振鈴信號在遙測站設(shè)備維護(hù)中的應(yīng)用及實現(xiàn)

劉 煜，鄭 嵬，萬韶輝

（中國長江電力股份有限公司，湖北省宜昌市 443133）

0 引言

三峽水情遙測系統(tǒng)共建設(shè)有633個遙測站，實時采集水位、流量、雨量、氣象等數(shù)據(jù)，并通過GSM/GPRS、PSTN、北斗衛(wèi)星等信道發(fā)送會水情遙測中心站[1]，由中心站系統(tǒng)軟件進(jìn)行分析、評估，為運行管理人員提供決策依據(jù)，也為三峽梯級樞紐的防洪、航運、生態(tài)保護(hù)，以及水電廠生產(chǎn)調(diào)度等效益發(fā)揮著重要的作用。

在遙測站實際運行中，經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集器死機(jī)、通信進(jìn)程無響應(yīng)或者應(yīng)用程序BUG等原因?qū)е碌墓收稀？偨Y(jié)分析三峽水情遙測系統(tǒng)歷年故障及維修記錄，發(fā)現(xiàn)有些故障通常通過給遙測站的數(shù)據(jù)采集器設(shè)備進(jìn)行掉電，再上電的復(fù)位操作就可以解決。

目前，針對遙測站數(shù)據(jù)采集器復(fù)位操作，通常由技術(shù)人員去現(xiàn)場操作實現(xiàn)。人工操作，復(fù)雜費時，并且效率低，并且也不符合現(xiàn)代社會對自動化的要求。特別是，晚上遙測設(shè)備出現(xiàn)故障，或者位置較為偏僻的地方遙測站設(shè)備出現(xiàn)故障，就不能保證設(shè)備維護(hù)的及時性。

1 遙測站功能結(jié)構(gòu)

三峽水情遙測系統(tǒng)遙測站（Remote Terminal Unit，簡稱RTU）典型功能結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括數(shù)據(jù)采集器、傳感器模塊、通信模塊，以及電源模塊等四個功能模塊[2]。

圖1 遙測站功能框圖Fig.1 RTU block diagram

數(shù)據(jù)采集器，為遙測站的“大腦”，負(fù)責(zé)遙測站數(shù)據(jù)采集、通信進(jìn)程、電源控制管理，以及傳感器控制等工作，接收來自中心站的遠(yuǎn)程命令，響應(yīng)遠(yuǎn)程召測，數(shù)據(jù)存儲、采集功能模塊定制化配置等工作。

傳感器模塊，包括流量、水位、雨量、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度等傳感器，通過響應(yīng)數(shù)據(jù)采集器的命令，進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，并把所采集的數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)采集器。

通信模塊，包括GSM/GPRS、北斗、VHF、PSTN等信道相關(guān)設(shè)備。三峽水情遙測系統(tǒng)遙測站主要采用GSM/GPRS為主信道，北斗信道為備用信道的雙信道冗余配置的模式，提高遙測站的信道暢通率，確保數(shù)據(jù)可以實時發(fā)送回中心站。

電源模塊，為遙測站的“動力之源”，包括蓄電池、集成接口電路板、太陽能板等，為遙測站其他所有設(shè)備提供工作電源。

總結(jié)歷年的遙測站故障維護(hù)記錄，發(fā)現(xiàn)有35%為應(yīng)用程序故障，該類故障通過給遙測站復(fù)位操作就可以解決。如果可以遠(yuǎn)程實現(xiàn)給遙測站進(jìn)行復(fù)位操作，將會有效快速解決這一部分故障，從而提高設(shè)備維護(hù)的及時性，提高遙測站的可用度、暢通率等指標(biāo)。

為解決上述問題，設(shè)備維護(hù)人員發(fā)現(xiàn)，可以利用遙測站GSM/GPRS信道[2]，通過維護(hù)人員撥打遙測站電話號碼所產(chǎn)生的振鈴信號[3]，來控制遙測站系統(tǒng)供電電路的通斷，實現(xiàn)對遙測站系統(tǒng)的遠(yuǎn)程掉電/上電控制功能，從而實現(xiàn)對遙測站設(shè)備的遠(yuǎn)程復(fù)位功能。該操作只需要維護(hù)人員撥打遙測站電話就可以實現(xiàn)，維護(hù)效率較人工去現(xiàn)場操作大大提高。為此，本文設(shè)計基于振鈴控制信號的振鈴控制器模塊，遠(yuǎn)程控制遙測站復(fù)位操作。

2 振鈴控制器設(shè)計及實現(xiàn)

2.1 功能模塊確定

結(jié)合遙測站的功能結(jié)構(gòu)，振鈴控制器的主要功能模塊包括：①振鈴信號檢測電路，用于檢測是否有振鈴信號輸入；②脈沖計數(shù)器，用于統(tǒng)計振鈴信道脈沖的數(shù)目，如果符合模塊設(shè)定要求，則輸出相應(yīng)的掉電/上電命令；③供電控制電路，控制是否輸出受控電壓[4]。如圖2所示。

圖2 振鈴控制器功能結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Block diagram of ringing control model

2.2 功能模塊實現(xiàn)

2.2.1 電源控制電路

圖3為電源電路，為振鈴控制器提供工作電源，輸入電源為遙測站的工作電源VIN，線性穩(wěn)壓芯片TPS71533將輸入電壓VIN轉(zhuǎn)換為振鈴控制器所需要的工作電壓VCC（+5V），為控制器的各個部分電路提供工作電源[5-7]。

2.2.2 振鈴脈沖信號生成

圖4為振鈴脈沖信號檢測電路，需要遠(yuǎn)程控制遙測站復(fù)位操作時，振鈴檢測電路將振鈴信號的脈沖信號轉(zhuǎn)換為后續(xù)處理電路所對應(yīng)電平的脈沖信號，當(dāng)振鈴信號為高電平時控制三極管Q3導(dǎo)通，邏輯芯片74HC02的與非門電路輸入為低電平，輸出為高；相應(yīng)的振鈴信號為低電平時三極管Q3截止，邏輯芯片74HC02的與非門電路輸入為高，輸出為低，以此產(chǎn)生于振鈴信號相對于的可檢測脈沖信號RINGOUT，同時RINGOUT經(jīng)過兩級與非門電路之后驅(qū)動LED指示燈D4閃爍。

2.2.3 脈沖信號計數(shù)器

圖5為脈沖信號計數(shù)器，脈沖計數(shù)器實現(xiàn)對脈沖檢測電路所檢測到的振鈴信號進(jìn)行計數(shù)，4路D觸發(fā)器對檢測到的振鈴信號脈沖進(jìn)行計數(shù)分頻，計數(shù)到第8個脈沖信號時（本模塊設(shè)置為8，該參數(shù)可變設(shè)置），最后1路D觸發(fā)器U3B輸出Q端進(jìn)行電平翻轉(zhuǎn)，輸出電壓控制信號VOUT_CTR由高變?yōu)榈停P(guān)閉輸出控制電路的電壓輸出。

2.2.4 振蕩電路

圖3 電源控制電路Fig.3 Power Supply Control Circuit

圖4 脈沖信號檢測Fig.4 Detection of pulse signal

圖5 脈沖計數(shù)Fig.5 Pulse Signal Counter

圖6為振蕩電路，振蕩電路對內(nèi)部振蕩信號進(jìn)行計數(shù)，起延時控制功能。當(dāng)振鈴信號脈沖RINGOUT存在時，U6振蕩器CD4060不停地復(fù)位操作，使得延時電路計時不停地重新開始，當(dāng)最后一個脈沖信號到來后振蕩器的最后一次復(fù)位，此時振蕩器對內(nèi)部振蕩信號重新開始計數(shù)，計數(shù)滿之后Q12輸出高電平（電路設(shè)計的是脈沖結(jié)束后3秒，該參數(shù)可以通過調(diào)節(jié)RC振蕩電路的參數(shù)C12和R13的阻容值大小實現(xiàn)時間調(diào)節(jié)），Q12輸出信號經(jīng)與非門電路U4D處理之后CLR輸出為低電平，此時，D觸發(fā)器U3B的復(fù)位信號有效，輸出電壓控制信號VOUT_CTR為高電平，經(jīng)與非門U4A處理后控制三極管Q2導(dǎo)通，場效應(yīng)管Q1的柵極電平被拉低，場效應(yīng)管Q1導(dǎo)通，電壓輸出VOUT與VIN相連，電壓輸出開啟，遙測站設(shè)備上電，實現(xiàn)脈沖計數(shù)之后的延時上電操作。

2.2.5 電源控制輸出

圖7為電源輸出控制電路，通過脈沖計數(shù)器輸出的控制信號實現(xiàn)對輸出電壓的開關(guān)控制，以此來實現(xiàn)遙測站的掉電上電操作。輸出電壓控制電路的輸出端VOUT接到遙測站的工作電源上，脈沖計數(shù)電路輸出的電壓控制信號VOUT_CTR為低電平時，經(jīng)與非門U4A處理后控制三極管Q2導(dǎo)通，場效應(yīng)管Q1的柵極電平被拉低，場效應(yīng)管Q1導(dǎo)通，電壓輸出VOUT與VIN相連，電壓輸出開啟，遙測站設(shè)備上電；脈沖計數(shù)電路輸出的電壓控制信號VOUT_CTR為高電平時，經(jīng)與非門U4A處理后控制三極管Q2截止，場效應(yīng)管Q1的柵極電平被拉高，場效應(yīng)管Q1截止，電壓輸出VOUT與VIN斷開，電壓輸出關(guān)閉，遙測站設(shè)備掉電。

2.3 振鈴控制器信號處理流程

圖6 振蕩電路Fig.6 Oscillating circuit

圖7 電源輸出控制Fig.7 Output of power control

振鈴控制器，振鈴信號檢測電路不斷檢測是否有振鈴信號輸入[7，8]，如果有的話，脈沖計數(shù)器則開始統(tǒng)計振鈴信號檢測電路所檢測到的振鈴信號，并對其進(jìn)行計數(shù)，當(dāng)振鈴信號次數(shù)達(dá)到電路設(shè)定值時（本振鈴控制器中設(shè)置的振鈴信號為8次），供電控制電路控制電壓輸出開關(guān)將斷開，實現(xiàn)斷電操作；斷開3s以后，再閉合該開關(guān)，電壓輸出端V0輸出電壓，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程對遙測站設(shè)備的一次掉電/上電操作。

信號處理流程如圖8所示，具體步驟如下：

（1）對遙測站進(jìn)行掉電/上電操作，維護(hù)人員撥打遙測站電話號碼，振鈴脈沖檢測電路檢測是否有脈沖信號（也即振鈴信號）。

（2）如果振鈴信號檢測電路檢測到振鈴信號，則執(zhí)行步驟（3）；如果沒有檢測到脈沖信號，則重復(fù)步驟（1）等待振鈴信號輸入。

（3）脈沖計數(shù)器清零，并開始統(tǒng)計振鈴信號脈沖次數(shù)。

圖8 信號處理流程Fig.8 Flow chart of signal processing

（4）當(dāng)振鈴信號次數(shù)達(dá)到電路設(shè)定值時，供電控制電路控制電壓輸出開關(guān)將斷開，實現(xiàn)斷電操作。

（5）電壓輸出開關(guān)斷開3s后，電壓輸出開關(guān)閉合，實現(xiàn)上電操作。

（6）遙測站遠(yuǎn)程掉電/上電操作結(jié)束。

3 結(jié)束語

目前，該振鈴控制器模塊已經(jīng)在三峽水情遙測系統(tǒng)中使用，在三峽水情遙測系統(tǒng)設(shè)備維護(hù)工作中，扮演著重要的作用，發(fā)揮良好的效益。遙測站安裝該振鈴控制器模塊后，維護(hù)人員可以更快速地處理一些遙測站故障，從而提高遙測站的暢通率和可用度。經(jīng)過一年的運行及統(tǒng)計，2016年可用度達(dá)99.11%，較2015年提高0.2%；2016年暢通率達(dá)99.43%，較2015年提高0.3%。由于遙測站點設(shè)備故障恢復(fù)時間降低，三峽水情遙測系統(tǒng)暢通率和可用度顯著增長。