超声波数控水位自报仪技术的研制

史 磊

（南水北调中线干线工程建设管理局河南直管建管局平顶山项目部，河南 鲁山 467300）

1 研发背景

水位观测是防汛工作的重要组成部分，是工程运行工作的基础，是做好汛期人员调度、料物配送、抢险指挥、防汛预警工作的最基本的工作。在每年的调水调沙及主汛期期间，水位观测显得尤为重要，无论天气、道路情况多么恶劣，都要求一线职工定时向上级防汛部门报送水位情况，有时甚至要求5分钟一次，观测人员日夜坚守在观测岗位，为保证圆满完成这项工作付出了辛劳的汗水。为了解决这一问题，减轻一线职工的工作强度，改变传统的人员观测形式，推动治黄工作向科技方向发展，有必要研究开发出一种能够根据水位变化借用通讯网络将水位变化情况定时向上级主管部门、领导发送的仪器，代替人员观测，以便及时决策。

2 研发思路、目标、技术特征

2.1 研发思路

水位观测观测的是水位的高低，是一个连续变化的模拟量，它既不是电压也不是电流，如何将这一变化的模拟量进行转变，变成信息内容，通过手机发送出去，手机又如何进行操作，这是本仪器研发工作要解决的基本问题。

通过对家用电器的遥控器进行认真研究，从中发现遥控器每个按键下面都有一对触点，按键按下两点接通，执行相应功能。如果将手机的触点用导线引出，导线接通就等于按下此键，将一条信息的发布按键步骤通过一段程序由编程控制器来完成就达到自动发送的目的。

在自动化控制中，非电流电压信号称为模拟信号或模拟量，模拟量转换标准的电流或电压、标准的电流或电压转换成模拟量有专用转换模块，通过该模块将水情变化量输送给可编程控制器，由可编程控制器通过执行编写的程序对转换的数字量进行运算，使控制器输出触点接通，驱动手机工作。

2.2 研发目标

通过各功能部件的选配组装，能够准确、自动多点的传送水情信息，有效地克服了固定接收、一站一机现象。

能够执行水情和其他液面的观测，按照预设时间将观测信息进行自动发送。

具有短信过滤或返回功能，可遥控调整发送时间段，并能遥控处理一些小的故障。

具有功能扩展作用，根据用户要求，配置短信群发设备可进行大面积群发，并通过电脑储存、打印，作为基础资料长期保存。

3 技术方案

在所观测的液面上安装一浮子，随水位的变化浮子上下浮动，使其拉动旋转编码器转动，将编码器所产生的脉冲输入可编程器的输入触点，进行运算分析，使可编程控制器输出触点接通，与之相接的手机触点接通，模拟完成手机按键功能，按照程序设定，完成程序编写发送功能。

4 仪器设计组成

可编程控制系统、编码系统、信息发送系统。下面将相同系统进行介绍：

4.1 可编程控制系统

可编程控制系统是工业控制的可编程控制器（programmable Logic Comroller）简称PLC，它应用面广、功能强大、使用方便，已成为当代工业自动化控制的主要设备。可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。根据水位观测要求和相关配套设备的要求，选用日本三菱微型可编程控制器MWLSEC FX2N—48MR型。

4.2 信息收发系统

信息收发系统主要由一部性能可靠的手机改装而成，将手机的各键触点用导线引出，通过PLC程序控制操纵各输出触点，使手机相应键闭合或断开，达到人工按键的目的，进行信息发送。由于本仪器安装在野外，现场调整费工费时不方便，本仪器设置了遥控调整系统。该系统是将手机振动电机的驱动线引出，驱动一个3伏的小型继电器，将手机设置在振动状态，通过拨打手机，使继电器根据手机振动频率触点断开、闭合，操丛PLC相应输入触点断开、闭合，使发送时间程序进行切换、信息拦截。

5 控制程序的设计

5.1 开机程序

在停电或关机后，整个仪器停止工作，手机处于关闭状态。来电情况下，手机如仍处在关机状态，所采集的信息就发送不得。这段程序主要由PLC内部的特殊辅助继电器M8000来控制。通过该继电器来控制一时间继电器，一时间继电器再控制另一时间继电器。

5.2 水情信息采集程序

情信息采集程序是X0接通后，通过模拟块转换，将水位变化的模拟量转换为标准的数寄存在数字寄存器D100中。通过加法运算对3次采集的数据进行相加并除以3，将结果存放在D11中，这里不再叙述，在工作原理中进一步说明。为了延长设备的使用寿命，在程序设计中超声波传感器在数据采集前30s开机，第三次采集后30s关机。

5.3 工作循环程序

由于是自动发送，要求无人操作的情况按照预设的时间段进行发送，这里设计的是5个大的时间段，操作人员进行遥控设定，每个时间段又分5个时间点，第1点为超声波传感器的开机点，2、3、4点为数据的采集点，第5点为超声波传感器关机点，开机点和关机点的设定主要是为了减少传感器的工作时间，延长使用寿命。时间段的5个点通过已闭合的时间继电器融点和置位指令将下一计数器复位，由驱动复位的计数器进行时间计数，达到预设时间值时，常开触点闭合，驱动相应器件工作，同时对下一个计数器复位，第5点计数器对第1点复位，这样就构成循环控制程序。

5.4 遥控调整程序

为了适应工作的要求，设定了不同时间预报的程序，时间段相互间如何转变，由控制人员用手机拨打本仪器手机号码，手机接通时输出电流驱动继电器，使PLC的输入触点闭合或断开，控制发送时间段的转换。为了区别其他来电导致发布时间段的调整，在调整时首先按照程序的设定拨通本仪器手机，一声即关，60s后再拨通，操作时间为60s。具体为2声为10min段，3声为30min段，4声为1h时间段，5声为4h时间段，6声为24h时间段，操作时间为60s，60s后无效，需重复以上操作。

5.5 过滤抗干扰程序

在各时间段中，本仪器内置手机在每个时间段的后3min内，进行信息的编辑，手机的确认键不时接通，如果在此期间，有手机呼叫，将可能接通手机，使发送功能丧失。为了解决这个问题，将手机在此时间段信号线路切断，在其他时间段恢复，保证时间段的调整和信息的发送。在手机的使用中，不时收到短信，使手机出现短信画面，破坏信息的发送状态，需要按动返回键。在程序设计中编写了短信返回程序，其主要是根据短信的振动频率与来电频率不同而设计的。在来电调整或误呼时，不能同时达到以上两个条件，此段程序不执行，这样既不影响来电遥控调整，又能达到拒收短信的目的。

6 社会效益和经济效益分析

本仪器的成功研发，能够大大降低一线职工的劳动强度，能够准确及时地了解水位的变化情况，向领导、防汛部门提供水位、水情信息，便于领导及时决策。同时也推动治黄工作向科技化方向发展。