CN103970076A - 一种大体积浇注混凝土冷却通水智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大体积浇注混凝土冷却通水智能控制系统，其由上位计算机和/或服务器、计算机智能控制软件包和大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器组成。与现有技术相比，本发明采用单总线温度采样，用软件倍频的技术解决CPU内部计数器丢失脉冲的问题，采用内嵌仿人智能控制算法，采用阀门开度监测电路设计，内嵌以太网通讯模块、WI-FI无线通信模块、ZigBee自组网络无线通信模块，采用多CPU设计，简化了设计，节约了成本，简化了调试；提升了该产品的实用性和技术的先进性。

Description

一种大体积浇注混凝土冷却通水智能控制系统

技术领域

本发明涉及计算机技术、单片机嵌入技术和人工智能控制技术领域，特别是一种大体积浇注混凝土冷却通水智能控制系统。

背景技术

水利水电工程大体积混凝土的通水冷却降温，是解决水利水电工程大坝混凝土水化热引起的温度应力和达到设计要求的封拱灌浆温度必须采取的技术措施。水利水电工程通水冷却技术复杂，为工程建设设计与研究重要内容，目前通水冷却的监控为人工记录，然后根据记录数据进行人工调控。

发明内容

本发明的目的主要是针对水电站大坝建设中大坝大体积混凝土冷却通水参数监测及程序降温的需要，提供一种大体积浇注混凝土冷却通水智能控制系统。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

一种大体积浇注混凝土冷却通水智能控制系统，由上位计算机和/或服务器、计算机智能控制软件包和大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器组成。

进一步，大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器包括多个CPU组成的单总线温度传感器温度采集系统、脉冲式或标准信号式流量计冷却液体流量值采集系统、4-20MA标准信号电动阀门开度值采集系统、控制电动阀门开度的控制系统。

进一步，根据权利要求2所述的大体积浇注混凝土冷却通水智能控制系统，其特征在于：所述多个CPU组成的单总线温度传感器温度采集系统选用一个单片集成电路上集成多个1-WIRE通道的单总线驱动器器件，其次采用单总线温度传感器的驱动器的一个1-WIRE通道只挂一个单总线温度传感器；所述脉冲式或标准信号式流量计冷却液体流量值采集系统利用软件倍频采集脉冲流量；所述大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器的每一个电动阀门的输出控制通道内嵌入仿人智能控制算法；所述4-20MA标准信号电动阀门开度值采集系统是将一路420MA标准信号整型放大器与可控的模拟开关电路相结合，则输入的8路模拟信号先通过各路的可控的模拟开关电路，再到一个共用的4-20MA标准信号整型放大器。

进一步，所述大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器包括8路大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器和单电动阀门大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器。

进一步，所述8路大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器具有24个单总线温度传感器的温度采集电路、8个流量数据的采集电路、8个电动阀门开度值的采集电路、8路电动阀门开度控制输出的电路、内嵌的以太网和WI-FI无线模块，8路大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器和上位计算机和/或服务器之间通过WI-FI无线网络通信。

进一步，所述单电动阀门大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器具有3个单总线温度传感器的温度采集电路、1个流量数据的采集电路、1个电动阀门开度值的采集电路、1路电动阀门开度控制输出的电路、内嵌的以太网模块或ZigBee模块，又增加一个主控器，主控器中也内嵌ZigBee模块和WI-FI无线模块，主控器和上位计算机和/或服务器之间通过WI-FI无线网络通信。

进一步，所述每一个8路大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器内设计了22个CPU，以太网接口或者WI-FI网接口电路中设计了三个CPU，其中接口CPU与主CPU、定时CPU、主控器部分的主控器主CPU连接成内部星型通信系统，主控器中的从CPU与单总线温度采样主CPU、阀门开度监测主CPU、流量采样主CPU、阀门控制主CPU组成内部星型通信系统，单总线温度采样主CPU与它的从CPU组成点对点通信。阀门开度监测电路的两个CPU、阀门开度控制电路的两个CPU、同样组成点对点通信，所有的内部CPU的通讯系统都可以使用RS232接口、SPI接口、I2C接口进行相互通信。

进一步，所述每一个单阀门大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器内设计了2个CPU，两个CPU点对点通信，且增设一个ZigBee主控器，主控器连接128个ZigBee从机，ZigBee主控器内设计了三个CPU，主控器内的接口CPU与每一个单阀门大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器内的主CPU、主控器中的主CPU、定时CPU共同组成星型网络系统，在主控器中，定时CPU电路采用I2C接口，接口CPU和定时CPU以及主CPU之间的通信可以采用RS232、SPI或其它的通用接口，主CPU与上位计算机的接口采用WI-FI无线接口。

进一步，所述每一个单阀门大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器直接安装在电动阀门上，ZigBee主控器通过ZigBee无线网络与每一个单阀门大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器联接。

进一步，所述计算机智能控制软件包包括了WI-FI无线通信系统，可以和大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器进行基于WI-FI的双向通信。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、采用单总线温度采样，节省了找寻ROM码和配置ROM码的繁复的工作量，简化了设计，节约了使用的器件数量，提高了单总线温度传感器温度采样的可靠性；

2、用软件倍频的技术解决CPU内部计数器丢失脉冲的问题；

3、采用内嵌仿人智能控制算法，利用大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器的该通道的采样数据自动计算输出控制量，自动控制电动阀门的输出，达到混凝土自动降温控制的目的；

4、采用阀门开度监测电路设计，节省了7路4-20MA标准信号整型放大器及其副加器件，还节省了7倍的调试时间。实践证明本发明转换精度达到了满度值的千分之一，减小了电路占用面积，节约了成本，简化了调试；

5、内嵌以太网通讯模块、WI-FI无线通信模块、ZigBee自组网络无线通信模块，将先进的无线通信技术内嵌在产品中，提升了该产品的实用性和技术的先进性。

6、采用多CPU设计方法有利于降低设计难度，提高新产品开发速度。

附图说明

图1为本发明实施例中上位计算机和/或服务器与8路大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器无线网络通信示意图；

图2为本发明实施例中上位计算机和/或服务器与ZigBee自组无线网络通信示意图；

图3为本发明实施例中8路大体积混凝土冷却通水智能控制器多CPU设计示意图；

图4为本发明实施例中单阀门大体积混凝土冷却通水智能控制器内部多CPU设计示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1

原有技术单总线温度采样的用法是在一条1-WIRE总线上挂有多个单总线温度传感器元件，为了区分现在采集哪一个单总线温度传感器的温度值，必须先发送表征某个单总线温度传感器唯一性的64位ROM码，才能正确的采集那一个单总线温度传感器的温度值。

而本发明首先选用一个单片集成电路上集成多个1-WIRE通道的单总线驱动器器件，其次采用单总线温度传感器的驱动器的一个1-WIRE通道只挂一个单总线温度传感器器件的方法，那么，在采样温度时就不用先将64位ROM码发给单总线温度传感器的驱动器，然后才能读出单总线温度传感器内存中的18字节的温度参数。因此也就不用先进行读出单总线温度传感器的64位ROM码，再放入产品存储器中备用的工作。只需选中单总线驱动器的某个1-WIRE通道，直接读取该通道上的单总线温度传感器的温度值即可。本发明创新技术节省了找寻ROM码和配置ROM码的繁复的工作量，简化了设计，节约了使用的器件数量，提高了单总线温度传感器温度采样的可靠性。

本发明的重要实用价值是：如果工程现场的某个单总线温度传感器元件损坏，需要更换一个新的元件，或者变换某个单总线温度传感器元件采样的位置，采用本发明的方法，立即就可以采集该点的温度值，而不需要处理有关ROM码的繁复动作。

对于脉冲式流量计的采样，原来的技术是：由CPU内部计数器通过I/O口记录脉冲个数，得出流量的值。这样的技术每次计数不可避免的会丢失一个或两个计数脉冲。如果想克服这个问题必须在硬件电路上加以改进，本发明用软件倍频的技术解决CPU内部计数器丢失脉冲的问题。

由于混凝土浇注现场工作环境非常恶劣，流量计或导线接插件经常进水引起短路，烧毁流量采样电路。因此本发明中专门设计了一个专供流量计电路的过流保护电路，将流量计供电电源单独分离出来，通过流量计的过流保护电路，限制所有的流量计的总电流为一个范围，如：600或800MA。超过了这个范围，立即自动断开流量计电源，并由相应的指示灯显示流量计电源的开或断的状态，指示工作人员及时处理流量计或导线接插件进水短路工况，并有效的保护了流量采样电路。

本发明为了解决大体积混凝土温度控制中的控制方法和解决相临的大体积混凝土温度控制对象的藕合问题，特将仿人智能控制算法嵌入大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器的每一个电动阀门的输出控制通道。利用大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器的该通道的采样数据自动计算输出控制量，自动控制电动阀门的输出，达到混凝土自动降温控制的目的。

本发明将一路4-20MA标准信号整型放大器与可控的模拟开关电路相结合，则输入的8路模拟信号先通过各路的可控的模拟开关电路，再到一个共用的4-20MA标准信号整型放大器。这样设计节省了7路4-20MA标准信号整型放大器及其副加器件，还节省了7倍的调试时间。实践证明本发明转换精度达到了满度值的千分之一，减小了电路占用面积，节约了成本，简化了调试。

本发明的大体积浇注混凝土冷却通水智能控制系统中除了8路大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器和单电动阀门大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器之外还有一个重要的组成部分就是计算机智能控制软件包。

这个大体积浇注混凝土冷却通水智能控制系统的计算机智能控制软件包使用当前最先进的WPF开发工具，所开发的用户界面丰富多彩，并且非常实用。计算机智能控制软件包包括了WI-FI无线通信系统，可以和大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器进行基于WI-FI的双向通信。在自动的状态下，定时发出数据采集命令，接收采集到的数据，保存到数据库。在计算机显示屏目上根据用户的要求显示各种数据图表、报表。并根据对采样数据的分析和控制算法对现场的电动阀门进行控制。从而达到对冷却液体流量的控制，实现大体积浇注混凝土冷却降温的目的。

在手动的状态下，可以查询系统各部分的工作状况，便于及时对设备进行维护。

另外该计算机智能控制软件包还可以与dndroid平板电脑移动数据终端通过WI-FI无线网络通信，使用户在现场使用dndroid平板电脑操控总控室的电脑，达到用户在现场监视采样数据和控制电动阀门的目的。给用户带来现场监控的极大方便。

实施例2

如图1所示，8路大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器和上位计算机之间通过WI-FI无线网络通信，8路大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器内嵌入了以太网通讯模块和WI-FI无线通信模块。上位计算机可以使用WI-FI无线网络与8路大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器通信；发布各项命令；采集大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器采集的多种大量数据；自主控制各个电动阀门的输出。

如图2所示，单电动阀门大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器内嵌入了WI-FI无线通信模块或者ZigBee模块，附加的一个主控器内嵌ZigBee主模块，主控器与单电动阀门大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器组成ZigBee自组网络通信系统。上位计算机可以使用WI-FI无线网络与主控制器通信。发布各项命令；采集各个单电动阀门大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器采集的多种大量数据；自主控制各个电动阀门的输出。

如图3所示，8路大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器内有一个WI-FI无线网接口模块电路、和主控器电路及24个单总线温度传感器的温度采集电路、8个流量数据的采集电路、8个电动阀门开度值的采集电路、还有8路电动阀门开度控制输出的电路。

主控器电路及24个单总线温度传感器的温度采集电路、8个流量数据的采集电路、8个电动阀门开度值的采集电路、还有8路电动阀门开度控制输出的电路组成了8路大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器的主体。WI-FI无线网接口模块电路是8路大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器的主体和上位计算机WI-FI无线网通信接口。除此之外，还具有自动定时发送采集命令，收集所有采样值的功能。当这个WI-FI无线网接口模块电路和一个8路大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器的主体连接的时后组成的产品就是8路大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器。当这个WI-FI无线网接口模块电路和多个8路大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器的主体连接，就可以组成16路、24路、32路、48路、56路、64路大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器产品。

计算机智能控制软件包可以按照不同的系列产品进行设置。

每一个8路大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器内设计了22个CPU。

1)、以太网接口或者WI-FI网接口电路中设计了三个CPU。其中接口CPU与主CPU、定时CPU、图3中主控器部分的主控器主CPU连接成内部星型通信系统。发布上位计算机命令、收集主控器主CPU发回的所有数据、修改时钟时间、按定时时间发出相应的命令等。

2)、主控器中的从CPU与单总线温度采样主CPU、阀门开度监测主CPU、流量采样主CPU、阀门控制主CPU组成内部星型通信系统发布上位计算机和以太网接口或者WI-FI网接口电路命令、收集单总线温度采样主CPU、阀门开度监测主CPU、流量采样主CPU、阀门控制主CPU发回的所有数据。

3)、单总线温度采样主CPU与它的从CPU组成点对点通信。阀门开度监测电路的两个CPU、阀门开度控制电路的两个CPU、同样组成点对点通信。流量采样电路的从CPU与直接记录流量脉冲数量的8个CPU、定时从CPU组成星型通信网络。发布流量采样命令；回收返回数据。

4)、所有的内部CPU的通讯系统都可以使用RS232接口、SPI接口、I2C接口进行相互通信。例如：流量采样电路星型通信网络和定时CPU通信网络就采用I2C通信网络，其它的通信系统可以使用RS232接口、SPI接口，也可以使用I2C通信网络进行相互通信。

如图4所示，每一个单阀门大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器内设计了2个CPU。每一个单阀门大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器内嵌ZigBee自组网络从模块。另外，增设了一个ZigBee主控器。在这个主控器中内嵌ZigBee主模块。当主控器和所有的单阀门大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器上电后，由主控器发起对ZigBee从机模块进行搜索。主控器将搜索到的从机模块地址组成路由表。自主发起对所有从机的双向ZigBee无线网络通信。

1)、ZigBee主控器内设计了三个CPU。主控器内的接口CPU与每一个单阀门大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器内的主CPU、主控器中的主CPU、定时CPU共同组成星型网络系统。发布上位计算机或主控器发出的命令、接收从每一个单阀门大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器发回的数据。修改时钟时间、按定时时间发出相应的命令等。

2)、每一个单阀门大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器内部设计了两个CPU。

这两个CPU点对点通信。由主CPU发布命令，接收从CPU返回的数据。并将接收到的数据返回到主控器的接口CPU。

3)、一个主控器在理论上可以连接65536个ZigBee从机，接合本设计的需求，一个主控器可以连接128个ZigBee从机。

4)、在主控器中，定时CPU电路采用I2C接口，接口CPU和定时CPU以及主CPU之间的通信可以采用RS232、SPI或其它的通用接口。主CPU与上位计算机的接口采用WI-FI无线接口。

本发明已成功的用于大坝大体积混凝土冷却通水智能降温工程中，效果良好。但是此项发明的应用不止于大坝，在大型桥墩的混凝土浇注中也有需求，在一些目前我们未知的领域，也许还能找到它的用途。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大体积浇注混凝土冷却通水智能控制系统，其特征在于：其由上位计算机和/或服务器、计算机智能控制软件包和大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器组成。

2.根据权利要求1所述的大体积浇注混凝土冷却通水智能控制系统，其特征在于：大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器包括多个CPU组成的单总线温度传感器温度采集系统、脉冲式或标准信号式流量计冷却液体流量值采集系统、4-20MA标准信号电动阀门开度值采集系统、控制电动阀门开度的控制系统。

3.根据权利要求2所述的大体积浇注混凝土冷却通水智能控制系统，其特征在于：所述多个CPU组成的单总线温度传感器温度采集系统选用一个单片集成电路上集成多个1-WIRE通道的单总线驱动器器件，其次采用单总线温度传感器的驱动器的一个1-WIRE通道只挂一个单总线温度传感器；所述脉冲式或标准信号式流量计冷却液体流量值采集系统利用软件倍频采集脉冲流量；所述大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器的每一个电动阀门的输出控制通道内嵌入仿人智能控制算法；所述4-20MA标准信号电动阀门开度值采集系统是将一路4-20MA标准信号整型放大器与可控的模拟开关电路相结合，则输入的8路模拟信号先通过各路的可控的模拟开关电路，再到一个共用的4-20MA标准信号整型放大器。

4.根据权利要求1所述的大体积浇注混凝土冷却通水智能控制系统，其特征在于：所述大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器包括8路大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器和单电动阀门大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器。

5.根据权利要求4所述的大体积浇注混凝土冷却通水智能控制系统，其特征在于：所述8路大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器具有24个单总线温度传感器的温度采集电路、8个流量数据的采集电路、8个电动阀门开度值的采集电路、8路电动阀门开度控制输出的电路、内嵌的以太网和WI-FI无线模块，8路大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器和上位计算机和/或服务器之间通过WI-FI无线网络通信。

6.根据权利要求4所述的大体积浇注混凝土冷却通水智能控制系统，其特征在于：所述单电动阀门大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器具有3个单总线温度传感器的温度采集电路、1个流量数据的采集电路、1个电动阀门开度值的采集电路、1路电动阀门开度控制输出的电路、内嵌的以太网模块或ZigBee模块，又增加一个主控器，主控器中也内嵌ZigBee模块和WI-FI无线模块，主控器和上位计算机和/或服务器之间通过WI-FI无线网络通信。

7.根据权利要求5所述的大体积浇注混凝土冷却通水智能控制系统，其特征在于：所述每一个8路大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器内设计了22个CPU，以太网接口或者WI-FI网接口电路中设计了三个CPU，其中接口CPU与主CPU、定时CPU、主控器部分的主控器主CPU连接成内部星型通信系统，主控器中的从CPU与单总线温度采样主CPU、阀门开度监测主CPU、流量采样主CPU、阀门控制主CPU组成内部星型通信系统，单总线温度采样主CPU与它的从CPU组成点对点通信，阀门开度监测电路的两个CPU、阀门开度控制电路的两个CPU、同样组成点对点通信，所有的内部CPU的通讯系统都可以使用RS232接口、SPI接口、I2C接口进行相互通信。

8.根据权利要求6所述的大体积浇注混凝土冷却通水智能控制系统，其特征在于：所述每一个单阀门大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器内设计了2个CPU，两个CPU点对点通信，且增设一个ZigBee主控器，主控器连接128个ZigBee从机，ZigBee主控器内设计了三个CPU，主控器内的接口CPU与每一个单阀门大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器内的主CPU、主控器中的主CPU、定时CPU共同组成星型网络系统，在主控器中，定时CPU电路采用I2C接口，接口CPU和定时CPU以及主CPU之间的通信可以采用RS232、SPI或其它的通用接口，主CPU与上位计算机的接口采用WI-FI无线接口。

9.根据权利要求6或8所述的大体积浇注混凝土冷却通水智能控制系统，其特征在于：所述每一个单阀门大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器直接安装在电动阀门上，ZigBee主控器通过ZigBee无线网络与每一个单阀门大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器联接。

10.根据权利要求1所述的大体积浇注混凝土冷却通水智能控制系统，其特征在于：所述计算机智能控制软件包包括了WI-FI无线通信系统，可以和大体积浇注混凝土冷却通水智能控制器进行基于WI-FI的双向通信。