基于狀態(tài)機(jī)模型的無線式雙閘門監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王卓君，楊群豐，沙鑫美，范凱

（1. 三江學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210012；2. 中國高速傳動(dòng)設(shè)備集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 2111000）

我國水資源豐富，但大部分地區(qū)也長期飽受水資源泛濫或短缺的危害，水庫在調(diào)節(jié)水資源配置中發(fā)揮著重要作用，閘門控制作為水庫調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也越來越受到廣泛關(guān)注，并進(jìn)行深入研究[1-2]。傳統(tǒng)的水庫閘門控制主要以人工方式為主，長期值守監(jiān)管耗費(fèi)了大量的人力、財(cái)力。近年來，隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的快速普及和工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代化的閘門控制系統(tǒng)正逐漸出現(xiàn)在各種閘門控制中，信息化、自動(dòng)化程度較傳統(tǒng)的人工控制方式都有顯著提高[3-7]，文獻(xiàn)[8]運(yùn)用單片機(jī)設(shè)計(jì)了水電站的閘門控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)閘門控制機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)的可靠監(jiān)控；文獻(xiàn)[9]運(yùn)用PLC對(duì)閘門進(jìn)行監(jiān)控，并通過WinCC組態(tài)軟件構(gòu)造了閘門監(jiān)控系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)。

為提升中小型水庫閘門監(jiān)控的現(xiàn)代化水平，確保監(jiān)控可靠安全，本文對(duì)雙閘門的中小型水庫自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行開展研究，綜合采用嵌入式、射頻通信及自動(dòng)控制技術(shù)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并運(yùn)用有限狀態(tài)機(jī)模型對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控的軟件平臺(tái)進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)的監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行了性能測試，構(gòu)建了快速穩(wěn)定的閘門監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案

本文采用嵌入式及無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了1套無線排澇站閘門控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由下位機(jī)、下位機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)3部分組成，如圖1所示。

圖1 閘門控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Sluice gate's control system structure

1）遠(yuǎn)程監(jiān)控上位機(jī)。由工業(yè)觸摸顯示屏、無線接收模塊和報(bào)警器組成，觸摸屏提供人機(jī)接口，實(shí)時(shí)顯示接收到的水位高度和閘門狀態(tài)并存儲(chǔ)，管理員還可根據(jù)應(yīng)用場合的不同自行設(shè)定報(bào)警水位等參數(shù)；當(dāng)啟動(dòng)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，若水位超出或低于設(shè)定的警戒水位，揚(yáng)聲器報(bào)警提醒，同時(shí)軟件程序?qū)λ恍畔⑦M(jìn)行分析處理，形成控制策略，并用無線的方式向下位機(jī)下達(dá)閘門控制指令。

2）下位機(jī)。自行設(shè)計(jì)控制電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，借助液位傳感器檢測閘門2側(cè)水位高度，并對(duì)當(dāng)前閘門狀態(tài)（開/關(guān)）進(jìn)行判斷，經(jīng)無線射頻將檢測信息發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控上位機(jī)。

3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由液位傳感器和三相異步電機(jī)組成，分別用于液位測量和閘門開關(guān)。下位機(jī)正確解析指令后經(jīng)強(qiáng)電隔離電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制閘門的開啟或關(guān)閉。

2 硬件設(shè)計(jì)

下位機(jī)以某公司針對(duì)IEEE802.15.4和ZigBee標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的CC2430-F128芯片為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，CC2430-F128是一款片上系統(tǒng)芯片（SOC），該芯片集成了2.4 GHz ISM頻段，發(fā)射功率可調(diào)的射頻模塊，具備128 KB可編程閃存和8 kB的SRAM，其中4 kB具備掉電數(shù)據(jù)保存功能，且具有資源豐富的USART、IO等硬件資源[10-11]。文中選用一對(duì)收發(fā)模塊進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，實(shí)現(xiàn)雙向信息交互。

2.1 液位傳感器

執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用投入式液位傳感器CYH3016進(jìn)行水位高度檢測，參數(shù)見表1。

表1 CYH3016參數(shù)Tab. 1 CYH3016 parameter

2.2 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)閘門的三相異步電機(jī)工作在AC380 V電壓等級(jí)，為保證控制安全可靠，采用光耦設(shè)計(jì)了5路光電隔離驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行放大，控制電機(jī)正向與反向運(yùn)轉(zhuǎn)。一路繼電器KA1由P1.0控制，另一路由P1.1控制，分別用于驅(qū)動(dòng)控制三相異步電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)交流接觸器，從而控制閘門的開啟與關(guān)閉。電機(jī)控制的邏輯電路如圖2所示。

圖2 電機(jī)控制電路Fig. 2 Motor control circuit

KA1導(dǎo)通時(shí)，交流接觸器KM1線圈2端加AC220 V電壓，從而閉合電機(jī)正轉(zhuǎn)觸電，控制閘門開啟；同樣，KA2導(dǎo)通時(shí)，KM2觸點(diǎn)閉合，并由互鎖使電機(jī)由正轉(zhuǎn)變?yōu)榉崔D(zhuǎn)運(yùn)行，控制閘門關(guān)閉。圖2中，SQ1和SQ2分別為閘門的正向最大行程開關(guān)和反向最大行程限位。

3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)方案及設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)分別對(duì)水位高度監(jiān)測、無線通信及電機(jī)控制和上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。通過上位機(jī)人機(jī)界面設(shè)置上下游水位安全高度、預(yù)警高度和警戒高度，系統(tǒng)開啟后，無線發(fā)送端向下位機(jī)無線發(fā)送運(yùn)行指令；下位機(jī)解析指令后判斷是否是手動(dòng)控制指令，如果不是，即進(jìn)行周期性水位高度采集，并以無線方式實(shí)時(shí)傳送給監(jiān)控平臺(tái)，監(jiān)控平臺(tái)根據(jù)設(shè)定的水位參數(shù)對(duì)采集的上下游水位高度進(jìn)行相應(yīng)的算法處理，形成閘門控制指令；控制指令再經(jīng)無線的方式發(fā)送給下位機(jī)，經(jīng)解析后自動(dòng)進(jìn)行閘門控制。

3.1 下位機(jī)軟件

采用C 語言在IAR for CS51 開發(fā)環(huán)境下對(duì)CC2430下位機(jī)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。上下游水位傳感器采用CC2430內(nèi)部的12位ADC進(jìn)行周期性采集，采集后數(shù)據(jù)打包經(jīng)無線射頻發(fā)送給遠(yuǎn)端監(jiān)控平臺(tái)的無線接收端。軟件流程如圖3所示。

圖3 軟件流程圖Fig. 3 Software flowchart

為規(guī)范通信協(xié)議，對(duì)數(shù)據(jù)格式及控制命令進(jìn)行通信格式規(guī)范設(shè)計(jì)，如圖4所示。

通信規(guī)范分為運(yùn)行指令、水位數(shù)據(jù)指令和閘門控制指令3種，控制字分別為R、H和C，命令傳輸完成后，通過識(shí)別S（起始位）字節(jié)后一字節(jié)的控制字，來確定當(dāng)前傳輸?shù)拿铑愋?，然后進(jìn)行相應(yīng)的命令解析與處理。

圖4 指令協(xié)議Fig. 4 Command protocol

3.2 監(jiān)控軟件

監(jiān)控軟件以WQT 10.4吋串口觸摸屏為平臺(tái)，在Realview MDK開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要功能包括：實(shí)時(shí)水位監(jiān)測、自動(dòng)調(diào)控設(shè)置和手動(dòng)閘門控制等。作為監(jiān)控后端和人機(jī)交互的窗口，監(jiān)控平臺(tái)采用RS232串口與CC2430射頻模塊通信，用于接收水位高度數(shù)據(jù)和發(fā)送運(yùn)行命令及調(diào)控命令，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中默認(rèn)手動(dòng)控制級(jí)別高于自動(dòng)監(jiān)控級(jí)別，即在自動(dòng)監(jiān)控運(yùn)行中，也可以通過人工調(diào)控按鈕控制閘門的開啟與關(guān)閉，保證可靠的水位監(jiān)控。

為適應(yīng)不同的水庫需求，保證危險(xiǎn)水情時(shí)快速緩解危情，監(jiān)控平臺(tái)提供了警戒水位、預(yù)警水位和安全水位設(shè)定的接口，通過對(duì)實(shí)時(shí)水位情況檢測，利用有限狀態(tài)機(jī)模型（FSM）[12-13]進(jìn)行閘門控制的軟件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的監(jiān)控狀態(tài)機(jī)模型如圖5所示。

圖5 狀態(tài)機(jī)模型Fig. 5 State machine model

如圖5所示，將控制狀態(tài)分為單個(gè)閘門開啟、2個(gè)閘門開啟和閘門關(guān)閉3個(gè)狀態(tài)，“閘門關(guān)閉”——2個(gè)閘門電機(jī)均位于反向最大行程位置（閘門關(guān)閉位），處于停機(jī)態(tài)；“單個(gè)閘門開啟”——其中1個(gè)閘門電機(jī)處于正向開啟狀態(tài)，直至達(dá)到正向最大行程（閘門開啟位）停機(jī)，收到關(guān)閉命令時(shí)，反向關(guān)閉閘門，直至達(dá)到反向最大行程時(shí)停機(jī)；“2個(gè)閘門開啟”——2個(gè)閘門電機(jī)均處于正向開啟狀態(tài)，直至達(dá)到正向最大行程停機(jī)，收到關(guān)閉命令時(shí)，反向關(guān)閉閘門，直至達(dá)到反向最大行程時(shí)停機(jī)。通過周期性的對(duì)水位進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，判斷是否達(dá)到跳轉(zhuǎn)條件，如圖5所示，以預(yù)警水位的上下2 m作為跳轉(zhuǎn)條件判據(jù)，實(shí)現(xiàn)3個(gè)狀態(tài)間的跳轉(zhuǎn)切換，該判據(jù)可根據(jù)應(yīng)用場合的不同來進(jìn)行設(shè)定。由于閘門開啟或關(guān)閉均有一定的時(shí)間過程，因而狀態(tài)跳轉(zhuǎn)指令判斷條件與設(shè)定水位有0.2 m緩沖空間。

程序設(shè)計(jì)中設(shè)定狀態(tài)檢測周期為2 s，即每2 s鐘下位機(jī)會(huì)對(duì)當(dāng)前水位檢測1次，并參照設(shè)定的預(yù)警水位高度判定當(dāng)前水位在狀態(tài)機(jī)模型中所處的狀態(tài)，電機(jī)提升速度約4 m/min，假設(shè)閘門高度為20 m，則完全打開或關(guān)閉1扇閘門時(shí)間為4 min，則4 min內(nèi)共對(duì)當(dāng)前水位狀態(tài)進(jìn)行了150次狀態(tài)檢測，當(dāng)閘門提升或降下過程中，若檢測到當(dāng)前所處狀態(tài)發(fā)生變化，則相應(yīng)的電機(jī)立即停機(jī)并反轉(zhuǎn)進(jìn)而降下或提升閘門；若在此過程中，當(dāng)前所處狀態(tài)未發(fā)生變化，則電機(jī)持續(xù)運(yùn)行直至達(dá)到正向或反向的行程，電機(jī)停機(jī)，如此循環(huán)。設(shè)計(jì)的軟件平臺(tái)如圖6所示。

圖6 監(jiān)控平臺(tái)Fig. 6 Monitoring platform

4 試驗(yàn)結(jié)論

為保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠穩(wěn)定，分別對(duì)射頻通信效果和閘門控制響應(yīng)效果進(jìn)行試驗(yàn)測試。

4.1 無線通信丟包率試驗(yàn)

試驗(yàn)以設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)為基礎(chǔ)，將液位采集器固定于距地面高2 m的空曠位置，每10 s采集一次液位高度并發(fā)送給無線接收器；無線接收器分別位于距液位采集器10 m、50 m、100 m、150 m、200 m、250 m、300 m、400 m、500 m的位置進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，每個(gè)位置測試1 min，射頻均采用5 db的棒狀天線，發(fā)射功率設(shè)為0 db。由圖6可知，每次數(shù)據(jù)發(fā)送為8個(gè)Byte，因此每個(gè)位置理論應(yīng)接收6組數(shù)據(jù)，共48個(gè)Byte。測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 射頻測試數(shù)據(jù)Tab. 2 Data of RF test

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)至少400 m的穩(wěn)定無線數(shù)據(jù)傳輸。

4.2 閘門控制響應(yīng)試驗(yàn)

采用串口調(diào)試助手模擬水位高度與控制平臺(tái)通信，并接收平臺(tái)的控制命令，對(duì)平臺(tái)控制的響應(yīng)速率進(jìn)行模擬分析。設(shè)定水位采集器和數(shù)據(jù)接收器之間的間距為200 m，其他設(shè)置參見4.1節(jié)試驗(yàn)，設(shè)定上、下游水位設(shè)置參數(shù)如圖8所示，先后進(jìn)行2次測試，發(fā)送與接收測試結(jié)果見表3。

表3 測試結(jié)果Tab. 3 Test result

根據(jù)表3的試驗(yàn)結(jié)果分析知，該系統(tǒng)具有很好的響應(yīng)實(shí)時(shí)性，能夠?qū)崿F(xiàn)水位的準(zhǔn)確監(jiān)測和對(duì)閘門的快速控制，對(duì)水情起到很好的控制效果。

綜上所述，該無線閘門監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)至少400 m的水情無線實(shí)時(shí)監(jiān)測，具備良好的人機(jī)交互接口，可依據(jù)不同的應(yīng)用場合進(jìn)行系統(tǒng)配置，具有一定的通用性。同時(shí)，該系統(tǒng)能及時(shí)實(shí)現(xiàn)閘門調(diào)控，實(shí)時(shí)性良好。

[1] 汪衛(wèi)紅，李陽. 基于GSM的水電廠閘門PLC遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 電網(wǎng)與清潔能源，2004，20（4）：3-25.WANG Weihong，LI Yang. PLC remote monitoring system based on GSM for gate of hydropower station[J]. Power System and Clean Energy，2004，20（4）：3-25（in Chinese）.

[2] 李麗芬，朱永利. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的絕緣子泄露電流在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，3（10）：74-79.LI Lifeng，ZHU Yongli. Monitoring system of insulator leakage current on line based on wireless sensor network[J].Power System Protection and Control，2011，3（10）：74-79（in Chinese）.

[3] 王曉輝，熊海軍. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的和GPS的電容介損角的在線監(jiān)測[J]. 華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2013（3）:47-52: 119-123.WAMG Xiaohui. XIONG Haijun. Power capacitor online monitoring system based on wireless sensor network and GPS clock module[J]. Journal of North China Electric Power University，2013（3）: 47-52（in Chinese）.

[4] 秦理. 基于無線視頻識(shí)別的電力設(shè)備全壽命[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù)，2014（8）：3.QIN Li. The RFTD-Based whole life-cycle management of electric equipments[J]. Southern Power System Technology，2014（8）：3（in Chinese）.

[5] 張青山，段建東. 基于ZigBee的開關(guān)柜觸頭溫度在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)[J]. 高壓電器，2015，313（4）: 29-35.ZHANG Qingshan，DUAN Jiandong. Online temperature monitoring warning system based on ZigBee for switchgear contacts[J]. High Voltage Apparatus，2015，313（4）: 29-35（in Chinese）.

[6] 姜毅. 水電站分布式閘門開度檢測系統(tǒng)的研究[D]. 重慶：重慶大學(xué)，2003.

[7] 蔣元廣. 水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D]. 南京：河海大學(xué)，2002.

[8] 梁晨露. 基于單片機(jī)的水電站閘門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 吉林：吉林大學(xué)，2011.

[9] 李曼娜. 基于PLC的水電站閘門監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[10] Smart CC2430.A True system-on-chip solution for 2.4 GHz IEEE802.15.4/ZigBee[EB/OL]. [2015-04-02]. http://www.chipcon.com.

[11] 姚曉通，王記榮. 牽引供電系統(tǒng)中避雷器在線監(jiān)測的研究[J]. 電瓷避雷器，2015，138（3）: 89-95.YAO Xiaotong，WANG Jirong. Study for on-line monitoring of arrester in traction supply system[J]. Insulators and Arresters，2015，138（3）:89-95（in Chinese）.

[12] GRIESKAMPW，GUREVICH Y，SCHULTEW，et a1.Generating finite state machines from abstract state machines[J]. Software Engineering Notes，2002，27（4）：112-122.

[13] HABIBIA，MOINUDEEN H，TAHARS. Generating finite state machines from system[J]. International Workshop on Abstract State Machines，2005（32）：101-109.