CN112051770A - 基于arm的水工情数据采集和设备控制装置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于ARM的水工情数据采集及设备控制装置是专门为水利行业开发的水工情设施采控装置。对水利行业水工情设施点源多、分布广、数据类型杂乱、设备扩展频繁、现地设备安全等特点进行了专项有针对性的研发。多功能闸泵站数据采控器的研究与推广应用能在水资源管理工作中及时、准确、可靠的掌握水情和工情信息,科学、高效地调度闸泵站设施,对快速实现闸泵站现代化管理具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及水共情自动化控制领域,尤其涉及基于ARM的水工情数据采集和设备控制装置。
背景技术
水工情定义:水情+工情。是水利设施(闸泵站、闸门等)自身工作状态(电压、电流、功率、流量、开闭角度等)和被监测水对象自身状态(水位、水质、流速、流量等)的简称。
我国水工情设施分布广泛,数量众多,早在60年代初我国水利系统就引进了计算机技术,70年代江都泵站首次运用远程集中监控,将各个闸门最终控制集中到总控制室,迈开了我国闸泵自动化第一步。但直至今日,全国大部分水工情设施仍采用人工测报水位、闸位、流量等运行参数,运用自动化、信息化手段弱,改善水工情设施运行条件、提高水工情设施综合效益等方面效果不显著,制约了社会经济的发展。
目前常用的水工情设施采控技术是RTU和PLC,以下分析这两种技术的应用现状和缺陷。
RTU技术:是一种通用行业采集设备,不能完全匹配水利行业水工情设施采控需求,仅有数据采集功能,没有反向控制功能。需根据采集对象定制采集器且不可扩展、不可更改。采集对象的数据需符合标准协议。造价较高,仅支持设备现地管理。不符合水利行业采控点源多、数据类型多的特点,是水利行业信息化早期应用较多的一种技术。因其造价高不适合大规模应用和功能局限性,该技术目前已逐步淘汰。
PLC技术:是一种通用行业采集设备,不能完全匹配水利行业水工情设施采控需求,可对监测对象进行双向采控。需根据采集对象定制采集器,扩展需厂家定制。支持模拟和数字量数据采集。造价较高,仅支持设备现地管理。不符合水利行业采控点源多、数据类型多的特点。该技术是水利行业目前较为常用的水工情设施采控技术。相比RTU技术,PLC解决了双向采控的问题,和部分解决了设备扩展的问题。但设备造价仍高,扩展仍需专业厂家定制,仍缺乏远程设备维护管理功能,导致水工情设施采控的信息化进程缓慢,无法大规模推广实施。
所以有必要发明一种设备适应性好、功能丰富的基于ARM的水工情数据采集和设备控制装置。
发明内容
发明目的:为了克服现有技术中存在的不足,本发明提供一种设备适应性好、功能丰富的基于ARM的水工情数据采集和设备控制装置。
技术方案:为实现上述目的,本发明的基于ARM的水工情数据采集和设备控制装置,其特征在于:包括计算处理单元、数据量采集单元、RS-485通信单元、开关量采集单元和开关量控制单元;所述数据量采集单元、所述RS-485通信单元和所述开关量采集单元的信号输入端分别与水工情设施通讯连接;所述数据量采集单元、所述RS-485通信单元和所述开关量采集单元的信号输出端分别与计算处理单元的信号输入端通讯连接;所述开关量控制单元通讯连接设置在计算处理单元的信号输出端与水工情设施之间。
进一步地,还包括数据保存单元和4G/5G通讯模块;所述计算处理单元的信号输出端与数据保存单元的信号输入端通讯连接;所述计算处理单元与所述4G/5G通讯模块双向通讯连接。
进一步地,所述计算处理单元采用ARM微处理器。
进一步地,采集和设备控制装置闭环控制系统的工作方法:系统具有采集和控制链路故障自诊断功能,可以降级使用,即在服务器端发生故障或通信中断时,现地可以独立完成基本的采集和局部控制;服务器端出现故障时,闸泵房控制机柜均能与系统脱开,独立实行现地控制;系统支持闸泵机开启/停止指令故障诊断,采集和控制通讯失败故障诊断,误操作提示与报警;
泵组智能均衡切换运行:系统不但确保泵组及时开启,还保证所有泵组运行时间均衡,且当运行中的泵组出现电气等异常,将自动停用该异常泵组并启动备用泵组,确保只要有泵即可投入使用,并增加相应传感器为实现更多方面的智能保护做硬件铺垫;
服务器端出现故障时,闸泵房控制机柜均能与系统脱开,独立实行现地控制,包含现地手动控制、现地自动控制、泵机均衡自动运行模式、泵机联动自动运行模式、现地分时段自动控制、远程控制、条件启停等操作模式;其中,实时保护除手动(调试)外的所有模式保护,各界面操作设有密码,防误碰操作,并设有一键停止紧急按钮。
有益效果:本发明的基于ARM的水工情数据采集及设备控制装置是专门为水利行业开发的水工情设施采控装置。对水利行业水工情设施点源多、分布广、数据类型杂乱、设备扩展频繁、现地设备安全等特点进行了专项有针对性的研发。该装置的优点在于:1、采用集成电路模式成本较低;2、基于嵌入式操作系统的编程,可满足水工情设施设备种类多样、扩展较频繁的需求;3、同时支持模拟量和数字量传感器,兼容多种水工情传感器;4、可以降级使用,即在服务器端发生故障或通信中断时,现场控制站可以独立完成基本控制;5、采用标准模块化设计,组合灵活,维护更换便捷;6、可与云平台对接,实现数据的存储、分类、提取、归档、分析及导出,为以后人工智能的开发与应用提供数据支撑。多功能闸泵站数据采控器的研究与推广应用能在水资源管理工作中及时、准确、可靠的掌握水情和工情信息,科学、高效地调度闸泵站设施,对快速实现闸泵站现代化管理具有重要的意义。
附图说明
图1为数据采集和设备控制装置整体架构图;
图2为数据采集和设备控制装置局部结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
基于ARM的水工情数据采集和设备控制装置,参考图1和图2,包括计算处理单元、数据量采集单元、RS-485通信单元、开关量采集单元和开关量控制单元;所述数据量采集单元、所述RS-485通信单元和所述开关量采集单元的信号输入端分别与水工情设施通讯连接;所述数据量采集单元、所述RS-485通信单元和所述开关量采集单元的信号输出端分别与计算处理单元的信号输入端通讯连接;所述开关量控制单元通讯连接设置在计算处理单元的信号输出端与水工情设施之间。
还包括数据保存单元和4G/5G通讯模块;所述计算处理单元的信号输出端与数据保存单元的信号输入端通讯连接;所述计算处理单元与所述4G/5G通讯模块双向通讯连接。
所述计算处理单元采用ARM微处理器。
对于数据采集和设备控制装置的具体阐述如下:
系统监控单元:与各其他单元连接,负责监测其他单元的运行状态、看门狗功能、系统掉电监测;
数据量采集单元:与计算处理单元相连,用于根据设定的采集通道参数,定时采集并转换水工情设施各通道模拟信号,采集转换的数据通过消息传送计算处理单元。
开关量采集单元:与计算处理单元相连,用于负责根据设定的参数采集处理水工情设施各通道的开关量,开关量的采集采用滤波算法,以消除干扰信号的影响,采集结果以消息方式发送给计算处理单元。
开关量输出控制单元:与计算处理单元相连,用于接收计算处理单元发送的消息,并加以处理和执行,指导水工情设施进行相应作业。
RS485通信单元:用于数据量采集单元和开关量采集单元与计算处理单元之间的通讯连接,负责相关RS485接口传感器协议的解析和处理,将数据量采集单元和开关量采集单元采集的传感器数据通过消息发送给计算处理单元。
计算处理单元:计算处理单元硬件包括ARM及ROM,嵌入式软件存储在ROM中,负责装置的嵌入式功能。计算处理单元负责接收数据量采集单元和开关量采集单元发送的消息并加以计算处理,把计算处理数据和统计数据以消息方式发送给数据保存单元和4G/5G通讯单元,把输出控制消息发送给开关量输出单元。嵌入式系统中支持降低闭环功能,ARM作为微处理器进行降低功能的计算与处理,所述计算处理单元还提供降级闭环功能,系统可以降级使用,即在服务器端发生故障或通信中断时,现场控制站可以独立完成基本控制。考虑到水工情设施长时间非正常使用可导致设备损坏(例如泵机长时间无水空开会导致泵机烧坏)甚至水情灾害(例如泵机超时过量抽水),本装置设计时专门在嵌入式编程中加入降级闭环代码,保证远程故障时的现地独立控制,避免事故发生。
数据随机存储单元(Flash):与计算处理单元相连,在接收到数据处理单元发送的保存消息后,把当前的采集数据、部分必要历史数据保存到Flash存储器中,为了防止中途断电丢失数据,接收到主单元发送的掉电信号量时,需要立刻进行数据保存。
4G/5G通信单元:与计算处理单元相连,负责控制4G/5G模块的运行,把采集的数据通过4G/5G网络发送到云平台,且让远程人员可以对计算处理单元进行远程控制。
其中,所述计算处理单元中包含ARM微处理器,所述ARM微处理器中写入有采控策略,负责整个采控器的运行。
所述数据量采集单元通过MODBUS协议实现对数字量和模拟量的输入输出。
所述数据保存单元中包含只读存储器ROM,所述ROM中写入有常用水工情通信协议,实现常用水工情设施采控的通信需求。
所述ARM微处理器还与随机存储器RAM相连,所述RAM中写入有控制参数,例如出水压力、额定流量、开闭时间等,实现对水工情设施采控的自动化。RAM内容可由远程或现地更改。
所述RS485通信单元通过RS-485通信接口实现对水工情设施的采控通信需求。
所述4G/5G通信单元通过接入4G/5G模块实现远程采控。
所述装置中,以上每个单元分配一个优先级。
采集和设备控制装置闭环控制系统的工作方法:系统具有采集和控制链路故障自诊断功能,可以降级使用,即在服务器端发生故障或通信中断时,现地可以独立完成基本的采集和局部控制;服务器端出现故障时,闸泵房控制机柜均能与系统脱开,独立实行现地控制;系统支持闸泵机开启/停止指令故障诊断,采集和控制通讯失败故障诊断,误操作提示与报警;
泵组智能均衡切换运行:系统不但确保泵组及时开启,还保证所有泵组运行时间均衡,且当运行中的泵组出现电气等异常,将自动停用该异常泵组并启动备用泵组,确保只要有泵即可投入使用,并增加相应传感器为实现更多方面的智能保护做硬件铺垫;
服务器端出现故障时,闸泵房控制机柜均能与系统脱开,独立实行现地控制,包含现地手动控制、现地自动控制、泵机均衡自动运行模式、泵机联动自动运行模式、现地分时段自动控制、远程控制、条件启停等操作模式;其中,实时保护除手动(调试)外的所有模式保护,各界面操作设有密码,防误碰操作,并设有一键停止紧急按钮。
本装置创新地在水工情设施采控设备上使用ARM芯片,极大的降低了采控装置的成本,使水利行业的水工情设施信息化采控可以低成本大规模实现。
本装置采用ARM芯片做为微处理器芯片,并进行了嵌入式系统的开发,结合定制化的硬件设计(ROM和RAM是存储硬件,modbus是通讯协议,协议需要软硬件配合支持),创新性的实现对水利行业水工情设施常用模拟量、485、Modbus、串行、格雷码等通迅方式的支持。实现对模拟量和数字量传感器接入,解决了水工情设施设备数据类型杂乱的问题。
本装置在硬件设计及嵌入式软件开发后支持多种通讯及协议解析包(硬件设计和嵌入式开发软件结合支持)。实现了本装置超强的设备兼容性和可扩展性。水工情设施在信息化升级时无需更换现有设备,在后期水工情设备维护更新时无需考虑兼容性问题。
本装置在嵌入式代码中加入降级闭环代码,通过工情的采集判定设备实时状态,在软件层面实现基于设备状态的装置保护功能(装备会采集工作状态信息等,嵌入式软件中加入了降低保护功能,根据对应的工情信息ARM进行判定及降级执行),保证远程故障时的现地独立控制,避免了水工情设施长时间非正常使用可导致设备损坏(例如泵机长时间无水空开会导致泵机烧坏)甚至水情灾害(例如泵机超时过量抽水)等事故的发生。
本发明的基于ARM的水工情数据采集及设备控制装置是专门为水利行业开发的水工情设施采控装置。对水利行业水工情设施点源多、分布广、数据类型杂乱、设备扩展频繁、现地设备安全等特点进行了专项有针对性的研发。主要具有如下优点:
1.采用集成电路模式成本较低。对于水利行业水工情设施点源多、分布广的特点,相比现有PLC技术单点布设可降低成本65%以上。使水工情设施信息化具备了大规模建设的基础。
2.基于嵌入式操作系统的编程,实现对模拟量、485、Modbus、串行、格雷码等通迅方式的支持、芯片内置常用水利设备协议解析,设备扩展无需熟悉复杂的底层接口,即插即用。可满足水工情设施设备种类多样、扩展较频繁的需求。
3.同时支持模拟量和数字量传感器,兼容多种水工情传感器。解决了水工情设施数据类型杂乱问题,信息化改造时无需更换现有传感器。
4.可以降级使用,即在服务器端发生故障或通信中断时,现场控制站可以独立完成基本控制。考虑到水工情设施长时间非正常使用可导致设备损坏(例如泵机长时间无水空开会导致泵机烧坏)甚至水情灾害(例如泵机超时过量抽水),本装置设计时专门在嵌入式编程中加入降级闭环代码,保证远程故障时的现地独立控制,避免事故发生。
5.采用标准模块化设计,组合灵活,维护更换便捷。
6.可与云平台对接,实现数据的存储、分类、提取、归档、分析及导出,为以后人工智能的开发与应用提供数据支撑。不同业务用户按权限通过云平台实现远程数据查看及闸泵站设备控制。
因此,多功能闸泵站数据采控器的研究与推广应用能在水资源管理工作中及时、准确、可靠的掌握水情和工情信息,科学、高效地调度闸泵站设施,对快速实现闸泵站现代化管理具有重要的意义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.基于ARM的水工情数据采集和设备控制装置,其特征在于:包括计算处理单元、数据量采集单元、RS-485通信单元、开关量采集单元和开关量控制单元;所述数据量采集单元、所述RS-485通信单元和所述开关量采集单元的信号输入端分别与水工情设施通讯连接;所述数据量采集单元、所述RS-485通信单元和所述开关量采集单元的信号输出端分别与计算处理单元的信号输入端通讯连接;所述开关量控制单元通讯连接设置在计算处理单元的信号输出端与水工情设施之间。
2.根据权利要求1所述的基于ARM的水工情数据采集和设备控制装置,其特征在于:还包括数据保存单元和4G/5G通讯模块;所述计算处理单元的信号输出端与数据保存单元的信号输入端通讯连接;所述计算处理单元与所述4G/5G通讯模块双向通讯连接。
3.根据权利要求1所述的基于ARM的水工情数据采集和设备控制装置,其特征在于:所述计算处理单元采用ARM微处理器。
4.根据权利要求1-3中任一所述的采集和设备控制装置闭环控制系统的工作方法,其特征在于:系统具有采集和控制链路故障自诊断功能,可以降级使用,即在服务器端发生故障或通信中断时,现地可以独立完成基本的采集和局部控制;服务器端出现故障时,闸泵房控制机柜均能与系统脱开,独立实行现地控制;系统支持闸泵机开启/停止指令故障诊断,采集和控制通讯失败故障诊断,误操作提示与报警;
泵组智能均衡切换运行:系统不但确保泵组及时开启,还保证所有泵组运行时间均衡,且当运行中的泵组出现电气等异常,将自动停用该异常泵组并启动备用泵组,确保只要有泵即可投入使用,并增加相应传感器为实现更多方面的智能保护做硬件铺垫;
服务器端出现故障时,闸泵房控制机柜均能与系统脱开,独立实行现地控制,包含现地手动控制、现地自动控制、泵机均衡自动运行模式、泵机联动自动运行模式、现地分时段自动控制、远程控制、条件启停等操作模式;其中,实时保护除手动(调试)外的所有模式保护,各界面操作设有密码,防误碰操作,并设有一键停止紧急按钮。
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