波傳感器的開機點，2、3、4點為數(shù)據(jù)的采集點，第5點為超聲波傳感器關機點，開機點和關機點的設定主要是為了減少傳感器的工作時間，延長使用壽命。時間段的5個點通過已閉合的時間繼電器融點和置位指令將下一計數(shù)器復位，由驅動復位的計數(shù)器進行時間計數(shù)，達到預設時間值時，常開觸點閉合，驅動相應器件工作，同時對下一個計數(shù)器復位，第5點計數(shù)器對第1點復位，這樣就構成循環(huán)控制程序。

5.4 遙控調(diào)整程序

為了適應工作的要求，設定了不同時間預報的程序，時間段相互間如何轉變，由控制人員用手機撥打本儀器手機號碼，手機接通時輸出電流驅動繼電器，使PLC的輸入觸點閉合或斷開，控制發(fā)送時間段的轉換。為了區(qū)別其他來電導致發(fā)布時間段的調(diào)整，在調(diào)整時首先按照程序的設定撥通本儀器手機，一聲即關，60s后再撥通，操作時間為60s。具體為2聲為10min段，3聲為30min段，4聲為1h時間段，5聲為4h時間段，6聲為24h時間段，操作時間為60s，60s后無效，需重復以上操作。

5.5 過濾抗干擾程序

在各時間段中，本儀器內(nèi)置手機在每個時間段的后3min內(nèi)，進行信息的編輯，手機的確認鍵不時接通，如果在此期間，有手機呼叫，將可能接通手機，使發(fā)送功能喪失。為了解決這個問題，將手機在此時間段信號線路切斷，在其他時間段恢復，保證時間段的調(diào)整和信息的發(fā)送。在手機的使用中，不時收到短信，使手機出現(xiàn)短信畫面，破壞信息的發(fā)送狀態(tài)，需要按動返回鍵。在程序設計中編寫了短信返回程序，其主要是根據(jù)短信的振動頻率與來電頻率不同而設計的。在來電調(diào)整或誤呼時，不能同時達到以上兩個條件，此段程序不執(zhí)行，這樣既不影響來電遙控調(diào)整，又能達到拒收短信的目的。

6 社會效益和經(jīng)濟效益分析

本儀器的成功研發(fā)，能夠大大降低一線職工的勞動強度，能夠準確及時地了解水位的變化情況，向領導、防汛部門提供水位、水情信息，便于領導及時決策。同時也推動治黃工作向科技化方向發(fā)展。