基于RS485總線的閘門多數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)研究

穆清萍 謝少偉

（浙江水利水電學(xué)院，浙江 杭州310018）

0 引言

隨著信息化在水利行業(yè)的不斷推廣，閘門自動化監(jiān)控也日益受到重視，其對水資源的合理調(diào)配、閘門啟閉效率的提高具有重要意義。同時(shí)，隨著各類控制器、傳感器智能化程度的提高，基于現(xiàn)場總線構(gòu)建閘門監(jiān)控系統(tǒng)已十分方便。本文即基于RS485總線，設(shè)計(jì)一種閘門多數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，除傳統(tǒng)的開度、荷重等閘控信號外，還實(shí)現(xiàn)了水文、三相電壓、電流、閘門啟閉圖像、環(huán)境溫濕度等數(shù)據(jù)采集，在實(shí)現(xiàn)閘門監(jiān)控的同時(shí)可以利用RS485總線構(gòu)建一個(gè)水文監(jiān)測點(diǎn)，以節(jié)省水文監(jiān)測所需的通信線路建設(shè)與使用成本。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

圖1為基于RS485總線的閘門多數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。其中PLC、開度儀（包括開度及載荷傳感器）、電氣控制系統(tǒng)（包括電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)）、遠(yuǎn)程PC機(jī)是傳統(tǒng)的閘門遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的基本構(gòu)成。在此基礎(chǔ)上，還增加了多個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)均帶RS485通信接口，采用被動數(shù)據(jù)采集模式與 Modbus RTU（除圖像采集節(jié)點(diǎn)外）通信規(guī)約。數(shù)據(jù)采集時(shí)，閘門控制與保護(hù)信號（如開度儀輸出信號）盡量保證實(shí)時(shí)性，其他信號采用分時(shí)或閘門啟動前后進(jìn)行采集的方式。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

（1）三相電壓、電流數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。選用HXYBU／I-X4系列三相數(shù)顯式電壓、電流表，通過面板可設(shè)置CT、PT的參數(shù)，適應(yīng)不同的互感器參數(shù)要求。

（2）圖像采集節(jié)點(diǎn)。選用ZM-CAM串口攝像頭，支持夜視拍攝，數(shù)據(jù)通信采用命令、應(yīng)答、數(shù)據(jù)3種幀結(jié)構(gòu)，采用512字節(jié)分包傳輸方式。115 200波特率、60×120圖像分辨率時(shí)的圖像傳輸速度可達(dá)4 fps。其圖像拍攝有200 ms的延時(shí)，采用啟動拍攝與獲取圖像數(shù)據(jù)分時(shí)處理的方式。

（3）環(huán)境溫濕度采集節(jié)點(diǎn)。選用SM1810B溫濕度傳感器，測溫范圍－40～＋123.8℃，測溫精度±0.5℃，測濕范圍0～100%RH，測濕精度±4.5%RH。配置2個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，1個(gè)用于測量閘門控制柜內(nèi)的溫濕度，1個(gè)用于測量室內(nèi)環(huán)境溫濕度。

（4）水文監(jiān)測節(jié)點(diǎn)。根據(jù)監(jiān)測的水源環(huán)境水位監(jiān)測可以選擇浮子式、超聲波、壓力式水位傳感器，如UTG21-B超聲波液位計(jì)、PTH601壓力式水位傳感器。流量選用MLF-900堰槽式明渠流量計(jì)。雨量監(jiān)測選用LVYLZ31型雨量傳感器。

2 布線規(guī)范

RS485總線在實(shí)際應(yīng)用中單元數(shù)量較多，分布較廣，現(xiàn)場存在各種干擾，因此下面的布線問題十分關(guān)鍵。

2.1 總線結(jié)構(gòu)

采用手拉手式的總線結(jié)構(gòu)（不能用星型和分叉連接）。如圖1中RS485轉(zhuǎn)RS232模塊的A、B端先引線至采集節(jié)點(diǎn)1的A、B端，再從采集節(jié)點(diǎn)1的A、B端引線至采集節(jié)點(diǎn)2的A、B端，最后從開度儀的A、B端引線至PLC的A、B端。

2.2 終端電阻選擇

對于雙絞線組成的RS485網(wǎng)絡(luò)，終端電阻有兩個(gè)，分別位于雙絞線的兩端，目的是消除由于傳輸線即雙絞線特性阻抗不連續(xù)而帶來的反射信號，在短距離或低波特率數(shù)據(jù)傳輸時(shí)可不需終端匹配電阻。終端電阻的阻值應(yīng)等于雙絞線的特性阻抗（可由生產(chǎn)廠商提供），阻抗120Ω的雙絞線，兩終端匹配電阻為120Ω。

2.3 偏置電阻配置與計(jì)算

如果RS485總線處于空閑狀態(tài)，總線電平處在－200～＋200 m V之間時(shí)（如較小的反射干擾信號），會誤認(rèn)為通信幀的起始位而引起通信不正常，傳統(tǒng)的做法是給總線加偏置。

對于多數(shù)據(jù)采集的閘門控制系統(tǒng)來說，各RS485節(jié)點(diǎn)由不同的廠家生產(chǎn)，為方便偏置電阻的配置與計(jì)算，在訂購產(chǎn)品時(shí)，要求生產(chǎn)廠家在其產(chǎn)品中不加偏置電阻，采用在節(jié)點(diǎn)外進(jìn)行集中配置的方式。圖2為偏置電阻計(jì)算原理圖。R1＝R2為偏置電阻，RZ1、RZ2為終端電阻，R11、R12、R1N為各節(jié)點(diǎn)的負(fù)載阻抗，一般為各節(jié)點(diǎn)所用485芯片的負(fù)載阻抗，如MAX485芯片的負(fù)載阻抗一般為12 kΩ，可由廠商提供?？臻e時(shí)A、B之間的偏置電壓可設(shè)在250～300 mV之間，太高需減小偏置電阻，以免節(jié)點(diǎn)通信時(shí)A、B二線的灌、拉電流增大。確定A、B間的偏置電壓、各節(jié)點(diǎn)的負(fù)載阻抗，便可根據(jù)圖2計(jì)算出R1、R2偏置電阻大小。

圖2 偏置電阻計(jì)算原理圖

3 開關(guān)信號數(shù)據(jù)采集器

目前普遍使用的浮子式機(jī)械編碼水位傳感器、雨量傳感器多為開關(guān)量輸出信號，不帶RS485接口，為此專門開發(fā)了開關(guān)信號數(shù)據(jù)采集器。采集器采用了STC12C5A60S2單片機(jī)，具有60 kB的程序空間，36個(gè)I／O口，內(nèi)置硬件看門狗，有較強(qiáng)的抗干擾能力。

3.1 開關(guān)信號數(shù)據(jù)采集

浮子式機(jī)械編碼水位傳感器（如WFH2）采用12位機(jī)械格雷碼輸出，其12位編碼用3片TL521-4光電耦合器件（每片內(nèi)含4路光耦）隔離后加到單片機(jī)P0.0～P0.7、P1.0～P1.3共12個(gè)口線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。一位編碼的光電隔離線路原理如圖3所示。光耦隔離輸入回路采用閘門電氣控制回路的＋24 V輔助工作電源，輸出回路采用數(shù)據(jù)采集器的＋5 V工作電源，2路電源在電氣上隔離。

圖3 一位編碼(開關(guān)信號)光電隔離原理圖

雨量傳感器常用干簧繼電器產(chǎn)生脈沖信號，每個(gè)脈沖信號表示0.1 mm或0.5 mm或1 mm降雨量。脈沖信號同樣經(jīng)TL521-4光耦隔離，接至單片機(jī)的P3.4（T0）口線，由單片機(jī)的16位計(jì)數(shù)器對脈沖信號進(jìn)行累計(jì)計(jì)數(shù)。原理圖也如圖3所示，K表示干簧繼電器。

采集器還預(yù)留8路開關(guān)信號采集線路，可用作如電氣控制動作等開關(guān)信號的采集。原理圖也如圖3所示，K表示開關(guān)信號。

3.2 RS485通信接口線路

數(shù)據(jù)采集器采用MAX485通信接口線路，MAX485的RO、DI、RE和DE（連接在一起）端經(jīng)高速光耦6N137隔離后分別接單片機(jī)的P3.0（RXD）、P3.1（TXD）、P3.5口線。數(shù)據(jù)采集器的＋5 V電源經(jīng)DC-DC隔離后，為光耦輸入回路及MAX485提供＋5 V電源，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與MAX485之間的電氣隔離。

4 結(jié)語

基于RS485總線，在傳統(tǒng)閘控信號的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了水文、閘控圖像、環(huán)境等數(shù)據(jù)采集，使閘門遠(yuǎn)程控制更加安全可靠。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、性價(jià)比高、擴(kuò)展性強(qiáng)，結(jié)合光終端機(jī)模塊可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控，結(jié)合RS485轉(zhuǎn)GPRS或以太網(wǎng)模塊，可方便構(gòu)成GPRS或以太網(wǎng)閘門多數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)。

［1］劉衍偉，陳淵睿.基于RS485總線的監(jiān)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)［J］.微處理機(jī)，2011（2）

［2］化雪梅.灌區(qū)斗口閘門自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行［J］.甘肅水利水電技術(shù)，2009（1）