一、系統(tǒng)背景及設(shè)計(jì)目標(biāo)
本系統(tǒng)完成水位檢測(cè)，并將水位傳感器的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的方式傳輸回電站監(jiān)控中心。這樣就不需要像傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式那樣，進(jìn)行長(zhǎng)距離施工、布線(xiàn)，才能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸回控制中心，減少了安裝和維護(hù)上的困難。
本方案的水位自動(dòng)檢測(cè)和無(wú)線(xiàn)傳輸設(shè)備，達(dá)到以下設(shè)計(jì)目標(biāo)：
1、設(shè)備自成系統(tǒng)，除了電源以外，無(wú)需額外的硬件設(shè)備支持，檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)串口直接輸出；
2、安裝、維護(hù)簡(jiǎn)單；
3、系統(tǒng)自帶網(wǎng)絡(luò)配置軟件，操作簡(jiǎn)單。
方案中現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，發(fā)電廠房?jī)?nèi)的數(shù)據(jù)接收設(shè)備（將無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成RS485 總線(xiàn)數(shù)據(jù)）均采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。在設(shè)計(jì)中，有幾個(gè)備選方案，主要不同是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸具體方式不同，但都采用無(wú)線(xiàn)傳輸方式。
二、系統(tǒng)的組成
本系統(tǒng)由系統(tǒng)電源、水位傳感器、數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸發(fā)送終端、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)接收終端組成。其中前四個(gè)部分構(gòu)成前端采集設(shè)備，安裝在水位采集現(xiàn)場(chǎng)，系統(tǒng)電源為整機(jī)提供穩(wěn)定可靠的電源；水位傳感器完成水位的檢測(cè)；數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)完成對(duì)水位傳感器輸出RS485 信號(hào)進(jìn)行采集、分析，另外完成對(duì)無(wú)線(xiàn)模塊、硬復(fù)位系統(tǒng)的控制；無(wú)線(xiàn)終端完成數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)接收終端是一臺(tái)無(wú)線(xiàn)終端，它通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)得到前端采集設(shè)備獲得的數(shù)據(jù)，并將無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成RS485 總線(xiàn)數(shù)據(jù)輸出。
2.1、檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成及特點(diǎn)
系統(tǒng)采用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的無(wú)線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)，將水位傳感器的輸出信號(hào)，通過(guò)AD 采樣，轉(zhuǎn)換成無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，傳輸?shù)诫娬颈O(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水位進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測(cè)，真正做到了遠(yuǎn)距離遙測(cè)。
系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性：實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)；靈活性：用戶(hù)可根據(jù)自己的需求，靈活、方便的設(shè)置參數(shù)；安全性：不論是產(chǎn)品、還是工具及其維護(hù)，都具有系統(tǒng)安全性和可靠性；采集方式：實(shí)時(shí)采集等特點(diǎn)。
圖 1 系統(tǒng)構(gòu)成示意圖
1）傳感器部分
選用中美合資麥克傳感器公司的 MPM4700 型智能液位變送器，該傳感器的特點(diǎn)是：全不銹鋼結(jié)構(gòu)，體積小，外殼防護(hù)等級(jí)可達(dá) IP68；與介質(zhì)接觸的材料為陶瓷，可抵抗較強(qiáng)的壓力沖擊；頂部不銹鋼帽可拆除，即可仿制膜片的意外損壞，又便于定期清洗；感壓膜片與介質(zhì)接觸面積大，不易被堵塞。
2）無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備
本方案中，設(shè)計(jì)了三種無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸方式，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，下面先對(duì)三種無(wú)線(xiàn)傳輸方式做具體說(shuō)明。
A、無(wú)線(xiàn) GPRS 數(shù)據(jù)傳輸方式
圖 2 無(wú)線(xiàn)GPRS 終端
GPRS 模塊在水位檢測(cè)點(diǎn)和電站監(jiān)控機(jī)房?jī)?nèi)均需要分別安裝一個(gè)GPRS 模塊，它主要完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。GPRS 其實(shí)是手機(jī)連接互聯(lián)網(wǎng)的分組交換協(xié)議，這就可以使得GPRS 設(shè)備成為一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，便于數(shù)據(jù)傳輸。
本公司的 GPRS 模塊，在普通模塊的基礎(chǔ)上，增加TCP/IP 協(xié)議，同時(shí)自帶AT 指令解釋器。使用RS485 接口，數(shù)據(jù)傳輸部分采用透明傳輸?shù)姆绞剑阌谶B接到各種現(xiàn)有的成熟設(shè)備上，而不需要更改已有的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。
B、 GSM 短信傳輸方式
圖 3 短信模塊
在無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸中，目前使用得非常多的是短信方式。只要用戶(hù)熟悉 AT指令，則可以采用短信方式，將采集到的數(shù)據(jù)，傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的一個(gè)短信接收模塊上。
3）系統(tǒng)電源
系統(tǒng)電源采用外接 220VAC 1A 供電。系統(tǒng)電源模塊使用隔離開(kāi)關(guān)電源，首先將220AVC 電源轉(zhuǎn)換成12VDC 的直流電源，然后再轉(zhuǎn)換成各個(gè)模塊需要的電源。
4）系統(tǒng)可維護(hù)性設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)是安裝在野外，如果系統(tǒng)出了問(wèn)題，需要工程人員到現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)，既費(fèi)時(shí)，又費(fèi)人力、財(cái)力，所以這里設(shè)計(jì)兩層保障措施，防制系統(tǒng)死機(jī)。第一層措施是在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中增加“心跳”數(shù)據(jù)包，如果長(zhǎng)時(shí)間未收到心跳數(shù)據(jù)包，則進(jìn)行一次軟復(fù)位，同時(shí)發(fā)送復(fù)位指令給前端系統(tǒng)的其他設(shè)備，讓所有設(shè)備進(jìn)行一次軟復(fù)位。但是第一層是建立在前端設(shè)備未出現(xiàn)死機(jī)情況下，才能進(jìn)行，所以還需要獨(dú)立于前端設(shè)備的一種硬復(fù)位方式，當(dāng)前端設(shè)備系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候能夠操作設(shè)備完成一次復(fù)位，并重新運(yùn)行。第二層措施是在前端設(shè)備上，配備一個(gè)短信模塊，并由短信模塊輸出 IO 控制前端設(shè)備供電。當(dāng)前端設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候，又遠(yuǎn)端控制中心發(fā)送多條（例如3 條，為了防制誤傳）短信給前端設(shè)備的短信模塊，短信模塊收到短信之后，判斷是否為復(fù)位指令，如果是則關(guān)斷前端設(shè)備電源，延時(shí)數(shù)秒鐘之后重新給設(shè)備上電，這樣就完成一次系統(tǒng)復(fù)位。
5）前端采集設(shè)備的安裝
前端采集設(shè)備，即系統(tǒng)電源、水位傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸發(fā)送終端，安裝在野外露天環(huán)境下，因此必須做到防水、防雨、防雷擊，所以需要對(duì)它們的結(jié)構(gòu)及安裝做相應(yīng)的設(shè)計(jì)，下面先解決防水、防雨問(wèn)題，在第四部分再對(duì)防雷擊進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2.2 水位傳感器安裝
由于本檢測(cè)系統(tǒng)是測(cè)量電廠上游進(jìn)水口處水位，即對(duì)流動(dòng)的水測(cè)量液位，所以安裝時(shí)在水中插入一根Φ45左右的鋼管，在管子位于水流方向的反向不同高度開(kāi)若干個(gè)Φ5 左右的小孔，使水進(jìn)入管中，在管的出口處將電纜線(xiàn)和接線(xiàn)盒固定。安裝示意圖如下：
圖4 液位傳感器的現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖
圖5 固定用腳架和法蘭
投入液體中的部分為全密封不銹鋼結(jié)構(gòu)，傳感器與放大電路均在不銹鋼全密封殼體內(nèi)，防護(hù)等級(jí)為IP68；接線(xiàn)盒為鑄鋁結(jié)構(gòu)件，安裝于方便接線(xiàn)的地方，防護(hù)等級(jí)為IP65。傳感器及放大電路，以及接線(xiàn)盒完全可以露天安裝。
系統(tǒng)電源、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、GPRS 終端安裝采用的防水措施是，將安裝于戶(hù)外的系統(tǒng)電源、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、GPRS 終端，固定在密閉的金屬外殼機(jī)箱內(nèi)。其中，需要外接的電纜，如無(wú)線(xiàn)檢測(cè)終端用的天線(xiàn)延長(zhǎng)電纜、信號(hào)電纜等，使用防水防爆的航空插頭連接到機(jī)箱外部。無(wú)論開(kāi)孔設(shè)置在哪里，在開(kāi)孔處均需填充防水物質(zhì)（如：膩?zhàn)痈啵Ｔ摻饘贆C(jī)箱安裝在水位傳感器裝置的固定腳架另一端，如上圖4所示。
6）無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)接收終端
發(fā)電廠房?jī)?nèi)安裝無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)接收終端，考慮到廠房?jī)?nèi)信號(hào)可能較差，需要使用射頻饋線(xiàn)將天線(xiàn)延伸到廠房以外，如圖1 所示。無(wú)線(xiàn)接收終端通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，從前端設(shè)備獲得水位數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)其他參數(shù)；另一方面，將得到的數(shù)據(jù)通過(guò)RS485總線(xiàn)輸出到廠房的監(jiān)控設(shè)備，或者將水位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為4~20mA 的模擬信號(hào)輸出。
2.3、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)方式
4 2.4GHz 無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊
2.4、三種無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸方式的比較
傳輸距離：GPRS 和GSM 短信方式的傳輸距離僅受移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的影響，凡是有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的地方，都可以采用這兩種方式；無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，可靠的傳輸距離為可視3Km，由于水位測(cè)量點(diǎn)距離電廠距離達(dá)到9Km，而且中間有山遮擋，所以必須增加中繼節(jié)點(diǎn)，采取接力傳輸?shù)姆绞讲拍軌驅(qū)?shù)據(jù)送回發(fā)電廠房，除了測(cè)量點(diǎn)和廠房以外，另外至少需要配置3 個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)。
數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性：GPRS 方式，由于設(shè)備隨時(shí)都在GPRS 網(wǎng)絡(luò)中，兩個(gè)GPRS設(shè)備形成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，所以可以較快的傳輸數(shù)據(jù)，延時(shí)一遍在10s 以?xún)?nèi)；GSM 短信方式，短信的發(fā)送與接收對(duì)于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)還是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，發(fā)送短信一方，先要將短信發(fā)送到短信中心，短信中心再找到目的手機(jī)號(hào)，然后將短信發(fā)送給目標(biāo)，中間可能收到短信阻塞、信號(hào)好壞的影響，延時(shí)從幾秒到一天不等；無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，由于是自組網(wǎng)，不受移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的影響，一旦網(wǎng)絡(luò)建立完成，就可以較快的傳輸數(shù)據(jù)，一般延時(shí)在2s 左右。
維護(hù)費(fèi)用：GPRS 的數(shù)據(jù)是按照流量計(jì)費(fèi)，一般月租5 元，可以有30Mbytes的流量，基本可以滿(mǎn)足大多數(shù)輸出傳輸?shù)囊螅褂觅M(fèi)較低；短信方式，沒(méi)有一條數(shù)據(jù)，均需要發(fā)送一條短消息，雖然短消息的容量可以達(dá)到每條140 字節(jié)，但是基本上是幾個(gè)字節(jié)就需要一條短信，所以如果每分鐘有5條短信的話(huà)，每月的費(fèi)用是非常驚人的；無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，由于使用自組網(wǎng)，且是免申請(qǐng)的2.4GHz 頻段，使用過(guò)程中完全無(wú)費(fèi)用要求。
可靠性：由于三種方式均采用國(guó)外進(jìn)口器件和成熟方案，而且三種方式均已用于多次工程項(xiàng)目，因此可靠性、技術(shù)成熟度上都是較高的。考慮到安裝維護(hù)、數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性，其中GPRS 方式，在各種方式中占有一定優(yōu)勢(shì)，只是要承擔(dān)一定的使用費(fèi)用；如果使用費(fèi)用是一個(gè)問(wèn)題，則可以選擇無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)方式，但是需要增加中繼節(jié)點(diǎn)的安裝和維護(hù)。綜合考慮，建議選用GPRS 方式。
2.5、GPRS 網(wǎng)絡(luò)設(shè)置軟件
如果選用 GPRS 方式，考慮到GPRS 網(wǎng)絡(luò)的特殊性，以及使用的靈活性，本系統(tǒng)需要配套一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置軟件，對(duì)串口波特率、工作模式、DTU 模式等進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，軟件界面如下圖所示。
圖7 GPRS 模塊網(wǎng)絡(luò)配置軟件界面
三、系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)
前面已經(jīng)完成了前端檢測(cè)設(shè)備的防水、防雨設(shè)計(jì)，下面針對(duì)防雷進(jìn)行設(shè)計(jì)。
3.1、雷擊破壞途徑
由于前端設(shè)備是安裝在戶(hù)外，雷雨天氣將對(duì)設(shè)備產(chǎn)生影響，將可能由以下幾
種途徑對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生破壞。
①直擊雷：雷電直接擊在露天的前端設(shè)備上造成設(shè)備損壞；雷電直接擊在電源或檢測(cè)線(xiàn)纜上造成線(xiàn)纜熔斷。
②雷電波侵入：電源線(xiàn)、信號(hào)傳輸或其他金屬管線(xiàn)遭到雷擊或被雷電感應(yīng)時(shí)，雷電波沿這些金屬導(dǎo)線(xiàn)侵入設(shè)備，造成電位差使設(shè)備損壞。
③雷電感應(yīng)：
當(dāng)雷擊中避雷針時(shí)，在引下線(xiàn)周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的瞬變電磁場(chǎng)。處在電磁場(chǎng)中的檢測(cè)設(shè)備和傳輸線(xiàn)路會(huì)感應(yīng)出較大的電動(dòng)勢(shì)。這種現(xiàn)象叫電磁感應(yīng)。當(dāng)有帶電的雷云出現(xiàn)時(shí)，在雷云下面的建筑物和傳輸線(xiàn)路上都會(huì)感應(yīng)出與雷云相反的電荷。這種感應(yīng)電荷在低壓架空線(xiàn)路上可達(dá)100KV，信號(hào)線(xiàn)路上可40－60KV。這種現(xiàn)象叫靜電感應(yīng)。研究表明：靜電感應(yīng)方式引起的浪涌數(shù)倍于電磁感應(yīng)引起的浪涌。
電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)稱(chēng)為感應(yīng)雷，又叫二次雷擊。它對(duì)設(shè)備的損害沒(méi)有直擊雷來(lái)的猛然，但它要比直擊雷發(fā)生的機(jī)率大得多，按原郵電部的統(tǒng)計(jì)感應(yīng)雷造成的雷擊事故約占雷擊事故總和的80%。
3.2、無(wú)線(xiàn)設(shè)備防雷措施
根據(jù)對(duì)無(wú)線(xiàn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)分析，以及雷電可能的侵入途徑，設(shè)計(jì)了以下防雷解決方案。前端設(shè)備應(yīng)置于接閃器（避雷針或其它接閃導(dǎo)體）有效保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前端設(shè)備獨(dú)立架設(shè)時(shí)，原則上為了防止避雷針及引下線(xiàn)上的暫態(tài)高電位，避雷針最好距前端設(shè)備3－4 米的距離。如有困難避雷針也可以架設(shè)在前端設(shè)備的機(jī)箱上，引下線(xiàn)可直接利用金屬桿本身或選用Φ8 的鍍鋅圓鋼。為防止電磁感應(yīng)，電源線(xiàn)和信號(hào)線(xiàn)應(yīng)穿在金屬管內(nèi)以達(dá)到屏蔽作用，屏蔽金屬管的兩端均應(yīng)接地。
為防止雷電波沿線(xiàn)路侵入前端設(shè)備，應(yīng)在設(shè)備前的每條線(xiàn)路上加裝合適的避雷器，如電源線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)和控制線(xiàn)。
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