城市供水管网检测及阀门智能控制系统的设计

0 引 言
    城市供水管网是结构复杂、规模巨大的管线网络系统，是城市赖以生存的血脉。近年来，随着技术进步和改造资金投入，多数供水企业建立了供水数据监测与控制系统(SCADA)，实现了水源和原水输送系统监测、净水构筑物和工艺设备监控以及供水管网测压等功能，但阀门启闭和调节还必须依靠操作工人到现场手动完成。管网阀门是供水系统中的重要设施，起到输送、关断、调节供水流量、压力和改变流向等管网调控作用，是供水系统畅通输配和管网抢修、维护、改造的重要保证措施。因此阀门作为管网中的一个重要设备，如何更好地管理，对搞好管网建设及运行管理显得越来越重要。

1 供水管网监控系统
    通常供水管网监控系统由四部分组成(如图1所示)：管网参数测量，阀门智能控制系统，管网监测中心，阀门电动执行机构。其原理是通过传感器远程采集管网系统运行的数据，经有线或无线等方式将信号传递到企业管网控制中心和阀门智能控制系统，阀门智能控制系统根据传送来的适时反馈监测数据，控制电动执行机构进行阀门调节。其中阀门智能控制系统是控制的核心部分。

2 管网参数测量
    供水管网监测点一般要求测量压力、流量、流速、流向四路数据。所以现场需要配置压力、流量、流速、流向变送器，然后通过有线或无线的方式把参数信号发送到阀门智能控制终端或管网监测中心。对主管道应分段测量，如图2所示。

    阀门V1的参数监测模块位于阀门V2前方，阀门V2的参数监测模块位于阀门V3前方。如此类推，这样参数监测模块才能准确地把主管道L1，L2，…段的参数，反馈给阀门智能控制系统和管网监测中心。

3 阀门智能控制系统
    阀门智能控制系统可独立地对传递来的管网参数信号进行处理，根据处理后的结果向阀门电动执行机构发出执行信号，还可以把参数上传到管网监测中心。阀门智能控制系统可由计算机系统、单片微型机系统、PLC系统等来实现。本文以单片机为控制核心并给出了针对某一测量点的设计方案。
3．1 硬件设计
    阀门智能控制系统主要包括主控制器CPU、A／D、D／A、8255A、6264SRAM、按键输入电路、LED显示电路、报警电路、时钟和复位电路，其结构如图3所示。

    系统以AT89C52单片机为核心，配合相应的传感器将检测到的压力、流量、流速、流向四路数据经变送器处理后，转换成0～5 V标准信号，送ADC0809芯片进行A／D转换，单片机每隔500 ms循环采样一次，采样5次后进行中值滤波，经数据变换后，在LED上显示各参数的实际值(工程量)，并将信息发送到管网监测中心。同时检测值与给定值进行比较，根据比较结果输出控制信号经D／A转换器转换后输出控制电压，驱动阀门电动执行机构实现对阀门的自动调节。
    为了增加系统的灵活性，设计了一个4×4的矩阵式键盘。键码0～9为输入的数字量，按“A”键，显示压力；按“B”键，显示流量；按“C”键，显示流速；按“D”键，显示流向；按“E”键，撤销报警；按“F”键，投入报警。
3．2 软件设计
    系统应用程序由主程序及中断服务程序两大部分组成。
3．2．1 主程序
    主程序程序框图如图4所示。包括三个主要环节：一是实现各种初始化，包括设置堆栈指针、8255A芯片初始化、定时器／计数器0初始化、以及开中断、定时器／计数器启动等。二是实现显示(按照人机对话功能显示各种不同参数)。三是不断进行键盘扫描，判断是否有键按下，若无键按下，则返回显示；如有键按下，则根据所按键实现相应的人机对话功能。

3．2．2 中断服务程序
    中断服务程序主要包括采样、数据处理、报警、控制算法及控制值输出等环节，均以调用子程序实现，程序框图如图5所示。

4 管网监测中心
    管网监测中心的信息处理系统可由计算机系统实现。通过RS 422／RS 485／Lonworks等不同的网络接口，使阀门终端接入网络中。管网监测中心根据传递来的管网参数，通过后台监控软件可实现对数据的记录、分析处理、在控制中心的显示屏上实时显示出管网运行状态及各种所需数据，并提供出解决方案。如果数据异常，可发出报警提示职守人员。管网监测中心对阀门电动执行机构的控制权高于阀门智能控制系统。

5 阀门电动执行机构
    阀门电动执行机构中的阀门采用电磁阀。电磁阀是用电磁控制的工业设备，用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀里有密闭的腔，在的不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边。通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排油的孔，然后通过油的压力来推动油刚的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞竿带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动。另外，阀门还需配置手动调节的手柄，以备系统出现故障时以手动调节阀门。

6 结 语
    城市供水管网检测及阀门智能控制系统的主要目的是解决自来水公司对供水管道中各监测点的数据采集、监控以及阀门开关的自动控制。便于及时迅速地了解及控制管道及阀门，降低了故障率和检修时间，减少停水次数，提高了供水企业的服务水平，从而实现了城市供水的信息化、现代化。