基于GPRS通信的闸位联控系统研究

摘 要： 随着我国科技水平和综合国力的大力提高，在闸位联控系统的控制设计中，为实现泵站“无人值班”（少人值守）的目标，数据传送使用GPRS网络无线数据传输方式比较合适。研究的关键在于要确保对全站泵组、闸门、流量等设备和数据进行有效监视和控制，保证泵站更加安全、可靠、经济地运行。

关键词： 自动化监控；闸门控制；数据采集；GPRS传输

中图分类号：U495 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0310024－02

1 GPRS闸位联控系统研究的理论意义及应用价值

水闸是水利系统最基础的工程，在防洪排涝抢险过程中扮演着重要角色，对保护工农业生产和人民生命财产安全以及环境保护等诸多方面都发挥着巨大的积极作用，但是我国的水利自动化技术比较落后，每年会由于洪涝灾害造成巨大的经济损失[1]，因此闸门的即时合理控制问题，是关系到水利工程的安全，关系到保护工农业生产和人民生命财产安全，以及综合利用水资源的问题，因此GPRS闸位联控系统具有极高的应用价值。

2 系统构成及功能描述

GPRS闸位联控系统主要功能为：水闸现场监控平台是基于产品化、模块化、通用化思想而研制开发出来的新一代水闸远程监控系统，该系统主要用于水库、灌区、河道、供水渠的闸门现地控制和远程控制，可在现地单控、群控，也可在异地远程遥控。

GPRS闸位联控系统由水利系统的流域管理中心、各县市设立的分中心监测站、以及水闸现场的水文遥测单元构成的三级网络组成。通过建立GPRS闸位联控系统，将可以改善水文信息的采集、传送和信息处理的手段，缩短数据采集和信息处理所需的时间，还可以提高信息采集和传输的可靠性，提高流域各种监测信息的处理能力。

3 总体设计方案

3.1 闸位控制原理

1）GPRS闸位联控系统原理：GPRS闸位联控系统主要工作原理将各种传感器的流量、水位、雨量模拟量和闸门、水泵的开关量数据传送到各监测站，通过 WLB-268型远程测控终端机完成数据的采集，并把采集的数据通过 GPRS网络无线数据传输方式主动传输至调度中心，调度中心控制机能够实时监测水闸泵站现场的情况，并可以远程控制闸门、水泵的开关，实现监测点的自动化控制。

2）GPRS闸位联控系统特点：

① 技术先进：系统采用了当今最先进的无线高速数据分组传输技术，在数据采集和传输方面具有无可比拟的先进性，可以实时在线运行任意查询、加报、自动传送信号。

② 安全可靠：系统采用了多级管理和权限控制，强大的系统安全管理和数据保护措施，对水利设施的日常监控提供了安全保障。

③ 实用耐久：GPRS闸位联控系统适应性极强，功能完善，性能稳定可靠。

④ 管理方便：系统采用C++语言开发的大型检测软件，操作界面充满人性化；可用于现地显示与控制，还可以异地远程集中显示，测量准确，操作简单，工作可靠，维修方便。

3.2 组成原理

GPRS闸位联控系统主要由传感器检测模块、控制模块、执行模块、远程监控通信模块等部分组成，各部分具体原理分析如下：

3.2.1 传感器检测模块

1）传感器检测的要求

GPRS闸位联控系统的控制对象为水位，由于水位参数的特性，使它受环境影响比较大，如果采用一般方法测量水位流量等，将无法达到精度要求；而且由于水闸现场工作环境较为复杂，单个传感器独立使用的场合很少，更多的是有多个传感器同时应用，来实现多参数的测量和多对象的控制。

因此，在GPRS闸位联控系统中，传感器检测模块采用了多组多种传感器进行数据采集，为了防止采集的数据信号出现失真，由多个传感器组成的检测网络应满足以下要求：① 能够协作地实时监控、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对信息进行处理，获得详尽准确的信息，并传送这些信息到控制中心。② 为了增强操作性，传感器网络建立了开放的、分层的体系结构。

2）数据采集PLC

① 可编程序控制器PLC的功能

数据采集的核心为PLC，由PLC进行所有采集数据的处理，由传感器网络采集的数据送入PLC输入单元，经过转换模块进行数据处理[4]；PLC按照设置的程序完成对水位流量的自动测量控制，实现水闸的自动控制、数据信息的传送；系统能实时记录数据。

② 可编程序控制器PLC的优势

采用PLC装置进行数据采集，操作简单，系统运行安全、可靠、稳定；通过可编程控制器为核心组成的传感器数据采集系统，自动化程度高、功能齐全，能够实现自动控制、自动保护及信息传递等功能，能可靠地实现系统自身故障诊断，判断设备故障的状况，出现故障时可及时发出警报信息；数据显示功能为检查和分析设备的运行情况提供依据，从而提高了综合管理水平。

3）传感器检测模块的组成

主要由浮子式水位计、压力式水位计、雨量计、水位差计、XZK-3型无线闸门开度检测仪、XHZ-3型闸门开度荷重测控仪、闸门开度传感器、闸门荷重传感器、闸门数据采集终端等组成，数据采集方面使用三菱PLC可编程控制器。

3.2.2 控制模块

1）控制原理

GPRS闸位联控系统闸门控制的是水位和流量，由于水位流量值是具有较大滞后时间常数的控制对象，以往采用的位式或者连续控制等技术，控制质量不高，存在很多问题，如超调量 大、稳定时间 长等。为避免控制质量不高的问题，在GPRS闸位联控系统中，采用了PID控制器来加强对水闸的控制。

PID控制器具有稳定性好、工作可靠、调整方便、结构简单等优点，当水位流量数据不准确时，即其它控制技术难以应用时，水位流量数据参数必须依靠经验和现场调试来确定时，采用PID控制技术最为方便，PID控制器中比例项的主要作用是纠正偏差；积分项用于消除系统的稳态误差，提高控制精度；微分项的作用是减小系统的超调量，增加系统的稳定性。

2）PID控制器的参数整定

① 利用临界比例法进行 PID控制器参数的整定，步骤如下：

首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；

仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；

在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改：

对于液位系统： （%）20-80， （分）15；

对于流量系统： （%）40-100， （分）0.11；

对于压力系统： （%）30-70， （分）0.4-3。

② GPRS闸位联控系统PID控制器主要是由研华工控机WLB-268型远程测控终端机来实现的，主要包括AT89S51单片机、1片RAM6264、1片EEPROM2861A、用于8位LED显示和键盘接口的可编程I/O接口芯片8255A，以及其他的必要的逻辑器件组成。

3.2.3 执行模块

1）执行模块工作原理

GPRS闸位联控系统的执行模块主要是控制连接水闸的电动机，当控制系统的运行指令发出后，执行模块根据指令操作，完成水闸的启闭控制，执行模块的好坏是直接影响整个系统的质量的关键因素。

① 闸门控制采用闭环控制方式，是应用最为广泛的控制方式，这种控制方式的控制精度较高，只要被控量偏离了给定值，系统就会自行纠偏，具有抑制内外干扰对被控量的影响的能力，因此，闸门控制采用了闭环控制方式。

② GPRS闸位联控系统的执行模块工作原理：采用单片机作为智能控制器件，利用其精确定时能力，根据水闸行程 等于速度 与时间 的乘积关系，在预先设定控制高度 条件下，根据上升、下降、定位、锁定等信息，计算出定时时间，自动完成水闸升降定位控制。

2）执行模块的组成

执行模块主要由一个12位的 转换器、功率放大电路和电机组成。 转换器接收来自单片机的控制信号，并转换为模拟信号，经放大控制电动机的运行，从而达到控制水闸的目的。为提高转换精度，采用分辨率为12的DAC1230，其输出电流稳定时间为 ，非线性误差为0.018%FSR，功耗为20mW。

3.2.4 远程监控通信模块

监控中心通过移动网络实现远程数据通信，采集的数据通过GPRS网络主动传输至水利调度中心，调度中心的控制机可以监测现场的实时情况，并可以远程控制现场水闸的开关，如果通信线路出现故障，能够自动发出报警提示，采用GPRS无线数据传输的通讯方式，很好地解决了制约水利控制系统的远程数据传输问题。通过GPRS远程设置和短信息设置功能，可以方便地对水情要素如水位、雨量、流量等环境数据的采集读取，真正实现了远程监测和数据共享的功能。

GPRS模块主要用于数据的发送、接收以及短消息的接收；ARM模块完成传感器数据的编码和TCP/IP封装，控制GPRS模块将数据发送到监控中心，并接收和执行监控中心发送的控制命令；监控中心为通过以太网卡连入Internet中的一台具有固定IP的计算机，采用开发工具调用Winsock控件编写监控软件，用于接收、处理和显示各个监控点发送的数据，并对监控点发送控制命令。

GPRS模块采用MC35，MC35模块主要由射频天线、内部Flash、SRAM、GSM基带处理器、匹配电源和一个40脚的ZIF插座组成。GSM基带处理器用来处理外部系统通过串口发送AT指令。射频天线实现信号的调制和解调，以及外部射频信号与内部基带处理器之间的信号转换[5]。

4 结论

本文通过对GPRS闸位联控系统总体框架的研究和分析，在此基础上，进行了系统的软硬件的设计，包括现场数据采集传感器模块，逻辑控制模块，以及数据通信网络等，通过研究，实现了一个完整的水闸监控系统的设计，减轻了运行人员的现场监控量，提高了泵站自动化水平，GPRS闸位联控系统系统将发挥其更加积极的社会经济效益。

参考文献：

[1]黄宽、徐建政，VPN专网在GPRS配变监测系统通信中的应用[J].电力系统通信，2004.08.

[2]王科峰，浅谈GPRS时代的无线互联[J].内蒙古科技与经济，2004，20.

[3]刘从新、袁建伟、曾维鲁、龚国强，基于GPRS的分布式监控系统的研究[J].电力系统通信，2004.08.

[4]张宇、杨彬、张远、肖文栋、许勇军，GPRS移动通信网管系统研究[J].北京联合大学学报，2005.02.

[5]李建华、徐国章、李宏海，GPRS在远程监控系统中的应用[A].中国自动化学会全国第九届自动化新技术学术交流会论文集[C].2004.

作者简介：

许斌（1975-），山东省济宁人，职称：工程师，研究方向：自动控制。