超聲波數控水位自報儀技術的研制

史 磊

（南水北調中線干線工程建設管理局河南直管建管局平頂山項目部，河南 魯山 467300）

1 研發背景

水位觀測是防汛工作的重要組成部分，是工程運行工作的基礎，是做好汛期人員調度、料物配送、搶險指揮、防汛預警工作的最基本的工作。在每年的調水調沙及主汛期期間，水位觀測顯得尤為重要，無論天氣、道路情況多么惡劣，都要求一線職工定時向上級防汛部門報送水位情況，有時甚至要求5分鐘一次，觀測人員日夜堅守在觀測崗位，為保證圓滿完成這項工作付出了辛勞的汗水。為了解決這一問題，減輕一線職工的工作強度，改變傳統的人員觀測形式，推動治黃工作向科技方向發展，有必要研究開發出一種能夠根據水位變化借用通訊網絡將水位變化情況定時向上級主管部門、領導發送的儀器，代替人員觀測，以便及時決策。

2 研發思路、目標、技術特征

2.1 研發思路

水位觀測觀測的是水位的高低，是一個連續變化的模擬量，它既不是電壓也不是電流，如何將這一變化的模擬量進行轉變，變成信息內容，通過手機發送出去，手機又如何進行操作，這是本儀器研發工作要解決的基本問題。

通過對家用電器的遙控器進行認真研究，從中發現遙控器每個按鍵下面都有一對觸點，按鍵按下兩點接通，執行相應功能。如果將手機的觸點用導線引出，導線接通就等于按下此鍵，將一條信息的發布按鍵步驟通過一段程序由編程控制器來完成就達到自動發送的目的。

在自動化控制中，非電流電壓信號稱為模擬信號或模擬量，模擬量轉換標準的電流或電壓、標準的電流或電壓轉換成模擬量有專用轉換模塊，通過該模塊將水情變化量輸送給可編程控制器，由可編程控制器通過執行編寫的程序對轉換的數字量進行運算，使控制器輸出觸點接通，驅動手機工作。

2.2 研發目標

通過各功能部件的選配組裝，能夠準確、自動多點的傳送水情信息，有效地克服了固定接收、一站一機現象。

能夠執行水情和其他液面的觀測，按照預設時間將觀測信息進行自動發送。

具有短信過濾或返回功能，可遙控調整發送時間段，并能遙控處理一些小的故障。

具有功能擴展作用，根據用戶要求，配置短信群發設備可進行大面積群發，并通過電腦儲存、打印，作為基礎資料長期保存。

3 技術方案

在所觀測的液面上安裝一浮子，隨水位的變化浮子上下浮動，使其拉動旋轉編碼器轉動，將編碼器所產生的脈沖輸入可編程器的輸入觸點，進行運算分析，使可編程控制器輸出觸點接通，與之相接的手機觸點接通，模擬完成手機按鍵功能，按照程序設定，完成程序編寫發送功能。

4 儀器設計組成

可編程控制系統、編碼系統、信息發送系統。下面將相同系統進行介紹：

4.1 可編程控制系統

可編程控制系統是工業控制的可編程控制器（programmable Logic Comroller）簡稱PLC，它應用面廣、功能強大、使用方便，已成為當代工業自動化控制的主要設備。可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計。根據水位觀測要求和相關配套設備的要求，選用日本三菱微型可編程控制器MWLSEC FX2N—48MR型。

4.2 信息收發系統

信息收發系統主要由一部性能可靠的手機改裝而成，將手機的各鍵觸點用導線引出，通過PLC程序控制操縱各輸出觸點，使手機相應鍵閉合或斷開，達到人工按鍵的目的，進行信息發送。由于本儀器安裝在野外，現場調整費工費時不方便，本儀器設置了遙控調整系統。該系統是將手機振動電機的驅動線引出，驅動一個3伏的小型繼電器，將手機設置在振動狀態，通過撥打手機，使繼電器根據手機振動頻率觸點斷開、閉合，操叢PLC相應輸入觸點斷開、閉合，使發送時間程序進行切換、信息攔截。

5 控制程序的設計

5.1 開機程序

在停電或關機后，整個儀器停止工作，手機處于關閉狀態。來電情況下，手機如仍處在關機狀態，所采集的信息就發送不得。這段程序主要由PLC內部的特殊輔助繼電器M8000來控制。通過該繼電器來控制一時間繼電器，一時間繼電器再控制另一時間繼電器。

5.2 水情信息采集程序

情信息采集程序是X0接通后，通過模擬塊轉換，將水位變化的模擬量轉換為標準的數寄存在數字寄存器D100中。通過加法運算對3次采集的數據進行相加并除以3，將結果存放在D11中，這里不再敘述，在工作原理中進一步說明。為了延長設備的使用壽命，在程序設計中超聲波傳感器在數據采集前30s開機，第三次采集后30s關機。

5.3 工作循環程序

由于是自動發送，要求無人操作的情況按照預設的時間段進行發送，這里設計的是5個大的時間段，操作人員進行遙控設定，每個時間段又分5個時間點，第1點為超聲波傳感器的開機點，2、3、4點為數據的采集點，第5點為超聲波傳感器關機點，開機點和關機點的設定主要是為了減少傳感器的工作時間，延長使用壽命。時間段的5個點通過已閉合的時間繼電器融點和置位指令將下一計數器復位，由驅動復位的計數器進行時間計數，達到預設時間值時，常開觸點閉合，驅動相應器件工作，同時對下一個計數器復位，第5點計數器對第1點復位，這樣就構成循環控制程序。

5.4 遙控調整程序

為了適應工作的要求，設定了不同時間預報的程序，時間段相互間如何轉變，由控制人員用手機撥打本儀器手機號碼，手機接通時輸出電流驅動繼電器，使PLC的輸入觸點閉合或斷開，控制發送時間段的轉換。為了區別其他來電導致發布時間段的調整，在調整時首先按照程序的設定撥通本儀器手機，一聲即關，60s后再撥通，操作時間為60s。具體為2聲為10min段，3聲為30min段，4聲為1h時間段，5聲為4h時間段，6聲為24h時間段，操作時間為60s，60s后無效，需重復以上操作。

5.5 過濾抗干擾程序

在各時間段中，本儀器內置手機在每個時間段的后3min內，進行信息的編輯，手機的確認鍵不時接通，如果在此期間，有手機呼叫，將可能接通手機，使發送功能喪失。為了解決這個問題，將手機在此時間段信號線路切斷，在其他時間段恢復，保證時間段的調整和信息的發送。在手機的使用中，不時收到短信，使手機出現短信畫面，破壞信息的發送狀態，需要按動返回鍵。在程序設計中編寫了短信返回程序，其主要是根據短信的振動頻率與來電頻率不同而設計的。在來電調整或誤呼時，不能同時達到以上兩個條件，此段程序不執行，這樣既不影響來電遙控調整，又能達到拒收短信的目的。

6 社會效益和經濟效益分析

本儀器的成功研發，能夠大大降低一線職工的勞動強度，能夠準確及時地了解水位的變化情況，向領導、防汛部門提供水位、水情信息，便于領導及時決策。同時也推動治黃工作向科技化方向發展。