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1、大型储水罐 多点水位遥测与控制系统The Large-scale Water can Multi-spots Water Telemetering and Control SystemII摘 要目前，我们的水资源已经相当的紧缺，已经引起全社会的关注。如何节约用水，有计划地用水已成为社会的一个重要课题。在新世纪，水利作为国民经济基础设施和基础产业，必须运用现代科技手段，获取实时、准确的水利信息，才能促进工程水利向资源水利、传统水利向现代水利的转变，以适应时代对水利行业的要求。随着信息技术和测控技术的发展，水文遥测系统越来越完善，同时单片机广泛地应用与水文的遥测系统中，如测站、控制站、中心站等。本
2、次大型储水罐多点水位遥测与控制系统，其核心是利用GSM短消息系统为通讯载体，对测量端获得的数据进行分析处理，并将处理的结果发送给控制系统，最终达到遥测与控制的目的。其设计主要内容有：水位数据采集系统的设计、数据收发系统的设计、PLC控制系统的设计。本次设计的基本思路是：利用传感器采集水位数据，通过数据的收发系统，将采集的数据发送给用户端；用户端根据水位报表的反映，调用相应的水位控制程序，将程序发送给远程的控制系统（PLC），实现水位的监测与控制。关键词：GSM短消息 遥测 水位数据采集 PLCAbstractAt present, our water resources already the
3、 suitable scarcity, alreadyaroused the entire societys interest. How saves the water used, hasthe plan water used to become social an important topic.In the new century, the water conservation took the national economyinfrastructure and the foundation industry, must utilize the modernscience and tec
4、hnology method. Real-time gains, the accurate waterconservation information, can promote the project water conservationto the resources water conservation, the traditional waterconservation to the modern water conservation transformation, adaptsthe time to the water conservation profession request.
5、Along with theinformation technology and the observation and control technologydevelopment, hydrology telemetry system more consummates,simultaneously the monolithic integrated circuit widely applies and inthe hydrology telemetry system, like survey station, control station,central station and so on
6、.This large-scale stores the watering can multi- spots water leveltelemetering and the control system, its core is uses the GSM short newssystem is the communication carrier, obtains the data through thesurvey end to carry on analysis processing, and will process theresult transmission for the contr
7、ol system, finally will achieve thetelemetering and the control goal. Its design main content includes:Water level data acquisition system design, data receiving anddispatching system design, PLC control system design. This design basic mentality is: Using the sensor gathering water leveldata, throu
8、gh the data receiving and dispatching system, the datatransmission which gathers for the user the end; User end basis waterlevel report form reflection, formulation water level controlprocedure, procedure transmission for long-distance control system(PLC), realization water level monitor and control
9、.Key words： GSM short news Telemetering water level data acquisition PLCII目 录摘要IAbstractII绪论11 概述21.1 研究背景及意义21.2 国内外研究现状31.3 主要研究目标以及内容31.3.1 设计的主要内容41.3.2 设计的关键技术问题42 系统结构设计52.1 系统的结构设计52.2 遥测方案的选择72.2.1 几种常用数据通信方式的比较72.2.2 GSM无线通讯模块短消息的控制指令82.2.3 遥测方式的确定92.2.4 在水位遥测数据通信中的应用方案92.3 本章小结103 系统硬件设计11
10、3.1 系统的硬件原理图设计113.2 水位数据采集系统的硬件设计123.2.1 差压变送器的安装123.2.2 差压变送器的介绍与应用123.3 数据收发系统的硬件设计（水位测量端）143.3.1 数据收发系统的硬件电路图设计143.4 数据接收发送端的硬件设计（用户端与控制端）153.5 排水系统的硬件设计163.5.1 排水系统的阀门选择163.5.2 排水系统的硬件设计173.6 供水系统的硬件设计203.6.1 供水管道的硬件设计203.6.2 供水电机的硬件设计203.7 本章小结224 系统软件设计234.1 数据收发系统的软件设计（水位测量端）234.1.1 模块中与SMS有关
11、的GSMAT指令介绍234.1.2 主程序流程图设计254.1.3 程序设计264.2 排水系统的软件设计294.2.1 PLC控制步进电机的系统框图设计294.2.2 系统控制步进电机的梯形图设计(部分程序)304.3 供水电机软件设计314.3.1 供水电机梯形图设计（部分程序）324.4 本章小结32结论33致谢34参考文献35附录137附录247 绪 论随着我国经济建设的发展，水文的预报和水资源的管理在国民经济中的地位越来越重要；水文遥测系统为水利部门提供大量的水文数据，在洪水预报、防灾减灾中发挥了重要的作用。随着信息技术和测控技术的发展，水文遥测系统越来越完善，同时单片机广泛地应用于
12、水文的遥测系统中，如测站、控制站、中心站等。测站数据可靠的传输和系统的功耗，决定了遥测系统的功能。课题任务：在比较几种常用的数据通信方式基础上，分析GSM短消息通讯方式的特点，设计大型储水罐多点水位遥测与控制系统。综合所学的专业知识对大型储水罐多点水位遥测与控制系统进行设计，主要内容如下： 多点水位测量原理； 遥测方式的选择； 单片机与PLC机在多点水位测量中的应用。多点水位测量内容及原理： 水位测量内容研究应用单片机、PLC机与现代通讯技术实现对大型储水罐多点水位遥测与控制。其原理是大型储水罐的监测系统通过对水位的监测获得的数据通过发射站（无线通信方式）反馈给微机系统，微机系统通过取得的数据
13、进行分析与处理并将处理的结果通过无线通讯方式发送给水位监控系统（用户端），用户端根据需要将预处理程序发送给控制系统，实现对大型储水罐的监测与控制。 水位测量的原理根据水中某点的压力与水深成正比的原理（P=gh/s），将压力传感器放入水下一定深度，其输出的电压信号反映了传感器以上的水柱高度。电压信号经防水电缆传输给测量仪，由测量仪器计算出水柱高度并储存。存储数据利用手机模块的短消息功能发送给检控中心的手机模块。微机通过串行口读取手机模块的短消息，实现永久保存，并可打印水位报表和曲线。1 概 述1.1 研究背景及意义目前，我们的水资源已经相当的紧缺，已经引起全社会的关注。如何节约用水，有计划地用水
14、已成为电子工作者设计制作的焦点。在新的世纪，水利作为国民经济基础设施和基础产业，必须运用现代科技手段。获取实时、准确的水利信息，才能促进工程水利由资源水利、传统水利向现代水利的转变，以适应时代对水利行业的要求。由于测站大多主要设在野外和偏远的山区，供电采用太阳能电池、充电蓄电池或远距离输电线供电，工作环境恶劣，人员无法长期在此工作，因此需要进行远距离的系统遥测。遥测是利用传感技术、通信技术和数据处理技术的一门综合性技术。遥测主要用于集中检测分散的或难以接近的被测对象，如被测对象距离遥远，所处环境恶劣，或处于高速运动状态。遥测在国民经济、科学研究和军事技术等方面得到广泛应用。利用遥测可以实现集中
15、监测，提高自动化水平，提高劳动生产率，改善劳动条件，提高调度质量。遥测为科学研究提供了一种重要的测试手段，使原来难以进行实测的研究项目，取得重要的动态性能数据。实际遥测系统包括有传感器、通信设备和数据处理设备。传感技术和信号传输技术是遥测的两项关键技术。传感器的精度、响应速度和可靠性以及通信系统的传输速度和抗干扰能力等决定了遥测系统的性能。现代遥测系统广泛应用高精度的传感器、数字通信和电子计算机等先进设备。最先进的遥测系统则是航空航天遥测系统。遥测系统也可以看作是一类特殊的通信系统。因此遥测常按信号传输方式来进行分类。如有线遥测和无线遥测，时分遥测和频分遥测，模拟遥测和数字遥测，实时遥测和循环
16、遥测等。此外，利用现代技术对大型储水罐进行多点水位的遥测与控制有利于合理利用水资源及应用于各个生产领域，如：用于生产电能的电厂储水罐，等。这些地方所处环境恶劣，或处于高速运动状态，或处于高温状态。因此，对其实现遥测有利于提高自动化水平，提高劳动生产率，改善劳动条件，提高调度质量。实现统一监测，统一控制，统一管理。遥测的数据传输网络可以由有线和无线信道组成。有线信道一般传输的信号质量较好。但因遥测子站不便于移动，使用受到了一定的限制。在有条件的地区，使用有线传输仍是优选方案。无线信道可以使遥测子站方便的移动，给站点的选择带来了很大的方便。无线信道在采取相应的技术措施后，数据通信质量完全可以满足实
17、际要求。测站功耗很低，一般采用无线通讯方式就能满足水文遥测要求。同时无线信道可以使遥测子站方便地移动，给站点的选择带来很大的方便。可见，对水利系统的无线遥测可以大大提高工作效率，改善劳动条件，同时为人们实时控制水资源的合理利用带来了便利。1.2 国内外研究现状随着科技的快速发展，通过深入的研究，现在对于水资源的合理利用在于如何进行系统有效的管理与监控，发达国家大多采用远距离的系统遥测，这样有利于提高效率，改善工作环境，提高自动化水平，同时能快速的反映水资源的信息，以便快速作出应对措施。随着社会的不断进步与发展，合理利用水资源已经成为一个全球注目的焦点之一。在我国水源源头生态环境破坏严重情况下，
18、水资源形式严重，我们不但要保护好水源源头的生态环境，更应当合理利用水资源，而水利系统的遥测与控制适应了时代发展的需要，有着广阔的科学与经济前景。我们应参考国内与国外各种水利遥测与控制的方案，取其精华，结合实际情况与经济效益，开发一种符合地方性特点的水利遥测方案。1.3 主要研究目标以及内容 完成水位数据采集系统的设计； 完成水位控制器系统的设计； 完成数据收发系统的设计。1.3.1 设计的主要内容本论文主要对大型储水罐多点水位遥测与控制系统做了研究与探索，所做的主要工作归类如下： 设计出单片机与PLC相结合的水位遥测与控制系统的总体工作原理； 比较几种常用的数据通信方式，分析GSM短消息通信方
19、式的特点； 应用所学的单片机与PLC技术完成系统的原理方框图设计，并进而完成具体的硬件设计； 完成软件流程图设计。1.3.2 设计的关键技术问题 如何优化设计水位的监测与控制系统； 如何实现数据的接收与发送。2 系统结构设计2.1 系统的结构设计系统的结构包括：储水罐，检测系统，数据收发系统，中心站，控制系统。结构图如图2-1所示：图2-1 系统的结构图 中心站： 中心站的功能中心站由个人计算机和数据接收器组成，中心站负责接收测站传送过来的数据并提供实时显示、系统设置、数据查询、报警显示、报表和安全维护共7个模块组成。 中心站的数据收发系统采用SIEMENS TC35T TC35IT GSM
20、MODEM（西门子）作为连接电脑用户的无线通讯媒介。蜂窝通信引擎TC35IT终端是Siemens推出的新一代GSM通信模块。它设计小巧、功耗很低，可以为很多通信应用提供经济高效的解决方案。适用的范围包括：便携电脑的低功耗通信设备，遥测遥感、远程信息处理和通信等工业领域。 检测系统： 测站的测量系统结构采用的差压变送器是北京华毅澳峰自动化设备有限公司生产的 SOLUTION - S402一体化压力变送控制仪测量水位数据。 测站的数据收发系统：采用AT89C51单片机将数据采集系统（SOLUTION - S402一体化压力变送控制仪）和发送系统（西门子 TC35i GSM无线通讯模块）连接起来。
21、控制系统采用PLC机与计算机的连机，将中心站发送来的命令做处理，实现对供水电机系统与放水阀门系统的控制。 系统的原理图设计：检测系统通过传感器对水位的检测获得的数据变送输出给微机系统，微机系统通过取得的数据进行分析与处理并将处理的结果通过无线通讯（GSM）方式发送给中心站（远程用户计算机），中心站根据需要将预处理程序发送给控制系统，实现对大型储水罐的遥测与控制。原理图如图2-2。图2-2系统检测与控制流程原理图其具体涉及的技术主要有以下几点： 水位数据的采集与转化； 数据的发送与接收； 使用PLC等技术进行系统主控制部分的设计，实现智能化远程控制。2.2 遥测方案的选择2.2.1 几种常用数据
22、通信方式的比较在遥测信息网络中，通信技术是重要环节之一。遥测的数据传输网络可以由有线或无线信道组成。有线信道一般传输数据的信号质量较好，但因遥测子站不便与移动，使应用受到一定的限制。在有条件的地区，使用有线传输仍为优选方案。无线信道可以使遥测子站方便地移动，给站点的选择带来了很大的方便。在采取相应的技术措施后，数据通信质量完全可以满足实际要求。在无线通信方式中，遥测一般可以选择超短波、微波、卫星和GSM移动网等通讯方式。这些通讯方式各有特点： 超短波和微波通讯是利用电磁波进行无线通讯的。一般子站和中心站通过一对调制调解器、无线电台和天馈系统建立通讯网络，可在自报和应答方式下工作。其主要优点是子
23、站选址方便（无线通讯），实时性好，在自报方式下可随时上报数据，运行费用低（频点使用费是固定的，与通讯时间无关）。主要缺点为频点申请困难、信道干扰问题严重、无线通讯网络需要配备专人维护；如果子站距离中心站比较远或中间有障碍物较大，则需要增加中断站；一次性建设费用较高； 卫星通讯是地球站之间利用人造地球卫星转发信号实现的无线电通讯。它是在微波接力通讯技术和航天技术的基础上发展起来的一门新兴的通讯技术。其主要优点是通讯距离远、可用频带宽、通讯容量大、通讯质量高、成本与通讯距离无关，特别适合边远地区、经济不发达地区和移动通讯网未覆盖的山区。而且卫星提供精确授时，便于整个通讯系统校时。缺点为一次性建设费
24、用高，运行费用也高（按传输数据字节收费）；使用不同的卫星实时性不同，快则几秒，慢则以小时计算。在数据传输量不大的系统使用该通讯方式会造成职员浪费。 GSM短消息通讯是利用中国电信或中国联通提供的GSM移动电话通讯网中的短消息服务来传送数据。中国以建立了覆盖全国的GSM数字蜂窝移动通讯网。它提供多种业务，主要有话音业务、短消息业务、数据业务等。GSM短消息业务利用信令信道传输，是该通讯网所特有的。他不用拨号建立连接，直接把要发送的信息加上目的地址发送到短消息服务中心，由短消息服务中心再发送给最终的信宿，短消息每次发送限制在160个英文字符内。GSM通讯的优点在于该系统是目前基与时分多址技术的移动
25、通讯体制中最成熟、最完善、应用最广的一种系统，其覆盖范围较大，安装方便，无需用户进行通讯平台投资，运行费用低。缺点在于数据的实时性较差（快的几秒，慢的12min）；每次发送的数据量较小。遥测大型储水罐的特点是，水位变化比较缓慢，可以分时采样一组数据，检测系统数据量不大，实时性要求不高。2.2.2 GSM无线通讯模块短消息的控制指令 短消息指令集。以法国wavecom公司的无线MODEM模块为例，其控制指令有17个大类，200多条，由与模块功能强大，虽然只用他的短消息功能，但系统的其他相关指令也必须涉及才可以控制模块工作，如：呼叫控制（Call Control commands）、网络服务（Ne
26、twork commands）、及一些特殊AT指令（Specific AT commands）等等，当然使用最多的还是短消息（SMS）控制指令。 读取SIM卡中数据。当对无线模块进行初始化设置后，收到的短消息会自动存入SIM卡中，单片机对无线MODEM发出读数据指令后，可立即收到模块从SIM卡取出的数据码，数据格式为：所有字符均为ASC码。 控制模块发送短消息。发送短消息的命令格式如下：2.2.3 遥测方式的确定 通信方式的选择经过查阅资料显示，测站功耗很低，一般采用无线通讯方式就能满足水文遥测要求。同时无线信道可以使遥测子站方便地移动，给站点的选择带来很大的方便。有线信道和无线信道相比传输的
27、信号质量较好，但应用受到了一定的限制。无线信道在采取相应的技术措施后，数据通信质量完全可以满足要求。但为了满足各种场合、各种要求的需要，可以考虑采用有线和无线并用的方法。在有条件的地区，使用有线传输仍是优选方案。可见，此次实验采用无线通讯方式为优选方案。 无线通讯方式的选择通过资料的考证，在众多的遥测技术中如：短波、微波、卫星、GSM等技术中，考虑经济性和实用性，在此次实验用选用GSM系统进行遥测。 GSM的优点在于该系统是目前基于时分多址技术的移动通信体制中最成熟、最完善、应用最广的一种系统，其覆盖范围大，安装方便，无需用户进行通讯平台投资，运行费用低。GSM每条短信息可传输160个字节，按
28、数据存储格式，一次可以传输3个多月的存储数据，完全可以满足数据的发送要求。通过对上述无线通讯方式的比较得出，在水位遥测数据传输中，采用GSM短消息通讯是最佳方式。每条短消息可传输160字节，按数据存储格式，一次可以传输3个多月的存储数据，完全可以满足数据发送的要求，从建设费用和运行费用角度看也是最佳方案。2.2.4 在水位遥测数据通信中的应用方案系统采用应答方式进行数据传输。首先由中心站对子站进行呼叫。得到应答回码后，在发送要数据命令的短消息。子站根据中心站的命令，去采集相应的数据。经过运算整理编码后，打包发送给中心站。中心站收到子站的短消息数据后，按通讯协议拆包，分别进行相应的运算处理，送入
29、数据库。无线通讯与有线方式不同，有线是点对点的在线方式的通讯，数据的有效性很容易识别，而无线通讯则不然，开机后首先收到的短消息中不一定是有用数据，可能是前一天的某个未接收的数据，也可能是广告信息，因此需要加以区分。 中心站的信息判别和处理。按照通讯协议和标识码判断数据是否正确，不正确时剔除；收到与所要数据不符时，亦剔除； 子站的信息判别和处理。与通讯协议不符的命令不予理会；超时没有收到命令时，控制系统掉电，等待下次通讯。2.3 本章小结本章主要介绍了系统的设计思路；并分析几种典型通讯方式的优点与缺点，最终确定系统的通讯方式；同时，对系统的结构进行了初步勾画。3 系统硬件设计3.1 系统的硬件原
30、理图设计水位遥测与控制的工作原理是：对被测量（大型储水罐），利用差压变送器对其进行数据的采集，将采集的数据进行模数转换后输送给AT89C51单片机，AT89C51单片机通过控制GSM手机模块将搜集的数据发送给远程的用户计算机，用户端根据测量的水位报表数据（采用数据库存储，其软件处理由北京华毅澳峰自动化设备有限公司生产提供），根据需要，将水位的控制信号（程序）发送给水位控制端的计算机系统，实现对水位的遥测与控制处理。硬件原理图如图3-1所示。图3-1 水位遥测与控制系统原理图其具体涉及的技术主要有以下几点：1 大型储水罐水位测量系统的设计及安装；2 数据的采集与发送系统的设计；3 实现通讯系统与
31、远程处理控制端的连机；4 控制系统的设计。3.2 水位数据采集系统的硬件设计3.2.1 差压变送器的安装差压变送器的安装如图3-2所示。图3-2 水位检测方法安装示意图3.2.2 差压变送器的介绍与应用本次测量采用的差压变送器是北京华毅澳峰自动化设备有限公司生产的 SOLUTION - S402一体化压力变送控制仪。如图3-3所示。图3-3 SOLUTION - S402一体化压力变送控制仪其参数及使用方法见附录1。SOLUTION - S402一体化压力变送控制仪的特点： 介质压力与环境温度能同时显示（采用稳定性能极好的压力传感器及先进的单片机控制系统）； 功能强大：集测量显示、变送输出、报
32、警监控及数据采集通讯为一体，减少辅助设备； 操作简单：现场即可通过面板按键对压力显示值及时清零，具备完全参数化设定调校及数字滤波功能； 多点报警输出，多种报警方式，满足一般控制现场所有设置参数都存储在非易失的存储器中； 耐振动、抗冲击、寿命长； 采用RS232、RS485通讯方式； 外型采用全密封式结构，防水、防爆、防腐，适于野外； 全天候条件下工作。3.3 数据收发系统的硬件设计（水位测量端）3.3.1 数据收发系统的硬件电路图设计本次设计将采用AT89C51单片机与西门子TC35系列的TC35i的连接来实现。西门子TC35系列的TC35i特点与功能见附录2。TC35i模块主要由GSM基于处
33、理器、GSM射频模块、供电模块、闪存、ZIF连接器、天线接口六部分组成。通过ZIF连接器与单片机实现电路接口，该接口读取或发送TC35i模块中心的数据。TC35i与单片机的硬件接口如3-4所示。图3-4 TC35i与AT89C51单片机的硬件接口电路单片机与TC35i的软件接口就是单片机通过AT指令控制手机的控制技术，首先设置TC35i模块的工作模式：AT+CMGF=n,n=0为PDU模式；n=1为文本模式；在此，我将其设置为PDU模式，在这种模式下，能传送或接受透明数据（用户自定义的数据，即发送来自差压变送器输出的电压数字信号（压力转化对比信号）及温度数字信号，或接收来自远程控制端发送的差压
34、变送器的控制程序的信号。）AT+CMGR=n为读取TC35i模块短消息数据，n为短消息号。AT+CMGL=n为列出TC35i模块内的短消息，n=0是未读的短消息，n=1位已读的短消息,n=2位未发送的短消息，n=3位已发送的短消息，n=4为所有短消息。AT+CMGD=n为删除TC35i模块的短消息，n为短消息的编号。3.4 数据接收发送端的硬件设计（用户端与控制端）本次将采用SIEMENS TC35T TC35IT GSM MODEM（西门子）作为连接电脑的无线通讯媒介。产品外观图如图3-5所示。图3-5 产品外观图蜂窝通信引擎TC35IT终端是Siemens推出的新一代GSM通信模块。它设计
35、小巧、功耗很低，可以为很多通信应用提供经济高效的解决方案。适用的范围包括：便携电脑的低功耗通信设备，遥测遥感、远程信息处理和通信等工业领域。产品性能： 支持EGS900和GSM1800双频 支持语音、数据、短消息和传真服务 低功耗：处于睡眠状态时仅3.0mA电流 支持三种语音编码的传送速率 基本免提操作，标准协议的认证 采用GSM Phase2/2+标准 体积大小：54.5mm*36mm*6.7mm工业级CDMA外置无线Modem无论何时何地通过手提电脑都可自由移动上网。就像有线上网功能一样，不受WPA限制。适用于所有主要的操作系统，包括WINDOWS（XP，2000，NT，98，95,ME）
36、。基于CDMA网络开发的无线高速外置式MODEM,铝质外观,精致小巧，待机状态仅耗电5毫安。使用标准RS-232接口，台机、手提电脑均可使用。其特性、硬件电路、软件及使用方法见附录2。3.5 排水系统的硬件设计3.5.1 排水系统的阀门选择在流体管道系统中，阀门是控制元件，其主要作用是隔离设备和管道系统，调节流量，防止回流，调节和排泄压力。由于管道系统选择最适合的阀门显得非常重要，故了解阀门的特性及选择阀门的步骤和依据也变得至关重要起来。阀门行业到目前为止，已能生产种类齐全的闸阀、截止阀、节流阀、旋塞阀、球阀、电动阀、隔膜阀、单向阀、安全阀、减压阀、蒸汽疏水阀和紧急切断阀等12大类、3000多
37、个型号、4000多个规格的阀门产品；最高工作压力为600MPa，最大公称通径达5350mm，最高工作温度为1200；，最低工作温度为-196；，适用介质为水、蒸汽、油品、天然气、强腐蚀性介质(如浓硝酸、中浓度硫酸等)、易燃介质(如苯、乙烯等)、有毒介质(如硫化氧)、易爆介质及带放射性介质。阀门承压件材质铸铜，铸铁，球墨铸铁，高硅铸铁，铸钢，锻钢，高、低合金钢，不锈耐酸钢，哈氏合金，因科尔镍、蒙乃尔合金，双相不锈钢，钛合金等。并且能够生产各种电动、气动、液动阀门驱动装置。 阀门的特性： 使用特性：它确定了阀门的主要使用性能和使用范围，属于阀门使用特性的有：阀门的类别(闭路阀门、调节阀门、安全阀门
38、等)；产品类型(闸阀、截止阀、蝶阀、球阀等)；阀门主要零件(阀体、阀盖、阀杆、阀瓣、密封面)的材料；阀门传动方式等。 结构特性：它确定了阀门的安装、维修、保养等方法的一些结构特性，属于结构特件的有：阀门的结构长度和总体高度、与管道的连接形式(法兰连接、螺纹连接、夹箍连接、外螺纹连接、焊接端连接等)；密封面的形式(镶圈、螺纹圈、堆焊、喷焊、阀体本体)；阀杆结构形式(旋转杆、升降杆)等。 选择阀门应遵循的原则： 截止和开放介质用的阀门：流道为直通式的阀门，其流阻较小，通常选择作为截止和开放介质用的阀门。向下闭合式阀门(截止阀、柱塞阀)由于其流道曲折，流阻比其他阀门高，故较少选用。在允许有较高流阻的
39、场合，可选用闭合式阀门。 控制流量用的阀门：通常选择易于调节流量的阀门作为控制流量用。向下闭合式阀门(如截止阀)适于这一用途，因为它的阀座尺寸与关闭件的行程之问成正比关系。旋转式阀门(旋塞阀、蝶阀、球阀)和挠曲阀体式阀门(夹紧阀、隔膜阀)也可用于节流控制，但通常只能在有限的阀门口径范同内适用。闸阀是以圆盘形闸板对圆形阀座口做横切运动，它只有在接近关闭位置时，才能较好地控制流量，故通常不用于流量控制。综上所述，为了很好的控制流量，将采用碟阀进行排水阀门控制，其优点在于能很好的控制流量，但口径应用受到一定的限制，可以通过开通多个排水口突破这个限制。3.5.2 排水系统的硬件设计采用PLC控制四象步
40、进电机实现对阀门的微调控制。四相步进电机的控制要求： 能对四相步进电机的转速进行控制； 可实现对四相步进电机的正反转控制； 能对四相步进电机的步数进行控制。运动速度的控制:步进电机的转速取决于输入的脉冲频率。从图3-6可以看出，当改变输入脉冲的周期时，ABCD四相绕组高低电平的宽度将发生变化。这就导致通电和断电变化的速率发生变化，使电机转速发生变化。所以调节输入脉冲的周期就可以控制进电机的运动速度。图3-6 脉冲分配波形图图3-6 脉冲分配波形图正、反转控制:步进电机的正、反转控制可通过改变步进电机各绕组的通电顺序来改变其转向，四相双四拍步进电机通电顺为ABBCCDDAAB时电机正转；当绕组按
41、ADDCCBBAAD顺序通电时电机反转因此，可以通过PLC输出的方向控制信号改变硬件环行分配器的输出顺序，或经编程改变输出脉冲的顺序来改变步进电机绕组的通电顺序实现步数控制：步进电机每输入一个电脉冲就前进一步，其输出的角位移与输入的脉冲数成正比。因此可以根据步进电机的输出位移量确定PLC输出的脉冲个数，即可实对步进电机的步数控制。见公式3-1： n=L (3-1)式中 L为步进电机的输出位移量(mm)；为机构的脉冲当量(mm脉冲)。步进电机驱动电路如3-7所示：图3-7 步进电机驱动电路图图3-7中仅为一相的驱动电路。其余三相与之相同在图3-7中三极管T1起开关作用。当三极管截止时，无集电极电
42、流流通，开关相当于断开；当三极管饱和时，流过的集电极电流最大。开关相当于闭合，该开关“动作”可由加于基极的电流来控制。由T2、T3两个三极管组成达林顿式功放电路，驱动步进电机的4个绕组使电机绕组的静态电流达到近15A。电路中使用光电耦合器将控制和驱动信号隔离。当控制输入信号为低电平时，T1截止，输出高电平，则红外发光二极管截止，光敏三极管不导通因此绕组中无电流流过；当输入信号为高电平时，T1饱和导通，于是红外发光二极管被点亮，使光敏三极管导通，向功率驱动级晶体管提供基极电流使其导通，绕组被通以电流。3.6 供水系统的硬件设计3.6.1 供水管道的硬件设计供水管道设计如图3-8所示：图3-8 供
43、水管道的设计图3.6.2 供水电机的硬件设计为了供水需要，当急需大量供水时，就需要多台电机同时启动进行供水，因此需要利用一台自耦变压器起动多台电动机，满足供水要求。利用一台自耦变压器起动多台电动机应满足以下电气控制要求： 当任意一台电动机起动过程中，其它电动机都不能起动，该电动机起动结束后才能起动下一台电动机； 起动任何一台电动机时，首先使该台电动机与自耦变压器连接。减压起动， 不应有直接启动的可能性； 起动结束后，应先暂时断开电动机电源，使自耦变压器处于空载时在将其切除以减小触头电弧，提尚其使用寿命，然后才将电动机接交流电源，让其全压运行； 连续起动多台电动机后要让自耦变压器能降温一阵，避免
44、舟耦变压器因过热而烧毁； 对电动机应有必要的保护措施。 主电路设计以自耦变器起动n台电动机为例。主电路设汁如图3-9所示，本次介绍采用一台自耦变压器起动5台电动机。 故n=5。图3-9 多台电机启动主电路起动5台电动机的主电路由一台自耦变压耦变压器、11个接触器、6个隔离开关和5个熔断器组成以M1为例，当电动机起动时通过QF0、KM0、自耦变压器T、KM11给电动机回供电，如电动机正常运行，则通过QF1、KM1和热继电器FR1组成回路供电。 控制电路设计控制电路如图3-10所示。根据控制系统的要求每台电动机应设一个起动按钮和一个停止按钮。同时电动机过载信号也要通过热继电器反愦给PLC。为了节省
45、PLC的输入电数，可将每台电动机的过载保护继电器的常开触头与停止按钮的常开触点并联后作为一个信号提供给PLC，这样可以降低控制系统的成本。由电路可知，每台电动机由两个接触器控制，自耦变压器主电路控制需要一个接触器，因此N台电动机控制需要2N+1个接触器。这样，根据所要控制的电动机的数目，就可以确定PLC的I/O点数，进行确定PLC的具体型号，由于还需要实现其他功能，本文选用三菱FX2n-48MR型PLC作为控制器。对于5台电动机，SB01SB05分别为电动机M1M5的停止按钮。与停止按钮并联的FR1FR5将过载信号送入PLC。KM0是自耦变压器的电源控制接触器。KM1KM5分别是电动机与电源连
46、接的接触器。KM11KM15分别是电动机与自耦变压器连接的控制接触器。图3-10 控制电路图3.7 本章小结本章介绍了系统的整体工作原理，并针对系统的各个部分进行了硬件的选择与设计，给出了系统的检测与遥控的整套方案。设计的内容主要有：测量端的数据发送系统的硬件设计，排水系统的硬件设计；供水系统的硬件设计。4 系统软件设计4.1 数据收发系统的软件设计（水位测量端）基于GSM模块与AT89C51的应用程序设计。4.1.1 模块中与SMS有关的GSMAT指令介绍 GSM引擎模块提供的命令符合GSM07.05和GSM07.07规范。GSM07.07中定义的AT Command接口，提供了一种移动平台与数据终端设备之间的通用接口；GSM07.05对短消息作了详细的规定。在短消息模块收到网络发来的短消息时，能够通过串口发送指令信息，数据终端设备可以向GSM 模块发送各种命令。与SMS有关的GSM AT指令如表4-1所示。GSM AT指令集，是由诺基亚、爱立信、摩托罗拉和HP等厂家共同为GSM系统研制的，其中包含了对SMS的控制。 PUD编码规则目前，发送短消息通常用Text和PUD（Protocol Data Unit,协议数据单元）模式。使用Text模式收发短信代码很简单，实现起来很容易，但最大的缺点是不能收发中文短信；而PUD模式不仅支持中文短