智能阀监控系统设计

(西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610031)

0 引言

管网系统是一个结构错综复杂、规模巨大,且流体使用随机性强，运行控制为多目标的网络系统[1]。近年来，随着城市管网规模的不断扩大，管网系统的复杂性和多变性更为突出。管网正常运行的安全性和可靠性也尤为重要，尤其是对于有毒流体。目前，对于管网的监测和阀门的控制是相对独立的[2-3]，管网的监测是后期通过钻孔等操作在管道上面安装传感器，工程量大，且对管道的损伤程度也比较大，而阀门的控制也是在管网出现严重问题时安排工作人员对其直接操作或远程操控。

为此，本文提出了一种基于全球移动通信系统(global system of mobile communication,GSM)技术的智能监控阀系统。该系统取代传统的监测方式，将监测和控制集成于阀门之中，一旦发生爆管，系统将自动关闭相应阀门并发出报警信息，有效减少了流体资源的浪费和对环境的污染。

1 系统总体设计

系统在总体上分为以下两级。

一级系统即现场级是集成于阀门上的现场监测和远程传输系统，该系统在硬件构成上有传感模块、采集模块、控制模块、电机驱动和远程传输5大模块[4-8]。其中，传感模块包括液压传感器、流量传感器、pH传感器等传感器接口，采集模块和控制模块均由AVR单片机完成，远程传输采用GSM模块。

二级系统即控制中心，该系统主要由数据接收、数据处理和数据存储模块3大模块构成。其中，数据接收模块为GSM模块，数据处理和存储模块分别为工控机和服务器，后两者可以集于一体。

当系统成功开启以后，传感模块通过MCU内置A/D转换模块将传感数据传送给MCU，MCU将数字量传送给远程传输模块——GSM模块，GSM模块通过GSM网络将数据传送给控制中心，控制中心将对接收到的数据进行保存、分析和处理。

若流体在管网运行中出现如爆管等异常状态，则相应阀门将会自动关断，并且将报警信息发送给控制中心和管网维护人员，以便控制中心和维护人员及时做出相应的维护和管理，有效减少资源浪费和环境污染。

系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

2 远程可控智能阀的一体化设计

远程可控智能调节阀是将执行机构、数据采集模块、数据处理与传送模块集于一体，并且密封于防护罩中。

由于系统所处环境比较潮湿，对密封要求较高，因此在防护罩与阀门连接处均加入密封垫，与外部的线缆均采用防水航空插头，电机选用防水电机，电路板采用防水设计，并涂有三防(防尘、防震、防水)漆，使该系统的防护等级达到IP68。同时，设置有外置天线，即使发生爆管、设备被水淹没的情况，系统仍然能够安全、稳定地运行。

一体化的设计，即在管道上安装阀门的同时，采集系统也安装于管网上，避免了后期在管道上进行打孔等操作；安装、维护方便，大大减少了后期工程量；数据采集的可靠性高，且对管道无破坏，有效提高了管道的使用寿命和安全性。

3 系统硬件设计

3.1 远程传输与数据采集模块

远程传输模块选用了华为的GSM模块GTM900-C。该模块是一款两频段GSM/GPRS无线模块,支持标准的AT命令和增强型AT命令，提供丰富的语音和数据业务功能[9]。该模块共有40个引脚，而与ATmega128只需要连接4个引脚，连接简单方便。其中GTM900-C的RXD和TXD分别与ATmega128的RXD和TXD相连接，用于两者之间的RS-232串行通信，其他两个引脚分别用于控制GTM900-C的开机与复位。GTM900-C与ATmega128的具体连接方式如图2所示。

图2 GTM900-C与ATmega128接口电路

由于ATmega128采用5 V供电，与GTM900-C电平不匹配，因此在两个模块引脚间串联电阻，使其电平匹配。

数据采集直接利用ATmega128内置A/D，其分辨率为10位，非线性度为0.5 LSB，绝对精度为±2 LSB。选用的传感器均为0～5 V电压输出，且通过上拉电阻后单端接入A/D。内置A/D减少了硬件成本，操作简单方便，且稳定性和可靠性高，避免了对A/D的调试和硬件电路的设计。

3.2 看门狗电路设计

由于本文所述系统为远程控制系统，而且工作环境较为恶劣，当系统出现死机等故障时，很难进行人工操作,虽然ATmega128内置有看门狗定时器，但是GTM900-C没有，因此为了提高了系统的可靠性和稳定性，设置了硬件看门狗电路。

看门狗电路工作原理为：当GTM900-C正常工作时，其管脚LPG每隔一定时间(最长不超过3 s)输出一个高电平脉冲，送到CD4060复位端(即喂狗)，将计数器清零，CD4060输出低电平，使MOS管APM3095P导通，从而保证模块正常工作。若GTM900-C未能正常工作，LPG引脚将没有脉冲输出，达到计数时间T后，CD4060的Qn管脚将输出一个高电平脉冲到MOS管源(G)端，使MOS管截止，从而使模块GTM900-C和ATmega128复位，使其继续正常工作。CD4060的计数时间为：T=2Qn-1(2.2RtCt)。其中，Qn为脉冲输出引脚，Rt为该芯片第10个引脚所接电阻，Ct为该芯片第9个引脚所接电容。本次设计T=9.011 2 s，即GTM900-C如果在9 s内不输出脉冲，该电路将会对模块进行复位。看门狗电路具体连接如图3所示。

图3 看门狗电路

3.3 电机驱动与控制

由于本系统控制主要是对阀门开启和关断的控制，因此对于液体压强的控制，系统通过控制阀门的开启度来实现，即对电机进行控制。液体压强的控制精度为0.001 MPa。系统电机驱动电路如图4所示。ATmega128通过I/O口输出高低电平控制三极管的导通与截止，继而控制继电器的通断，实现电机的正反转与停止。

图4 电机驱动电路

为了防止阀板对阀门的损坏，在阀门外部安装了行程限位开关，保证电机安全可靠地运行。

4 系统软件设计

4.1 下位机软件设计

系统下位机软件设计分为两大模块：一是数据采集与系统监测，二是电机控制[10-12]。

数据采集与监测流程图如图5所示。首先，对MCU和GSM进行初始化，依次对I/O口、串口、定时器、A/D、缓存、GSM进行初始化。初始化完成后，GSM向控制中心发送短信，表明初始化成功，等待控制中心给予开始采集的命令。若控制中心发出开始采集的命令，则系统开始运行，启动A/D转换；若没有，则继续等待。由于ATmega128内置A/D第一次转换的数据不准确，因此将其丢弃，从第二次开始，采集1 400次，并将采集的、连续的20个数据取一次均值，变成70个数据，最后将这70个数据与预警值进行比较。若出现连续的3个数据值大于预警值，则立即关闭阀门，并将报警信息发送到控制中心和相应的维护人员；若数据值均在预警范围内，则将这70个数据以分组数据单元(packet data unit,PDU)格式发送到控制中心，控制中心将数据保存。10 min后开始第二次采集，依次循环。

图5 数据采集与系统监测流程图

电机控制流程图如图6所示。

图6 电机控制流程图

首先是系统初始化，本次初始化除了图6中初始化外，还包括对阀板位置进行初始化，将阀门关闭，直到触动限位开关。准备就绪后，等待控制中心给予电机控制的命令，命令包括打开阀门、关闭阀门、升压和降压。这些动作均由电机的正反转完成。电机转动的反馈信号由液压传感器和限位开关给定。若电机正确执行了指令即达到指定压强，则等待接收下条指令；若没有，则继续控制电机运动，直至达到指定压强。

电机转动通过两个继电器的吸合和断开实现。若要使电机正转，则使其中一个继电器吸合；若要实现反转，则使其断开，使另一个继电器吸合；若要停止转动，则两个继电器同时断开。

若阀板运动到阀门底部，阀门完全关闭，而电机还在向下转动，则限位开关给ATmega128发送信号，强行停止电机转动，反之亦然。

4.2 控制中心软件设计

为了更好、更直观地对阀门作出控制和管理，编写了上位机软件。该上位机软件应用VB编写，其中包括的功能有：模块的设定与测试，串行通信的设定，阀门信息的录入与管理，阀门的开启、关闭，对采集数据的保存、管理和显示。

5 结束语

系统实现了阀门控制和监测的一体化设计，极大地减少了管网智能化管理的后续工作和工程量，并且能够对阀门作出可靠、及时的控制，对管网的正常运行和维护提供了有效的技术手段，所采集到的数据为管网的管理提供了科学依据。

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