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灌区闸门远程自动化控制系统

　　摘要　　本文以国内某大型灌区为例，在灌区远程测报系统的基础上进行了闸门自动控制研究，通过无线调制解调器连接上位机与下位机，将下位机采集到的数据传输到上位机，根据用户要求的流量控制闸门的开度和时间，为灌区的运行和管理提供保证，为提高系统的可靠性，采用了一些可供类似工程借鉴的可行技术。

关键词远程自动化控制 闸门 单片机
　　闸门调节是灌区工程中经常采用的手段，闸门控制的研究对于节约能源、确保水利工程的正常运行、提高水资源的利用效率和节约用水具有重要的意义。目前国内大部分灌区已基本实现流量数据的自动采集和监测，并把数据传输到管理部门，但是在根据有关数据进行远程自动监测和控制方面成熟的经验非常少。国外特别是欧美等先进国家在这方面已经达到较高的水平，如美国的SRP灌区自动化灌溉系统，可以同时采集100多点的水位、闸门开度和其他信息，通过计算机处理后，控制几百座闸门、150多处泵站的运行。本文以国内某大型灌区为例，对闸门的自动监控进行了研究。
1、系统的总体设计
　　本系统采用无线数据传输技术，分一个主站和若干个子站，通过无线调制解调器构成一个无线通讯网络，对多个断面的数据信息进行采集、传输、处理和控制。系统的总体结构图如图1所示。下位机中的传感器把引水渠中的水位值和各闸门的开度值经转换后送给编码器，编码器对水位及闸门开度信号进行编码，在通过避雷器将编码信号传给数采仪，数采仪将数据进行初步加工和处理后由无线调制解调器传给上位机，上位机即系统主站，可分别与不同的子站建立联系，查询各测点的数据，并按照用户的要求对各闸门进行控制，下位机中的控制箱接收到此信息，经过计算，发出控制信号自动控制闸门到一定的开度，达到自动控制的目的。 图1 闸门远程自动监测与控制结构图
2、下位机系统设计
　　设计下位机重点在于闸门自动控制箱的设计，本文提出闸门的运行控制模式，并进行可靠性处理，然后利用无线传输设备与上位机进行通讯，传输数据。
下位机硬件电路设计
　　本系统采用AT89系列单片机，采用矩阵式键盘进行输入数据，键盘提供切换键、时间设置键、控制键三个按键，通过三个按键显示水位、流量、闸门开度、日期和时间。切换键实现上述四个功能的转换，时间设置键用于修改日期和时间，控制键用于对电机启停进行控制。
闸门控制系统设计
　　本系统下位机接收到上位机传来的要求流量值，当要求的流量值与系统所测的流量值不一致时，单片机启键闭合，闸门电动装置控制箱自动启动电机，提升或下降闸门，当所要求的流量值与当前所测流量值相等时，单片机闭键闭合，电机自动停止，达到自动控制的目的。
　　闸门的运行控制模式有实时型控制模式和定时型控制模式两种，在实时型控制模式中，上位机根据用户要求的流量，利用流量—水位关系曲线把要求的流量换算成要求的水位，然后和下位机联系，下位机接到信号后，由电动装置控制箱控制电机的正反转，达到要求时停止转动。定时控制模式要求用户输入所期望的流量值和要求闸门动作的时间，下位机的控制箱在规定的时间里自动开启和关闭闸门，进行控制。
无线通讯设备SRM6100调制解调器
　　SRM6100无线调制解调器原是美国Data-Linc Group公司生产的军用产品，现应用于民用。它提供最可靠和最高性能的串行无线通讯方法，在频段应用智能频谱跳频技术，在无阻挡物的情况下，两调制解调器之间的通讯距离可达公里， 可实现ＰＬＣ和工作站之间的无线连接。SRM6100应用跳频，扩频和32位误码矫正技术保证数据传输的可靠性。无需昂贵的射频点检测技术。射频数据传输速率为188kbps。并且不需要FCC点现场许可证。SRM6100支持多种组态，包括点对点通讯和多点通讯。多点通讯对子站数目无限制。并且SRM6100可做为中继器工作，以达到扩展通讯距离或克服阻挡物通讯的目的。
下位机可靠性处理
　　为了精确控制电动闸门的关闭，避免电动闸门在工作中出现过载破坏或关闭不严的现象，本系统在电动轴上安装了转矩传感器，用来监测闸门输出轴的转动力矩，以判断闸门是否关严、是否被卡住。闸门电动装置用于检测和控制闸门的开度，本系统在转动轴上安装了光电码盘，考虑到闸门可能出现频繁的正反转交替，为了避免错位和丢码，采用双光耦技术，光耦输出的两路信号经74221双单稳触发器进行整形，89C51的INT0和INT1对其进行计数、计时，并判断转动方向，计算闸门开度。电动闸门在工作中若出现异常现象，系统会自动报警，切断电机电源并显示故障情况。
下位机软件设计
　　下位机的软件设计分为闸门自动装置控制箱程序设计和串行口中断服务程序设计两部分。闸门自动装置控制箱程序设计主要完成数据采集、存储、显示、按键操作等功能，串行口中断服务的程序完成下位机向上位机数据的传送和用户设定参数的接收。控制箱程序的主框图
图2、闸门自动控制程序流程图
　　3、上位机设计
　　上位机的软件部分采用为开发工具，将各个功能模块化，分别解决相应问题，再将各个模块组装，构成上位机软件系统的核心，上位机软件系统的结构如图3所示，通信模块位于最底层，其余模块功能的实现都直接或间接建立在此模块的基础上，本文利用VB的API函数编写串口通讯程序，程序的框图如图4所示。数据管理模块的主要作用就是为水位、流量、闸位等建立数据库，并对其进行管理。图3、上位机软件系统结构图
图4、通信模块程序流程图
4、结语
　　本文以国内某灌区为例，全面分析了灌区闸门自动化控制系统的整体结构及其设计，对其软件开发和硬件选择作了全面阐述，并总结了提高自动化系统可靠性的经验，为提高灌区现代化管理水平提供了有利的工具，具有较高的使用价值和广泛的应用前景。
[1]、水利水文仪器介绍，水利部南京水利水文自动化研究所，1997。
、邵杰、刘萍，单片机与调制解调器接口通讯，雷达与对抗，1998、2。
、周建国、曹炬、姚金斌，单片机与PC机实现电动闸门控制系统设计，计算机自动测量与控制，2001、9。