CN116627055A - 一种具有强鲁棒性的测控一体化闸门控制器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的具有强鲁棒性的测控一体化闸门控制器及其控制方法，包括：输入模块，用于选择闸门控制模式及输入在所选控制模式下的目标状态指令；控制模块，根据被选择的控制模式及目标状态指令，生成电机驱动器的控制信号；数据采集模块，通过传感器组获取闸门动作过程中的状态数据；处理模块，根据状态数据与传感器组采集功能的对应关系以及根据状态数据进行电机运行状态、闸门运行状态、太阳能供电系统运行状态的判定，若判定为异常，生成对应的报警信息；报警模块，用于获取处理模块生成的报警信息并进行报警。本发明内置鲁棒性算法，通过对闸门数据的分析设定最佳参数，使电机、继电器及各种传感器运行在安全参数区间。
Description
技术领域
本发明涉及测控一体化闸门控制技术领域，具体涉及一种具有强鲁棒性的测控一体化闸门控制器及其控制方法。
背景技术
测控一体化闸门采用太阳能供电系统供电，配置蓄电池和太阳能电池板，主要包括：闸门控制器、太阳能供电系统、传感器检测系统、动力传动系统、闸门主体。测控一体化闸门是集精准控制和精确测量于一体的新型闸门，采用高强度铝合金材质，具有寿命高、能耗低、环境适应性强、止水可靠、控制测量精准等特点，量身适配灌区续建配套、信息化建设和现代化改造等应用。
宁夏回族自治区大面积灌区是黄河水灌区，黄河水高含沙以及腐蚀性强的特性使得测控一体化闸门常出现淤堵、阻塞、铝合金变形等问题，闸门出现故障容易导致灌溉事故。因为水位计下方有蜘蛛网或柴草从而流量值偏差大、波动大，导致按流量灌溉无法实现或按流量灌溉时闸门频繁上下动作，闸门及电机易损坏。测控一体化闸门上多种传感器属于电子元器件，大量安装有一定概率出现损坏，传感器损坏易导致闸门错误执行控制命令，导致灌溉事故发生。
发明内容
发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有强鲁棒性的测控一体化闸门控制器及其控制方法，使测控一体化闸门更加安全的运行，不出、少出故障，准确判定故障及时报警，避免对人员生命安全和社会经济财产方面造成的损害。
技术方案：本发明所述具有强鲁棒性的测控一体化闸门控制器，包括：输入模块，用于选择闸门的控制模式以及在所选控制模式下输入目标状态指令；控制模块，根据被选择的控制模式及目标状态指令，生成电机驱动器的控制信号，使得电机驱动器根据控制信号驱动电机，电机带动闸门动作以达到目标状态；数据采集模块，通过传感器组获取闸门动作过程中的状态数据；处理模块，与输入模块、控制模块、数据采集模块均通信连接，用于对输入模块、控制模块、数据采集模块进行情况判定，所述情况判定包括：根据所述处理模块与输入模块、控制模块的通信连接情况，进行输入模块、控制模块通信功能状态的判定，若判定为异常，生成关于输入模块或控制模块的报警信息；获取数据采集模块传输的状态数据，根据状态数据与传感器组采集功能的对应关系，对传感器组的功能状态进行判定，若判定为异常，生成与状态数据对应传感器的报警信息，以及根据状态数据进行电机运行状态、闸门运行状态、太阳能供电系统运行状态的判定，若判定为异常，生成对应的报警信息；报警模块，用于获取处理模块生成的报警信息并进行报警。
进一步完善上述技术方案，所述输入模块配置的闸门控制模式包括直接控制模式、定闸位控制模块、定流量控制模块、定累积水量控制模块，所述直接控制模式的目标状态指令包括电机正转、电机反转；所述定闸位控制模块的目标状态指令包括目标流量；所述定流量控制模块的目标状态指令包括闸门设定目标流量；所述定累积水量控制模块的目标状态指令包括闸门设定目标累计水量。
进一步地，所述输入模块采用手动输入或远程指令输入。
进一步地，所述传感器组采集的状态数据包括太阳能充电电压、电池电压、太阳能充电电流、电池放电电流、电池温度值、电机电流、待机电流、编码器脉冲总数、闸前水位值、闸后水位值、流量值、累积量值、流速值。
进一步地，获取传感器组采集的状态数据，根据状态数据中与电流传感器、编码器、电压传感器、闸前水位计、闸后水位计、温度传感器、流量计相关的参数值分别进行对应传感器的状态判定，若判定为故障，输出对应传感器的报警信息；获取传感器组采集的电机电流、编码器脉冲总数，若电机电流大于电流阈值，判定电机运行状态为过载；若电流传感器故障，采用电池电压降反算电机电流值，并采用电机电流值与编码器频率比值的绝对值计算电机堵转系数，若电机堵转系数大于堵转系数最大值，判定电机运行状态为堵转；若电流传感器、编码器故障，采用时间估计法估计闸位信息；获取传感器组采集的电池放电电流量并计算电池性能指标，若电池性能指标超过设定阈值，输出关于太阳能电池运行状态的报警信息；获取传感器采集的闸前水位值、电池放电电流，根据闸前水位值、闸门基础参数、电池放电总功率计算机械效率，若机械效率低于设定阈值，输出关于闸门运行状态的报警信息。
采用上述具有强鲁棒性的测控一体化闸门控制器进行闸门控制方法，包括如下步骤：
获取闸门控制模式中被选择的控制模式以及在该控制模式下输入的目标状态指令；
根据被选择的控制模式及目标状态指令，生成电机驱动器的控制信号；
电机驱动器根据控制信号驱动电机，电机控制闸门动作以达到目标状态；
通过传感器组获取闸门动作过程中的状态数据；
根据状态数据判定传感器组、电机运行状态、闸门运行状态、太阳能供电系统运行状态是否在安全参数范围内，并进行情况判定及设备报警；
所述情况判定及设备报警包括：根据传感器组采集的状态数据生成多个基础参数值，根据一个或多个基础参数值计算得到多个效能参数值；
所述多个基础参数值与传感器组内的传感器设备相对应，建立传感器组判定标准，当传感器组判定标准内的基础参数值超出安全参数范围，判定与基础参数值对应的传感器设备状态为故障，输出传感器设备的报警信息；
所述多个效能参数值与多个设备的效能状态相对应，建立设备效能状态判定标准，当设备效能状态判定标准超过安全参数范围，判定与效能参数值对应的设备效能状态为故障，输出设备的报警信息；
当判定传感器设备状态为故障时，与故障状态传感器设备对应的基础参数值为无效状态，与无效状态的基础参数值关联的效能参数值采用代偿值进行判定。
进一步地，所述传感器组采集的状态数据包括太阳能充电电压、电池电压、太阳能充电电流、电池放电电流、电池温度值、电机电流、待机电流、编码器脉冲总数、闸前水位值、闸后水位值、流量值、累积量值、流速值。
进一步地，所述情况判定及设备报警包括：
设定编码器频率波动阈值，根据编码器脉冲总数计算编码器频率及编码器频率波动值，当编码器频率波动值大于编码器频率波动阈值时，判定编码器故障；
设定堵转系数最小值，根据电机电流与编码器频率比值计算堵转系数，当堵转系数小于堵转系数最小值时，判定电流传感器故障；
设定电压值范围，当电压传感器采集的电压值超过电压值范围，判定电压传感器故障；
获取闸前水位值、闸后水位值，设定闸前水位波动幅度、闸后水位波动幅度，根据闸前水位值、闸后水位值计算闸前水位波动值、闸后水位波动值，当闸前水位波动值、闸后水位波动值超过设定的闸前水位波动幅度、闸后水位波动幅度，判定水位波动异常；
设定DTU通信中断时长，若超过设定时长未收到DTU数据，判定DTU故障；
设定触屏通信中断时长，若触屏测试数值刷新时间超过设定时长，判断触屏通信故障；
设定温度传感器通信中断时长，若温度值刷新时间超过设定时长，判断温度传感器通信故障；
设定电池性能指标最大值，计算太阳能电池电压性能指标，若超过电池性能指标最大值，判定太阳能电池故障；
设定闸门机械效率最小值，计算闸门负荷，根据闸门负荷计算闸门机械效率，当闸门机械效率小于闸门机械效率最小值，判定闸门机械效率过低。
进一步地，所述电机的运行状态判定过程包括：
设定电流阈值、编码器频率阈值、堵转系数最大值；
获取电机电流值，当电机电流值大于电流阈值时，判定电机过载，输出电机过载报警信息；
若电流传感器故障，采用电池电压降反算电机电流值，根据编码器脉冲总数计算编码器频率，根据反算得到的电机电流值与编码器频率之比计算堵转系数，当堵转系数大于堵转系数最大值时，判定电机堵转，输出电机堵转报警信息。
进一步地，所述当判定传感器设备状态为故障时，与故障状态传感器设备对应的基础参数值为无效状态，与无效状态的基础参数值关联的效能参数值采用代偿值进行判定包括：
当电流传感器故障且编码器故障时，采用时间估计法估计闸位信息，包括：先读取故障前闸位信息，存入估值脉冲数寄存器，如果电流、电压状态正常，则按照电机正常转速对估值脉冲数寄存器根据时间的长短进行每秒的增加或减少；相应的，使用估计闸位代替原编码器确定的闸位信息；如果电流过大，电机运行时电压降过大，则说明电机负载大，以高负载状态时的闸门启闭速度来估值；
当闸前水位值大于正常水位最大值时，判定水位波动异常，采用上一秒的水位值作为当前水位值；
当实时流量大于设定范围，采用闸孔出流公式计算所得值代替流量值。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提供具有强鲁棒性的测控一体化闸门控制器，具有多种数据对接接口，采集的数据种类全面，内置鲁棒性算法，通过对闸门数据的分析设定最佳参数，使电机及各种传感器运行在安全参数区间，并在硬件故障时能利用算法智能定位故障，使用“算法代偿”方式替代已损坏传感器的功能，最大化正确执行控制命令，及时发出故障报警信息，最大化减少灌溉事故发生，提高灌溉作业的安全性。
本发明对数据进行过滤，数据过滤主要是针对通信不良导致的编码器、温度计出现假值，水位计下杂物导致的水位值出现假值，流量计测得流量值严重不符合水力学计算等情况，得到实时有效的闸门运行参数及测水数据。同类产品如果编码器或闸位计损坏，闸门运行会出现异常，本发明采用时间估计法及电流时间估计法。
本发明独创性的使用堵转系数算法判定闸门运行状况，该算法避免了同类型控制器使用单一电流阈值或转速阈值来判定闸门堵转情况，而是将电流值、电机启动后电压降、电机转速进行了关联，通过电流与转速比值来判断电机运行负荷情况，大大提高了判断的准确性。通过多数据分析建立数学模型，排除噪声的干扰，得到传感器的真值，如果无法得到真值，能判定为假值并及时进行故障报警；利用强鲁棒性算法，能确保闸门各个部分运行在安全参数下，实现闸门以最佳的状态运行，平稳运行达到闸门最大寿命；能准确定位故障，智能提醒电池、电机、传感器等设备损坏或寿命已到，及时跟换，最大限度降低闸门故障带来灌溉故障的可能性。
附图说明
图1是本发明具有强鲁棒性的测控一体化闸门控制器的原理框图；
图2是本发明进行闸门控制方法的过程图。
具体实施方式
下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例1：如图1所示的具有强鲁棒性的测控一体化闸门控制器，包括：
输入模块，用于选择闸门的控制模式以及在所选控制模式下输入目标状态指令；
控制模块，根据被选择的控制模式及目标状态指令，生成电机驱动器的控制信号，使得电机驱动器根据控制信号驱动电机，电机带动闸门动作以达到目标状态；
数据采集模块，通过传感器组获取闸门动作过程中的状态数据；
处理模块，与输入模块、控制模块、数据采集模块均通信连接，用于对输入模块、控制模块、数据采集模块进行情况判定，情况判定包括：根据处理模块与输入模块、控制模块的通信连接情况，进行输入模块、控制模块通信功能状态的判定，若判定为异常，生成关于输入模块或控制模块的报警信息；获取数据采集模块传输的状态数据，根据状态数据与传感器组采集功能的对应关系，对传感器组的功能状态进行判定，若判定为异常，生成与状态数据对应传感器的报警信息，以及根据状态数据进行电机运行状态、闸门运行状态、太阳能供电系统运行状态的判定，若判定为异常，生成对应的报警信息；
报警模块，用于获取处理模块生成的报警信息并进行报警。
输入模块采用手动输入或远程指令输入；输入模块配置的闸门控制模式包括直接控制模式、定闸位控制模块、定流量控制模块、定累积水量控制模块，直接控制模式的目标状态指令包括电机正转、电机反转；定闸位控制模块的目标状态指令包括目标流量；定流量控制模块的目标状态指令包括闸门设定目标流量；定累积水量控制模块的目标状态指令包括闸门设定目标累计水量。
本发明提供的测控一体化闸门控制器，集成了多个RS485、RS232和模拟量、开关量接口，可方便对接modbus等工业控制协议、SZY-206水资源协议、0-5V信号、4-20mA信号等模拟量信号，且可开发自定义协议，通过各种数据对接方式可获取太阳能充电电压、电池电压、太阳能充电电流、电池放电电流、电池温度值、电机电流、待机电流、编码器脉冲总数、闸前水位值、闸后水位值、流量值、累积量值、流速值。
闸门配备多种传感器，分析数据可对电池性能、电机性能、各传感器与控制器通信质量进行综合分析。通过电池放电电压和电流的变化，评估电池性能。通过电机转速稳定性、输出功率与闸门上升速度曲线等判定电机性能。流量值波动过大影响定流量情况分析。通过多维度故障分析判定，及时定位故障并告警，通过代偿算法在某些传感器损坏的情况下仍能完成指令。
获取传感器组采集的状态数据，根据状态数据中与电流传感器、编码器、电压传感器、闸前水位计、闸后水位计、温度传感器、流量计相关的参数值分别进行对应传感器的状态判定，若判定为故障，输出对应传感器的报警信息；
获取传感器组采集的电机电流、编码器脉冲总数，若电机电流大于电流阈值，判定电机运行状态为过载；若电流传感器故障，采用电池电压降反算电机电流值，并采用电机电流值与编码器频率比值的绝对值计算电机堵转系数，若电机堵转系数大于堵转系数最大值，判定电机运行状态为堵转；若电流传感器、编码器故障，采用时间估计法估计闸位信息，输出关于电机运行状态的报警信息；
获取传感器组采集的电池放电电流量计算电池性能指标，若电池性能指标超过设定阈值，输出关于太阳能电池运行状态的报警信息；
获取传感器采集的闸前水位值、电池放电电流，根据闸前水位值、闸门基础参数、电池放电总功率计算机械效率，若机械效率低于设定阈值，输出关于闸门运行状态的报警信息。
内置鲁棒性算法实现以下功能：
1、确保各硬件系统运行在安全参数范围。根据不同类别的元器件，收集元器件运行数据。收集电机电压、电流、转速数据，分析数据之间逻辑关系建立数据模型，准确判断电机堵转、过流情况，适时给予停机保护并报警。防止过保护造成频繁停机，防止保护不重复造成电机烧毁。闸门运行负荷过重时，对于拉低电压值对传感器的影响进行分析，避免传感器失灵。
2、根据太阳能充电电量统计、电池放电电量统计、温度数据、夜晚不充电及待机耗电极低情况下近似静态电压值预判电池健康及寿命，对于电池性能导致的控制系统故障及时给与告警。
3、实时监测各传感器数据，多数据建模算法实时验证数据异常，一旦出现某数值丢失或显著异常，使用闸门运行时间、电压信息、电流信息、温度值、电机转速、水位信息、实时流量、实时流速等数据输入算法模型进行故障判别及故障应急修复，并报警。
实施例2：采用实施例1提供的具有强鲁棒性的测控一体化闸门控制器进行闸门控制方法，包括如下步骤：
获取闸门控制模式中被选择的控制模式以及在该控制模式下输入的目标状态指令；
根据被选择的控制模式及目标状态指令，生成电机驱动器的控制信号；
电机驱动器根据控制信号驱动电机，电机控制闸门动作以达到目标状态；
通过传感器组获取闸门动作过程中的状态数据；
根据状态数据判定传感器组、电机运行状态、闸门运行状态、太阳能供电系统运行状态是否在安全参数范围内，并进行情况判定及设备报警；
情况判定及设备报警包括：根据传感器组采集的状态数据生成多个基础参数值，根据一个或多个基础参数值计算得到多个效能参数值；
多个基础参数值与传感器组内的传感器设备相对应，建立传感器组判定标准，当传感器组判定标准内的基础参数值超出安全参数范围，判定与基础参数值对应的传感器设备状态为故障，输出传感器设备的报警信息；
多个效能参数值与多个设备的效能状态相对应，建立设备效能状态判定标准，当设备效能状态判定标准超过安全参数范围，判定与效能参数值对应的设备效能状态为故障，输出设备的报警信息；
当判定传感器设备状态为故障时，与故障状态传感器设备对应的基础参数值为无效状态，与无效状态的基础参数值关联的效能参数值采用代偿值进行判定。
传感器组采集的状态数据包括太阳能充电电压、电池电压、太阳能充电电流、电池放电电流、电池温度值、电机电流、待机电流、编码器脉冲总数、闸前水位值、闸后水位值、流量值、累积量值、流速值。
如图2所示，基于传感器组采集的状态数据进行情况判定及设备报警包括：
设定编码器频率波动阈值，根据编码器脉冲总数计算编码器频率及编码器频率波动值，当编码器频率波动值大于编码器频率波动阈值时，判定编码器故障；
设定堵转系数最小值，根据电机电流与编码器频率比值计算堵转系数，当堵转系数小于堵转系数最小值时，判定电流传感器故障；
设定电压值范围，当电压传感器采集的电压值超过电压值范围，判定电压传感器故障；
获取闸前水位值、闸后水位值，设定闸前水位波动幅度、闸后水位波动幅度，根据闸前水位值、闸后水位值计算闸前水位波动值、闸后水位波动值，当闸前水位波动值、闸后水位波动值超过设定的闸前水位波动幅度、闸后水位波动幅度，判定水位波动异常；
设定DTU通信中断时长，若超过设定时长未收到DTU数据，判定DTU故障；
设定触屏通信中断时长，若触屏测试数值刷新时间超过设定时长，判断触屏通信故障；
设定温度传感器通信中断时长，若温度值刷新时间超过设定时长，判断温度传感器通信故障；
设定电池性能指标最大值，计算太阳能电池电压性能指标，若超过电池性能指标最大值，判定太阳能电池故障；
设定闸门机械效率最小值，计算闸门负荷，根据闸门负荷计算闸门机械效率，当闸门机械效率小于闸门机械效率最小值，判定闸门机械效率过低。
当电流传感器故障且编码器故障时，采用时间估计法估计闸位信息；先读取故障前闸位信息，存入估值脉冲数寄存器。如果电流、电压状态正常，则按照电机正常转速对估值脉冲数寄存器根据时间的长短进行每秒的增加或减少。相应的，使用估计闸位代替原编码器闸位信息。如果电流过大，电机运行时电压降过大，则说明电机负载大，以高负载状态是的闸门启闭速度来估值。
当闸前水位值大于正常水位最大值时，判定水位波动异常，采用上一秒的水位值作为当前水位值；
当实时流量大于设定范围，采用闸孔出流公式计算所得值代替流量值。
根据下游水深与收缩断面的大小关系，将水跃分为：水跃发生在收缩断面下游，为远驱式水跃；水跃发生在收缩断面处，为临界式水跃；水跃发生在收缩断面上游，为淹没式水跃。远驱式水跃和临界式水跃对应的下游水位都不影响闸孔的过流能力，称为闸孔自由出流；淹没式水跃对应的下游水位使闸孔的过流能力减小，称为闸孔淹没出流。
平顶堰上闸孔出流可按以下方法计算判别：
收缩水深，收缩断面的跃后水深/>，下游水深为/>，若/>，为自由出流；/>，为淹没出流；
闸孔出流的流量公式为：
式中：-淹没系数，/>-流量系数，n-闸孔孔数；b-闸孔净宽；e-闸门开启高度，g-重力加速度，/>-闸前作用水头；
当闸门开启孔数、高度及闸孔尺寸一定时，影响过闸流量Q的因素是闸前作用水头、流量系数/>、淹没系数/>。Q与闸前作用水头/>的平方根成正比，/>是影响过闸流量的主要因素；/>反映下游的水位对Q的影响，自由出流/>=1.0，淹没出流/>＜1.0；/>影响因素有垂向收缩系数/>、流速系数φ及闸门相对开启高度e/H。
实施例3：本实施例提供了具有强鲁棒性的测控一体化闸门控制器进行闸门控制的具体应用过程。
Begin
Input：U0，US。//电池电压，太阳能充电电压，不间断采集。
Input：IM，ID，IC。//电机电流、待机电流、太阳能充电电流，不间断采集。
Input：C251。//编码器脉冲总数，不间断采集。
Input：H1，H2。//闸前水位，闸后水位，不间断采集。
Input：TD。//电池温度，不间断采集。
Input：D438，D440//闸门最大开度，最大开度对应编码器脉冲数，参数输入。
Input：Q，QZ//流量计实时流量，流量计计量总水量，流量计通电时采集。
HZ：=D438*C251/D440//闸位值
一、基本操作控制：
模式1，直接控制
Input：D39。//控制模式选择，D39=1直接控制模式，D39=2定闸位控制模式，D39=3定流量控制模式，D39=4定累计水量控制模式，手动或远程指令输入。
Input：M17，M18，M19。//D39=1直接控制模式下，M17=1电机正转闸门上升，M18=1电机反转闸门下降，手动或远程指令输入。
If (D39=1，M17=1) then M0=1，Y1=0//M0=1时电机驱动器上电，电机运行，Y1=0电机正转。
If (D39=1，M19=1) then M0=1，Y1=1//M0=1时电机驱动器上电，电机运行，Y1=1电机反转。
If (D39=1，M18=1) then M0=0，Y1=0，M17=0，M19=0，M18=0//M18=1时电机驱动器断电，随后M17、M19、M18复位。
模式2，定闸位控制
Input：D39。//控制模式选择。
Input：D42，M80//D39=2定闸位控制模式下，D42为设定目标流量，M80=1时执行命令。
If(D39=2，D42>HZ，M80=1) then M0=1，Y1=0//目标开度D42大于当前开度HZ时，电机驱动器上电，电机运行，Y1=0电机正转。
If(D39=2，D42<HZ，M80=1) then M0=1，Y1=1//目标开度D42小于当前开度HZ时，电机驱动器上电，电机运行，Y1=1电机反转。
If(D39=2，D42=HZ，M80=1) then M0=0，Y1=0，M80=0，D42=0//目标开度D42等于当前开度HZ时，电机驱动器上断电，参数复位。
模式3，定流量控制
Input：D39。//控制模式选择。
Input：D43，M80，M82//D39=3定流量控制模式下，D43为闸门设定目标流量，M80=1时执行命令，M82=1时停止执行命令。
If(D39=3，D43>Q，M80=1) then M0=1，Y1=0//目标流量D43开度大于当前流量Q时，电机驱动器上电，电机运行，Y1=0电机正转。
If(D39=3，D43<Q，M80=1) then M0=1，Y1=1//目标流量D43小于当前流量Q时，电机驱动器上电，电机运行，Y1=1电机反转。
If(D39=3，D43=Q，M80=1) then M0=0，Y1=0//目标流量D43等于当前流量Q时，电机驱动器上断电。
If(D39=3，M82=1) then M0=0，Y1=0，M80=0，D43=0//电机驱动器上断电，停止执行当前命令。
模式4，定累计水量控制
Input：D39。//控制模式选择。
Input：D44，M80，M82//D39=4定累计水量控制模式下，D44为闸门设定目标累计水量，M80=1时执行命令，M82=1时停止执行命令。
If (D39=4，D44>QZ，M80=1) then M0=1，Y1=0//目标累计水量D44大于当前累计水量QZ时，电机驱动器上电，电机运行，Y1=0电机正转。
If (D39=4，D44=<QZ，M80=1) then M0=1，Y1=1//目标累计水量D44小于等于当前开度HZ时，电机驱动器上电，电机运行，Y1=1电机反转。
If (D39=4，M82=1) then M0=0，Y1=0，M80=0，D43=0//电机驱动器上断电，停止执行当前命令。
二、情况判定及设备报警：
Input：IY，fY。//电流阈值，编码器频率阈值。根据电机额定功率手动输入。
Fb：=C251(当前值)-C251(前一秒值)。//编码器频率，不间断计算。
（1）电机过载判定
If (IM>IY) then M26=1，M0=0。
Printf“电机过载保护，请查看闸门是否阻塞，电机及驱动器是否完好。”//过载判定，当电机电流大于电流阈值对电机保护，停止工作。过载判定是电机保护的主要依据，堵转判定是备用辅助依据。
（2）电机堵转判定
Input KMAX。//堵转系数最大值，手动输入。
K：=abs（IM/fb）。//堵转系数，电机电流与编码器频率比值的绝对值。
If ((K<>0，K>KMAX) ||fb>fY) then M25=1，M0=0。
Printf“电机转速与电流不匹配，已堵转保护，请查看闸门是否阻塞，电机及驱动器是否完好。”//电机运行中，编码器频率不为0时堵转系数K大于KMAX或编码器脉冲频率低于fY时，电机断电。判定堵转。
（3）编码器损坏判定
fB：=fb(当前值)-fb(前一秒值)//编码器频率波动值。
Input：fBY//编码器频率波动阈值，根据电机转速手动输入。
If ((T21>5，M0=1，fb=0)||(T21>5，M0=1，fBY>fB) then M43=1//T21电机启动时间。
Printf“编码器输出脉冲不正常，临时使用时间估计法评测闸门开度，请尽快查看编码器接线或更换编码器。”//电机上电后开始计时，驱动器上电，电流增大负荷正常工作状态，编码器脉冲频率为0或在电流值表明电机平稳工作的状态下，编码器脉冲波动过大。电机驱动器启动0.5s后开始启动判定。
（4）电流传感器损坏判定
Input： KMIN。//堵转系数最小值，手动输入。
If ((M0=1，IM=0)||(M0=1，K<KMIN)) then M44=1
Printf“电流传感器故障，请尽快检查传感器接线或更换电流传感器。”//电机驱动器通电后电流为0或堵转系数小于最小值。
（5）电压传感器损坏判定
If ((U0>28800)||(U0<18000)) then M44=1//电压值超过可能值范围。
Printf“电压值超过可能值范围，请尽快检查电压传感器接线或更换电压传感器。”
（6）水位波动异常判定（水位计下可能有杂物）
FS1：=H1(当前值)-H1(前一秒值)//闸前水位波动值
FS2：=H2(当前值)-H2(前一秒值)//闸后水位波动值
If ((FS1>50)||(FS2>50)) then M37=1//水位值比上一秒增加或减少幅度大于50mm，判定水位波动异常。
Printf“水位波动异常，水位计下可能有蜘蛛网或草，请尽快检查并清理。”
（7）DTU通信中断判定
If (T24>3600) then M46=1//6分钟未收到DTU任何数据。
Printf“长时间未收到DTU发出数据，请尽快检查DTU接线、SIM卡是否到期欠费。”
（8）触屏通信中断判定
If (T27>600) then M47=1//触屏到控制器的测试数值1分钟不刷新。
Printf“触屏通信中断，请尽快检查触屏接线，检查触屏是否死机或更换触屏。”
（9）温度传感器通信异常
If (T28>600) then M48=1//温度值1分钟不刷新。
Printf“温度传感器通信中断，请尽快检查温度传感器接线或更换温度传感器。”
（10）电池性能评测
QD=QD(前一秒)+P//QD放电量统计，P为当前功率。
PD：=a*w*(U60-UQ) //充电停止60分钟后的电压值U60，减去放电18000焦耳后的电压值UQ，乘以温度修正系数w，乘以电压修正系数a，及电压性能指标PD。
If (PD>PDmax) then printf“电池性能下降过大，请更换电池”
（11）机械效率评测
If (Y0=0) then FH：=b*H1+FM+FZ //闸门上升负荷FH等于闸前水位值乘以系数b加上摩擦力FM加上闸板重量FZ。
If (Y0=1) then FH：=b*H1+FM-FZ //闸门下降负荷FH等于闸前水位值乘以系数b加上摩擦力FM减去闸板重量FZ。
Jx：=FH*V/(U0*I0) //机械效率Jx等于闸门负荷乘以闸门速度除以电池放电总功率。
If (Jx<Jxmin) then printf“机械效率过低，请检查是否润滑不良”
三、故障代偿机制
（1）当电流传感器损坏，可使用电池电压降来反算电流进行堵转判定；当电机上电，电路通路，电压降UD=RN*U0/(R0+RN)，随着电机电流IM增大，电池内阻RN，电机综合负载RO减小，所以UD是IM的增函数，通过数据分析，可以得到电流值与电压降的对应值。
当编码器损坏后，采用替代估计脉冲数D442进行编码器数值交接；
If (M43=1，M0=1，Y1=0) then C251:=D442 D442=D442+2*T21
If (M43=1，M0=1，Y1=1) then C251:=D442 D442=D442-2*T21
//编码器损坏后，使用时间估计法估计闸位信息，堵转判定通过电压降与电流对应关系判定。
（2）水位值是计算流量的关键参数，水位值波动异常，导致流量计计量不准确。正常放水条件下，水位值每秒变化量不可能超过50mm，水位值突然增大或水位值超出最大水位H1MAX或H2MAX，表明水位计下有蜘蛛网或杂草。
Input H1max、H2max//闸前、闸后正常水位值最大值。
If ((FS1>50)||H1>H1max) then H1(当前值)=H1(前一秒值)
If ((FS2>50)||H2>H2max) then H2(当前值)=H2(前一秒值)
//水位波动过大或水位值超过最大阈值，用上一秒真值替代。
流量值显著错误
If ((Qj/Q>1.4)||(Qj/Q<0.7)) then Q:=Qj
Printf“流量计数据出错，请检查流量计换能器是否出现故障。”
//使用闸孔出流公式计算出Qj，虽然正常情况下精度不如流量计计量数据，但是精度偏差会在一定的范围内。流量计作为电子产品在液位有一定故障率，当发生故障时，由Qj代替Q。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
Claims (10)
1.一种具有强鲁棒性的测控一体化闸门控制器，其特征在于，包括：
输入模块，用于选择闸门的控制模式以及在所选控制模式下输入目标状态指令；
控制模块，根据被选择的控制模式及目标状态指令，生成电机驱动器的控制信号，使得电机驱动器根据控制信号驱动电机，电机带动闸门动作以达到目标状态；
数据采集模块，通过传感器组获取闸门动作过程中的状态数据；
处理模块，与输入模块、控制模块、数据采集模块均通信连接，用于对输入模块、控制模块、数据采集模块进行情况判定，所述情况判定包括：根据所述处理模块与输入模块、控制模块的通信连接情况，进行输入模块、控制模块通信功能状态的判定，若判定为异常，生成关于输入模块或控制模块的报警信息；获取数据采集模块传输的状态数据，根据状态数据与传感器组采集功能的对应关系，对传感器组的功能状态进行判定，若判定为异常，生成与状态数据对应传感器的报警信息，以及根据状态数据进行电机运行状态、闸门运行状态、太阳能供电系统运行状态的判定，若判定为异常，生成对应的报警信息；
报警模块，用于获取处理模块生成的报警信息并进行报警。
2.根据权利要求1所述的具有强鲁棒性的测控一体化闸门控制器，其特征在于：所述输入模块配置的闸门控制模式包括直接控制模式、定闸位控制模块、定流量控制模块、定累积水量控制模块，所述直接控制模式的目标状态指令包括电机正转、电机反转；所述定闸位控制模块的目标状态指令包括目标流量；所述定流量控制模块的目标状态指令包括闸门设定目标流量；所述定累积水量控制模块的目标状态指令包括闸门设定目标累计水量。
3.根据权利要求1或2所述的具有强鲁棒性的测控一体化闸门控制器，其特征在于：所述输入模块采用手动输入或远程指令输入。
4.根据权利要求1所述的具有强鲁棒性的测控一体化闸门控制器，其特征在于：所述传感器组采集的状态数据包括太阳能充电电压、电池电压、太阳能充电电流、电池放电电流、电池温度值、电机电流、待机电流、编码器脉冲总数、闸前水位值、闸后水位值、流量值、累积量值、流速值。
5.根据权利要求4所述的具有强鲁棒性的测控一体化闸门控制器，其特征在于：
获取传感器组采集的状态数据，根据状态数据中与电流传感器、编码器、电压传感器、闸前水位计、闸后水位计、温度传感器、流量计相关的参数值分别进行对应传感器的状态判定，若判定为故障，输出对应传感器的报警信息；
获取传感器组采集的电机电流、编码器脉冲总数，若电机电流大于电流阈值，判定电机运行状态为过载；若电流传感器故障，采用电池电压降反算电机电流值，并采用电机电流值与编码器频率比值的绝对值计算电机堵转系数，若电机堵转系数大于堵转系数最大值，判定电机运行状态为堵转；若电流传感器、编码器故障，采用时间估计法估计闸位信息；
获取传感器组采集的电池放电电流量并计算电池性能指标，若电池性能指标超过设定阈值，输出关于太阳能电池运行状态的报警信息；
获取传感器采集的闸前水位值、电池放电电流，根据闸前水位值、闸门基础参数、电池放电总功率计算机械效率，若机械效率低于设定阈值，输出关于闸门运行状态的报警信息。
6.采用权利要求1所述的具有强鲁棒性的测控一体化闸门控制器进行闸门控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取闸门控制模式中被选择的控制模式以及在该控制模式下输入的目标状态指令；
根据被选择的控制模式及目标状态指令，生成电机驱动器的控制信号；
电机驱动器根据控制信号驱动电机，电机控制闸门动作以达到目标状态；
通过传感器组获取闸门动作过程中的状态数据；
根据状态数据判定传感器组、电机运行状态、闸门运行状态、太阳能供电系统运行状态是否在安全参数范围内，并进行情况判定及设备报警；
所述情况判定及设备报警包括：根据传感器组采集的状态数据生成多个基础参数值，根据一个或多个基础参数值计算得到多个效能参数值；
所述多个基础参数值与传感器组内的传感器设备相对应，建立传感器组判定标准，当传感器组判定标准内的基础参数值超出安全参数范围，判定与基础参数值对应的传感器设备状态为故障，输出传感器设备的报警信息；
所述多个效能参数值与多个设备的效能状态相对应，建立设备效能状态判定标准，当设备效能状态判定标准超过安全参数范围，判定与效能参数值对应的设备效能状态为故障，输出设备的报警信息；
当判定传感器设备状态为故障时，与故障状态传感器设备对应的基础参数值为无效状态，与无效状态的基础参数值关联的效能参数值采用代偿值进行判定。
7.根据权利要求6所述的闸门控制方法，其特征在于：所述传感器组采集的状态数据包括太阳能充电电压、电池电压、太阳能充电电流、电池放电电流、电池温度值、电机电流、待机电流、编码器脉冲总数、闸前水位值、闸后水位值、流量值、累积量值、流速值。
8.根据权利要求7所述的闸门控制方法，其特征在于：所述情况判定及设备报警包括：
设定编码器频率波动阈值，根据编码器脉冲总数计算编码器频率及编码器频率波动值，当编码器频率波动值大于编码器频率波动阈值时，判定编码器故障；
设定堵转系数最小值，根据电机电流与编码器频率比值计算堵转系数，当堵转系数小于堵转系数最小值时，判定电流传感器故障；
设定电压值范围，当电压传感器采集的电压值超过电压值范围，判定电压传感器故障；
获取闸前水位值、闸后水位值，设定闸前水位波动幅度、闸后水位波动幅度，根据闸前水位值、闸后水位值计算闸前水位波动值、闸后水位波动值，当闸前水位波动值、闸后水位波动值超过设定的闸前水位波动幅度、闸后水位波动幅度，判定水位波动异常；
设定DTU通信中断时长，若超过设定时长未收到DTU数据，判定DTU故障；
设定触屏通信中断时长，若触屏测试数值刷新时间超过设定时长，判断触屏通信故障；
设定温度传感器通信中断时长，若温度值刷新时间超过设定时长，判断温度传感器通信故障；
设定电池性能指标最大值，计算太阳能电池电压性能指标，若超过电池性能指标最大值，判定太阳能电池故障；
设定闸门机械效率最小值，计算闸门负荷，根据闸门负荷计算闸门机械效率，当闸门机械效率小于闸门机械效率最小值，判定闸门机械效率过低。
9.根据权利要求8所述的闸门控制方法，其特征在于：所述电机的运行状态判定过程包括
设定电流阈值、编码器频率阈值、堵转系数最大值；
获取电机电流值，当电机电流值大于电流阈值时，判定电机过载，输出电机过载报警信息；
若电流传感器故障，采用电池电压降反算电机电流值，根据编码器脉冲总数计算编码器频率，根据反算得到的电机电流值与编码器频率之比计算堵转系数，当堵转系数大于堵转系数最大值时，判定电机堵转，输出电机堵转报警信息。
10.根据权利要求9所述的闸门控制方法，其特征在于：所述当判定传感器设备状态为故障时，与故障状态传感器设备对应的基础参数值为无效状态，与无效状态的基础参数值关联的效能参数值采用代偿值进行判定包括：
当电流传感器故障且编码器故障时，采用时间估计法估计闸位信息，包括：先读取故障前闸位信息，存入估值脉冲数寄存器，如果电流、电压状态正常，则按照电机正常转速对估值脉冲数寄存器根据时间的长短进行每秒的增加或减少；相应的，使用估计闸位代替原编码器确定的闸位信息；如果电流过大，电机运行时电压降过大，则说明电机负载大，以高负载状态时的闸门启闭速度来估值；
当闸前水位值大于正常水位最大值时，判定水位波动异常，采用上一秒的水位值作为当前水位值；
当实时流量大于设定范围，采用闸孔出流公式计算所得值代替流量值。
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