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- 水位檢測無線傳輸設(shè)計方案
- 來源:重慶勤智科技有限公司 發(fā)表于 2010/12/8
一、系統(tǒng)背景及設(shè)計目標(biāo)
本系統(tǒng)完成水位檢測,并將液位傳感器的數(shù)據(jù)通過無線網(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)行長距離施工、布線,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。
本方案的水位自動檢測和無線傳輸設(shè)備,達(dá)到以下設(shè)計目標(biāo):
1、設(shè)備自成系統(tǒng),除了電源以外,無需額外的硬件設(shè)備支持,檢測數(shù)據(jù)通過串口直接輸出;
2、安裝、維護(hù)簡單;
3、系統(tǒng)自帶網(wǎng)絡(luò)配置軟件,操作簡單。
方案中現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設(shè)備,發(fā)電廠房內(nèi)的數(shù)據(jù)接收設(shè)備(將無線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成RS485 總線數(shù)據(jù))均采用傳統(tǒng)設(shè)計方案。在設(shè)計中,有幾個備選方案,主要不同是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸具體方式不同,但都采用無線傳輸方式。
二、系統(tǒng)的組成
本系統(tǒng)由系統(tǒng)電源、液位傳感器、數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備、無線數(shù)據(jù)傳輸發(fā)送終端、無線數(shù)據(jù)接收終端組成。其中前四個部分構(gòu)成前端采集設(shè)備,安裝在水位采集現(xiàn)場,系統(tǒng)電源為整機提供穩(wěn)定可靠的電源;水位傳感器完成水位的檢測;數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)完成對水位傳感器輸出RS485 信號進(jìn)行采集、分析,另外完成對無線模塊、硬復(fù)位系統(tǒng)的控制;無線終端完成數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。無線數(shù)據(jù)接收終端是一臺無線終端,它通過無線網(wǎng)絡(luò)得到前端采集設(shè)備獲得的數(shù)據(jù),并將無線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成RS485 總線數(shù)據(jù)輸出。
2.1、檢測系統(tǒng)構(gòu)成及特點
系統(tǒng)采用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的無線檢測系統(tǒng),將水位傳感器的輸出信號,通過AD 采樣,轉(zhuǎn)換成無線網(wǎng)絡(luò)可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù),傳輸?shù)诫娬颈O(jiān)控中心,實現(xiàn)了對水位進(jìn)行實時在線檢測,真正做到了遠(yuǎn)距離遙測。
系統(tǒng)具有實時性:實時在線監(jiān)測;靈活性:用戶可根據(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:實時采集等特點。
圖 1 系統(tǒng)構(gòu)成示意圖
1)傳感器部分
選用MPM4700 型智能液位變送器,該傳感器的特點是:全不銹鋼結(jié)構(gòu),體積小,外殼防護(hù)等級可達(dá) IP68;與介質(zhì)接觸的材料為陶瓷,可抵抗較強的壓力沖擊;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)無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備
本方案中,設(shè)計了三種無線數(shù)據(jù)傳輸方式,它們各有優(yōu)缺點,下面先對三種無線傳輸方式做具體說明。
A、無線 GPRS 數(shù)據(jù)傳輸方式
圖 2 無線GPRS 終端
GPRS 模塊在水位檢測點和電站監(jiān)控機房內(nèi)均需要分別安裝一個GPRS 模塊,它主要完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。GPRS 其實是手機連接互聯(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,便于連接到各種現(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
在無線數(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)換成各個模塊需要的電源。
4)系統(tǒng)可維護(hù)性設(shè)計
本系統(tǒng)是安裝在野外,如果系統(tǒng)出了問題,需要工程人員到現(xiàn)場維護(hù),既費時,又費人力、財力,所以這里設(shè)計兩層保障措施,防制系統(tǒng)死機。第一層措施是在無線網(wǎng)絡(luò)中增加“心跳”數(shù)據(jù)包,如果長時間未收到心跳數(shù)據(jù)包,則進(jìn)行一次軟復(fù)位,同時發(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)死機情況下,才能進(jìn)行,所以還需要獨立于前端設(shè)備的一種硬復(fù)位方式,當(dāng)前端設(shè)備系統(tǒng)出現(xiàn)問題的時候能夠操作設(shè)備完成一次復(fù)位,并重新運行。第二層措施是在前端設(shè)備上,配備一個短信模塊,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)問題的時候,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、無線數(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,所以需要對它們的結(jié)構(gòu)及安裝做相應(yīng)的設(shè)計,下面先解決防水、防雨問題,在第四部分再對防雷擊進(jìn)行設(shè)計。
2.2 水位傳感器安裝
由于本檢測系統(tǒng)是測量電廠上游進(jìn)水口處水位,即對流動的水測量液位,所以安裝時在水中插入一根Φ45左右的鋼管,在管子位于水流方向的反向不同高度開若干個Φ5 左右的小孔,使水進(jìn)入管中,在管的出口處將電纜線和接線盒固定。安裝示意圖如下:
圖4 液位傳感器的現(xiàn)場安裝示意圖
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)等級為IP68;接線盒為鑄鋁結(jié)構(gòu)件,安裝于方便接線的地方,防護(hù)等級為IP65。傳感器及放大電路,以及接線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箱內(nèi)。其中,需要外接的電纜,如無線檢測終端用的天線延長電纜、信號電纜等,使用防水防爆的航空插頭連接到機箱外部。無論開孔設(shè)置在哪里,在開孔處均需填充防水物質(zhì)(如:膩子膏)。該金屬機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)無線數(shù)據(jù)接收終端
發(fā)電廠房內(nèi)安裝無線數(shù)據(jù)接收終端,考慮到廠房內(nèi)信號可能較差,需要使用射頻饋線將天線延伸到廠房以外,如圖1 所示。無線接收終端通過無線網(wǎng)絡(luò),從前端設(shè)備獲得水位數(shù)據(jù)及現(xiàn)場其他參數(shù);另一方面,將得到的數(shù)據(jù)通過RS485總線輸出到廠房的監(jiān)控設(shè)備,或者將水位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為4~20mA 的模擬信號輸出。
2.3、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方式
4 2.4GHz 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊
2.4、三種無線數(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網(wǎng)絡(luò)的影響,凡是有移動網(wǎng)絡(luò)的地方,都可以采用這兩種方式;無線傳感器網(wǎng)絡(luò),可靠的傳輸距離為可視3Km,由于水位測量點距離電廠距離達(dá)到9Km,而且中間有山遮擋,所以必須增加中繼節(jié)點,采取接力傳輸?shù)姆绞讲拍軌驅(qū)?shù)據(jù)送回發(fā)電廠房,除了測量點和廠房以外,另外至少需要配置3 個中繼節(jié)點。
數(shù)據(jù)傳輸實時性:GPRS 方式,由于設(shè)備隨時都在GPRS 網(wǎng)絡(luò)中,兩個GPRS設(shè)備形成點對點網(wǎng)絡(luò),所以可以較快的傳輸數(shù)據(jù),延時一遍在10s 以內(nèi);GSM 短信方式,短信的發(fā)送與接收對于移動網(wǎng)絡(luò)來說還是一個比較復(fù)雜的過程,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號,然后將短信發(fā)送給目標(biāo),中間可能收到短信阻塞、信號好壞的影響,延時從幾秒到一天不等;無線傳感器網(wǎng)絡(luò),由于是自組網(wǎng),不受移動網(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),一般延時在2s 左右。
維護(hù)費用:GPRS 的數(shù)據(jù)是按照流量計費,一般月租5 元,可以有30Mbytes的流量,基本可以滿足大多數(shù)輸出傳輸?shù)囊,使用費較低;短信方式,沒有一條數(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),但是基本上是幾個字節(jié)就需要一條短信,所以如果每分鐘有5條短信的話,每月的費用是非常驚人的;無線傳感器網(wǎng)絡(luò),由于使用自組網(wǎng),且是免申請的2.4GHz 頻段,使用過程中完全無費用要求。
可靠性:由于三種方式均采用國外進(jìn)口器件和成熟方案,而且三種方式均已用于多次工程項目,因此可靠性、技術(shù)成熟度上都是較高的?紤]到安裝維護(hù)、數(shù)據(jù)傳輸實時性,其中GPRS 方式,在各種方式中占有一定優(yōu)勢,只是要承擔(dān)一定的使用費用;如果使用費用是一個問題,則可以選擇無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方式,但是需要增加中繼節(jié)點的安裝和維護(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)需要配套一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)置軟件,對串口波特率、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
前面已經(jīng)完成了前端檢測設(shè)備的防水、防雨設(shè)計,下面針對防雷進(jìn)行設(shè)計。
3.1、雷擊破壞途徑
由于前端設(shè)備是安裝在戶外,雷雨天氣將對設(shè)備產(chǎn)生影響,將可能由以下幾 種途徑對系統(tǒng)產(chǎn)生破壞。
、僦睋衾祝豪纂娭苯訐粼诼短斓那岸嗽O(shè)備上造成設(shè)備損壞;雷電直接擊在電源或檢測線纜上造成線纜熔斷。
、诶纂姴ㄇ秩耄弘娫淳、信號傳輸或其他金屬管線遭到雷擊或被雷電感應(yīng)時,雷電波沿這些金屬導(dǎo)線侵入設(shè)備,造成電位差使設(shè)備損壞。
、劾纂姼袘(yīng):
當(dāng)雷擊中避雷針時,在引下線周圍會產(chǎn)生很強的瞬變電磁場。處在電磁場中的檢測設(shè)備和傳輸線路會感應(yīng)出較大的電動勢。這種現(xiàn)象叫電磁感應(yīng)。當(dāng)有帶電的雷云出現(xiàn)時,在雷云下面的建筑物和傳輸線路上都會感應(yīng)出與雷云相反的電荷。這種感應(yīng)電荷在低壓架空線路上可達(dá)100KV,信號線路上可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)稱為感應(yīng)雷,又叫二次雷擊。它對設(shè)備的損害沒有直擊雷來的猛然,但它要比直擊雷發(fā)生的機率大得多,按原郵電部的統(tǒng)計感應(yīng)雷造成的雷擊事故約占雷擊事故總和的80%。
3.2、無線設(shè)備防雷措施
根據(jù)對無線設(shè)備的結(jié)構(gòu)分析,以及雷電可能的侵入途徑,設(shè)計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)備獨立架設(shè)時,原則上為了防止避雷針及引下線上的暫態(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)備的機箱上,引下線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),電源線和信號線應(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。
為防止雷電波沿線路侵入前端設(shè)備,應(yīng)在設(shè)備前的每條線路上加裝合適的避雷器,如電源線、信號線和控制線。
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