基于嵌入式技術(shù)的取水計(jì)量監(jiān)測(cè)站運(yùn)行狀態(tài)巡檢技術(shù)研究

（安徽?。ㄋ炕春铀瘑T會(huì)）水利科學(xué)研究院，230094，合肥）

隨著國(guó)家加大水資源監(jiān)控能力建設(shè)，省、市、縣各級(jí)政府逐步開展了對(duì)用水企業(yè)的取水計(jì)量與監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了取水?dāng)?shù)據(jù)的集中采集、匯集及使用，為最嚴(yán)格水資源管理和節(jié)水建設(shè)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。但是受限于各取水站點(diǎn)位置分散、故障因素復(fù)雜、維護(hù)技術(shù)要求高等因素，建成的水資源取水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在運(yùn)行維護(hù)方面存在難度大、成本高等問題，給各地帶來(lái)較大經(jīng)濟(jì)壓力與管理困難。

要保證取水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)久穩(wěn)定運(yùn)行，需借助嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)、“互聯(lián)網(wǎng)+”等先進(jìn)技術(shù)手段開展對(duì)取水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障的在線監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程巡檢，降低系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)的盲目性，提升運(yùn)維效率，降低運(yùn)維成本，保障取水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

一、取水計(jì)量監(jiān)測(cè)站故障類型分析

取水監(jiān)測(cè)站由計(jì)量設(shè)備、供電設(shè)備、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備等部件構(gòu)成。對(duì)水資源取水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)運(yùn)維情況的長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示，取水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)故障主要可分為計(jì)量設(shè)備故障、供電系統(tǒng)故障、監(jiān)測(cè)RTU故障、通信信道故障等類型。

1.計(jì)量設(shè)備故障

按照工作原理分類，水資源取水計(jì)量設(shè)備主要包括超聲波流量計(jì)、電磁流量計(jì)、光電直讀水表，各類計(jì)量設(shè)備均包括供電模塊、通信模塊及計(jì)量模塊。在實(shí)際應(yīng)用中，計(jì)量設(shè)備故障可細(xì)分為以下三種：①供電故障：市電供電流量計(jì)斷電，或電池供電的流量計(jì)電池電量不足；②通信故障：計(jì)量設(shè)備通信模塊損壞或通信用線損壞；③計(jì)量異常：傳感器信號(hào)不穩(wěn)定，無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)量數(shù)據(jù)。

2.供電系統(tǒng)故障

供電系統(tǒng)是取水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)正常工作的基礎(chǔ)。野外取水監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電源容易遭到破壞，位于企業(yè)工作間的取水監(jiān)測(cè)點(diǎn)可能會(huì)因?yàn)楣ぷ魅藛T誤操作導(dǎo)致設(shè)備斷電。此外，取水泵啟停時(shí)引起的電壓瞬間大范圍變化亦可導(dǎo)致供電設(shè)備損壞。常見供電系統(tǒng)故障類型如下：①市電斷電：市電供電的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)因市電斷電導(dǎo)致設(shè)備供電系統(tǒng)斷電；②開關(guān)電源損壞：市電正常，但開關(guān)電源輸出電壓出現(xiàn)故障，無(wú)法為遙測(cè)終端及無(wú)線傳輸設(shè)備等供電；③蓄電池饋電：蓄電池供電的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，因蓄電池老化、短路、破壞等因素導(dǎo)致蓄電池?zé)o法正常供電。

3.監(jiān)測(cè)RTU（遙測(cè)終端）故障

RTU是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部件，也是監(jiān)測(cè)站的“大腦”，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的上傳下達(dá)。在實(shí)際應(yīng)用中，監(jiān)測(cè)RTU故障可分為以下兩種：①RTU死機(jī)：電源電壓波動(dòng)或程序長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行進(jìn)入錯(cuò)誤死循環(huán)導(dǎo)致RTU死機(jī)，監(jiān)測(cè)中心無(wú)法讀取RTU數(shù)據(jù)；②數(shù)據(jù)采集模塊損壞：RTU數(shù)據(jù)采集模塊損壞，導(dǎo)致RTU無(wú)法讀取流量計(jì)數(shù)據(jù)或無(wú)法與無(wú)線傳輸模塊通信。

4.通信信道故障

通信信道屬于系統(tǒng)的傳輸層，是平臺(tái)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄骸１O(jiān)測(cè)點(diǎn)與平臺(tái)之間的通信故障主要分為以下兩種：①GPRS通信模塊故障：由于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，GPRS模塊無(wú)法正常收發(fā)數(shù)據(jù)；②信號(hào)故障：監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置無(wú)線信號(hào)較弱或周圍電磁干擾較大導(dǎo)致無(wú)法正常通信。

5.其他故障

除了設(shè)備本身質(zhì)量問題及運(yùn)行中產(chǎn)生的故障以外，還存在人為破壞監(jiān)測(cè)設(shè)備的情況。監(jiān)測(cè)設(shè)備均應(yīng)安裝于監(jiān)測(cè)箱內(nèi)，只有維護(hù)人員才可打開監(jiān)測(cè)箱，通過監(jiān)測(cè)箱門開啟狀態(tài)可辨別監(jiān)測(cè)設(shè)備是否安全。

二、取水計(jì)量監(jiān)測(cè)站故障監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

取水計(jì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)需通過狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備采集故障信號(hào)，遠(yuǎn)程傳輸至監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，推送至故障診斷子系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)故障的診斷。一般情況下，運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)需要單獨(dú)配置狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，但取水監(jiān)測(cè)站已有具備狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能的遙測(cè)RTU及GPRS模塊，可通過技術(shù)改造增加狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的采集與監(jiān)測(cè)。

1.計(jì)量設(shè)備故障監(jiān)測(cè)

（1）流量計(jì)通信狀態(tài)監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)流量計(jì)通信狀態(tài)無(wú)須增加硬件設(shè)備，可配置RTU核心芯片C8051F020的標(biāo)志寄存器，使該寄存器值反映流量計(jì)通信狀態(tài)，值為1，表示通信狀態(tài)良好，值為0，表示通信中斷。

（2）流量計(jì)蓄電池供電狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷

低功耗電池供電流量計(jì)的計(jì)量及數(shù)據(jù)通信均由自帶蓄電池供電，蓄電池的電量是計(jì)量及數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵。蓄電池電量技術(shù)參數(shù)是其電壓值，因此選取監(jiān)測(cè)其電壓值反映其實(shí)時(shí)電量。

蓄電池電壓監(jiān)測(cè)需要A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換方式實(shí)現(xiàn)，選用TLC2543芯片進(jìn)行檢測(cè)（圖1）。以片選信號(hào)CS電平為參考，工作過程可分為A/D轉(zhuǎn)換周期和1/0周期兩個(gè)部分。當(dāng)CS=1時(shí)，為A/D轉(zhuǎn)換周期，此時(shí)TLC2543未被選通，其DALAOUT引腳呈高阻態(tài)，為其他芯片讓出總線使用權(quán)；當(dāng)CS=0時(shí)為1/0周期，既通過DATAIN輸入數(shù)據(jù)，又通過DATAOUT輸出數(shù)據(jù)。伴隨著 CLOCK時(shí)鐘信號(hào)，DATAIN向TLC2543輸入控制字，而DATAOUT則輸入上一周期已完成的A/D數(shù)據(jù)。

2.供電設(shè)備故障監(jiān)測(cè)

（1）開關(guān)電源輸出電壓監(jiān)測(cè)

開關(guān)電源輸出電壓為監(jiān)測(cè)箱所有設(shè)備供電，是在線監(jiān)測(cè)的動(dòng)力源。通過TLC2543芯片實(shí)現(xiàn)電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)電源輸出電壓狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。由于開關(guān)電源正常輸出電壓為12V，故當(dāng)電壓值在12V左右時(shí)表示供電正常，否則表示供電異常；供電異常時(shí)，若市電電壓為0則表明現(xiàn)場(chǎng)斷電，若市電電壓正常則可判斷為開關(guān)電源故障。

（2）監(jiān)測(cè)箱蓄電池電壓監(jiān)測(cè)

圖1電壓監(jiān)測(cè)電路圖

監(jiān)測(cè)箱蓄電池電壓約為13.8V。監(jiān)測(cè)設(shè)備正常供電時(shí)，開關(guān)電源輸出一路13.8V直流電為蓄電池充電，當(dāng)開關(guān)電源斷電時(shí)，蓄電池通過開關(guān)電源內(nèi)部電路轉(zhuǎn)換，為監(jiān)測(cè)設(shè)備提供12V電源。

（3）市電供電狀態(tài)監(jiān)測(cè)

市電供電是監(jiān)測(cè)設(shè)備最常用的供電方式。在實(shí)際應(yīng)用中，常會(huì)出現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)停電、供電線路破壞等情況，造成供電異常。據(jù)巡查統(tǒng)計(jì)，約30%的取水計(jì)量監(jiān)測(cè)站故障為供電異常。通過CPU直接監(jiān)測(cè)開關(guān)電源的狀態(tài)標(biāo)志端子，即可監(jiān)測(cè)市電供電情況。當(dāng)市電供電正常時(shí)，該端子為高電平；當(dāng)市電異常時(shí)，該端子為低電平。

3.監(jiān)測(cè)設(shè)備故障監(jiān)測(cè)

GPRS端負(fù)責(zé)采集監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，GPRS設(shè)置通信狀態(tài)標(biāo)志，當(dāng)與RTU通信成功時(shí)為0，當(dāng)與RTU通信失敗時(shí)為1。GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，該標(biāo)識(shí)位信息被一同編碼發(fā)送至監(jiān)測(cè)平臺(tái)，通過平臺(tái)診斷算法進(jìn)行故障診斷、報(bào)警。

4.通信信道故障監(jiān)測(cè)

根據(jù)數(shù)據(jù)收發(fā)情況監(jiān)測(cè)GPRS運(yùn)行狀態(tài)，由平臺(tái)軟件完成故障的監(jiān)測(cè)與診斷。

5.其他故障

其他故障主要為監(jiān)測(cè)箱被人為打開后設(shè)備遭到破壞。為防止這一情況，監(jiān)測(cè)箱應(yīng)只允許維護(hù)人員開啟。對(duì)箱門開啟情況進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)記錄，以便于管理監(jiān)測(cè)設(shè)備。在箱門處安裝限位觸動(dòng)開關(guān)，開關(guān)一端與高電平連接，另一端與一引腳相連，箱門關(guān)閉時(shí)開關(guān)閉合，該引腳電平變?yōu)楦唠娖剑幌溟T開啟時(shí)開關(guān)打開，該引腳電平變?yōu)榈碗娖健Ｍㄟ^監(jiān)測(cè)該引腳電平，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)箱門開啟狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

三、故障自動(dòng)巡檢技術(shù)研究

基于設(shè)備故障信息監(jiān)測(cè)技術(shù)，開發(fā)取水監(jiān)測(cè)故障智能巡檢系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)取水監(jiān)測(cè)站設(shè)備故障信息采集、接收、存儲(chǔ)、分析、診斷、巡檢等，為站點(diǎn)運(yùn)維提供巡檢報(bào)告，支持取水監(jiān)測(cè)定向運(yùn)維與科學(xué)運(yùn)維。故障自動(dòng)巡檢技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

圖2取水監(jiān)測(cè)故障自動(dòng)巡檢技術(shù)架構(gòu)

采用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，開發(fā)定制取水監(jiān)測(cè)故障自動(dòng)巡檢系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)故障信息采集、數(shù)據(jù)接收、分站點(diǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、運(yùn)行狀態(tài)巡檢、故障診斷、故障統(tǒng)計(jì)等功能，并為運(yùn)維人員提供故障查詢、故障展示、運(yùn)維管理及維護(hù)日志等服務(wù)模塊。如圖2所示，故障信息采集是在取水站點(diǎn)數(shù)據(jù)信息采集軟件基礎(chǔ)上，增加運(yùn)行狀態(tài)信息接收及解析功能，形成取水量及運(yùn)行信息一體化采集軟件；故障數(shù)據(jù)接收是對(duì)解析后的站點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行接收管理；分站點(diǎn)存儲(chǔ)是對(duì)接收到的運(yùn)行狀態(tài)信息按照站點(diǎn)、時(shí)間等要素進(jìn)行分類存儲(chǔ)，形成可供巡檢及分析的數(shù)據(jù)；運(yùn)行狀態(tài)巡檢分析是核心模塊，對(duì)接收到的各站點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐一巡查，剔除正常數(shù)據(jù)，留存異常狀態(tài)數(shù)據(jù)，并按照站點(diǎn)與時(shí)間屬性交由故障診斷模塊進(jìn)行詳細(xì)診斷；故障診斷模塊具體甄別故障類型，診斷結(jié)果可為故障運(yùn)維提供故障查詢、展示、管理、日志等服務(wù)。

四、小結(jié)

水資源取水計(jì)量監(jiān)測(cè)體系運(yùn)維決定水資源監(jiān)控能力建設(shè)效果，是最嚴(yán)格水資源管理制度開展、水資源調(diào)度管理及水資源保護(hù)的重要支撐。面對(duì)規(guī)模日益拓展的水資源取水計(jì)量監(jiān)測(cè)體系，只有利用嵌入式技術(shù)，開展取水監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與巡檢，實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源取水計(jì)量監(jiān)測(cè)故障的自動(dòng)診斷，才能有助于提升運(yùn)維效率、降低運(yùn)維成本，保障取水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，為計(jì)收水資源費(fèi)、控制水資源取用總量、節(jié)水管理等業(yè)務(wù)工作的開展提供可靠的技術(shù)保障。