基于嵌入式系统的全渠道灌溉智能水文采集控制装置设计

孟建军，李秉权

(1.兰州交通大学机电技术研究所，兰州 730070；2.兰州交通大学机电工程学院，兰州 730070；3.甘肃省物流及运输装备信息化工程技术研究中心，兰州 730070)

0 引 言

灌溉的合理用水是衡量水资源科学可持续发展的重要一环。全渠道灌溉系统(TCC)理论是由澳大利亚潞碧垦公司提出并实现的一种将传统的人力控制、用水损失较大的明渠灌溉系统改造成高效灵活的网络化全自动控制灌溉系统。TCC已经在澳大利亚、美国、加拿大等十几个国家得到了应用[1]。其中，在澳大利亚的FoodBowl灌区(灌溉区域约6 000 km2，灌渠总长达6 300 km)，与传统灌溉系统相比，TCC灌溉水利用系数由70%提高到了约84%。此外在我国的宁夏青铜峡灌区、山西汾河灌区和疏勒河流域的昌马灌区也引进了TCC系统作为试点工程[2]。但是由于我国水资源分布不均衡，目前大、中型灌区约5 600 处，灌溉面积0.22 亿hm2，占灌溉总面积的43%，巨大的灌溉配水需求在全部引入应用TCC系统时将是不菲的费用；同时我国的电力、水利技术规范标准与国外不尽相同，就存在着标准不一致带来的不兼容问题。目前对于自动化灌溉控制下的研究一般采用ZigBee协议传输[3]，然而ZigBee无线信号绕射性和稳定性一般且成本造价高，传输距离受限。本文介绍了一种用于全渠道灌溉系统的水文采集控制一体装置，依照我国水利水电标准、通讯传输规约，采用价格相对低廉的MCGS工业嵌入式控制系统为核心处理器，结合PLC可编程控制器控制闸门动作，利用GPRS DTU无线网络技术保障数据交互[4]。该装置能实现灌区水情监测采集、计量分析、上报监控中心、视频(图像)监控、远程控制闸门、智能预警报警等功能。设计了基于MCGS嵌入式系统的预设通讯规约下的GPRS通讯驱动，设计了采用模糊控制理论实现灌区闸门的自动化控制，实现灌区农业种植“按需配水”。

1 总体方案

本文设计并实现的装置包括了水情采集、无线通讯和闸门控制功能。水情采集单元包括液位传感器、雨量传感器、数据采集模块、MCGS嵌入式工控机，数据采集模块使用ADAM-4050模块。供电电源主板由太阳能光伏阵列电池板、充电控制电路、DC-DC控制升压电路和铅酸蓄电池等组成。闸门控制单元使用西门子系列S7-200PLC与继电器相结合，配合MCGS嵌入的VB控制语言控制闸门升降动作。为保证本装置可适用于野外恶劣条件和干扰等，将采集模块、工控机、无线通讯单元、供电电源主板及闸门控制单元分开安装在合理尺寸的电气控制柜中，保证足够的电气隔离距离[5]。

其中，MCGS工控机开发软件中并没有提供标准化GPRS设备驱动程序，本文设计了基于预设通讯规约下的针对本装置采用的有人USR-GPRS-734无线通讯模块的驱动程序，运用Active DLL构件方式及规范的OLE接口与MCGS挂接驱动[6]，将采集数据及装置工作状态上传至基站。

闸门过流量的实时计量是闸门自动化控制的一个重要影响参数。但考虑渠道水流量具有时变性、非线性和不确定性[7]，本装置采用模糊控制算法设计了模糊控制器，从而提高闸门的调节精度及稳定性，实现自动化反馈闸门控制单元，为监控上位机实现合理地远程调配水资源奠定现地控制基础。

水文采集控制装置总体设计结构图如图1所示。

图1 总体设计结构图

2 硬件设计

该装置采用模块化的设计思想，其主要由核心控制工控机、传感器、无线通讯模块、闸门控制单元和供电电源主板组成，本装置硬件结构图如图2所示。

图2 硬件结构图

2.1 采集模块

MCGS(Monitor and Control Generated System)工控机是配合MCGS组态软件实现快速构造和生成计算机监控系统的人机交互核心触摸屏。水位传感器通过双绞屏蔽线，经由ADAM-4520隔离RS-232到RS-485双向转换器，与MCGS的COM端口2、3、5引脚连接；雨量传感器的通断信号经由ADAM-4050数字量I/O采集模块，转换输出为差分信号后与ADAM-4520转换器连接，最终实现多路数据的采集；MCGS的COM端口7、8引脚与GPRS DTU连接，通过调取GPRS设备驱动，将采集到的水位、雨量数据以约定通讯协议格式打包通过USR-GPRS-734上传至上位机解析，同时接收、解析上位机数据包指令，相应控制闸门单元。

2.2 PLC闸门控制模块

本装置闸门控制模块主要由核心控制单元、主回路、控制回路和闸门开度仪传感器四部分组成。核心控制单元采用西门子S7-200系列，CPU226型号的可编程序控制器，通过PC/PPI编程电缆，经RS485转换与MCGS工控机连接，以标准Modbus通讯协议与MCGS实现通信并控制闸门；主回路和控制回路使用的器件主要有断路器、接触器、电磁继电器、指示灯和热继电器保护等；闸门开度仪包括绝对型光电编码器与闸门显示仪表，MCGS将按程序设定的采集周期，借助显示仪表将光电编码器采集的SSI串行同步信号转换成MCGS可接收的RS485通信信号实现定时不间断采集闸门开度、荷重等运行参数[8]，从而获得闸门的实时状态与动态荷载。同时为保障PLC工作的稳定性与可靠性，在控制闸门的上升、下降和停止的过程中，增加热继电器用于过流保护，动作上、下限位报警和卡滞报警，一旦报警发生将立即停机保护设备并向上位机发送报警信息，等待上位机指令后复位PLC，再重新控制闸门。

3 软件设计

本装置基于MCGS工控机搭配的组态操作系统进行二次开发，软件开发基于Visual Basic编程语言，采用本地计算机作为主机装置开发主机，通过开发软件与装置的硬件结构配置，利用放置图元、动画构件和图符等各种图形对象，设计满足装置要求的画面，建立与实时数据库的连接，实现数据和流程的可视化，实时显示各个参数数据，部分参数反馈到闸门控制单元。装置运行流程图如图3所示。

图3 装置运行流程图

3.1 通讯驱动程序设计

MCGS在工作运行模式下需要按照设定的采集周期不断调用不同设备的CollectDevDat接口。有人的USR-GPRS-734与上位机监测中心是以网络透传的工作形式通讯，同时它提供了开放的 API函数。在开发基于MCGS的GPRS驱动时，需要根据规定的通讯协议格式将不同通道的数据打包上传，同时按照协议对接收的数据流解包、检验和分配数据到各个数据通道中显示，实现上位机与本装置的数据交互。最终编写和生成了一个可供MCGS调用的设备驱动函数。本装置的GPRS通讯CollectDevDat设备接口编程如下：

Public Function CollectDevDat(alngDataFlag As Variant,asng Data Value As Variant, intToHexstr As Variant) As Long

writeresult=do_write_proc( data, userid(1),1)

If writeresult=0 Then

∥处理数据是否为注册信息

aStr = !I2Hex(number)

If !len(aStr) < 4 then bStr = !Strings("0",4-!len(aStr))

intToHexstr = bStr + aStr

∥数据转换为16进制字符串

sendStr = "{" + 设备地址 + "!" + intToHexstr(data1) + "!" + intToHexstr(data2) + "!" + intToHexstr(data3) + !Chr(34) + intToHexstr(yewei1) + !Chr(34) + intToHexstr(yewei2) + !Chr(34) + intToHexstr(yewei3) + "#" + intToHexstr(yuliang1) + "$" + intToHexstr(yuliang2) + "%" + intToHexstr(yuliang3) + "&" + intToHexstr(zmkd1) + "&" + intToHexstr(zmkd2) + "&" + intToHexstr(zmkd3)+ "'" + intToHexstr(data4) + "'" + intToHexstr(data5) + "(" + intToHexstr(data6) + "(" + intToHexstr(data7)+")"+!TimeI2Str(!TimeGetCurrentTi_me(),"%H%M%S") + "*"

∥数据转换组合，按照通讯协议格式打包数据

!Str2ByteArr(sendStr,tmpByte)

crc16=!SvrByteArrayModbusCRC(tmpByte,1,99)

∥计算CRC16校验字节

!DevWriteStr(sendStr + intToHexstr(crc16) + "}")

∥发送数据重组，并从串口发送数据

sendresult=do_send_data(sendclient,sendzha_m,sendStr1,senduserid(1) )

∥按照通讯协议解析数据包，分配到各个数据通道

Dataresult=ReadData(data,userid(1) )

End If

End If

End Function

3.2 MCGS程序设计

MCGS由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五大部分组成[9]。本装置设计了水位、雨量的监控采集，闸门指令操控，故障报警，运行报表统计等实时显示界面。本装置的人机交互工控机可以实时显示当前装置的运行参数状态，同时工控机的实时数据库和历史报表功能可以保存不同时间段的水情信息，为后期的统计、分析、预警留下重要依据，它与上位机监控中心互补最终实现本装置的自动化、智能化控制。MCGS工控机中水位运行报表主界面如图4所示。

图4 水位运行报表界面

本装置需实现闸门自动化升降控制，关键环节是需要比较预设闸门开度与当前闸门开度并做处理。MCGS工控机中闸门监控的主界面如图5所示。同时在MCGS中的循环运行策略中编写了脚本程序，并加入闸门精度值来提高闸门的控制精度，脚本程序如下：

IF 闸门开度值1 - 闸门精度值 > 闸门指令值2 AND 闸门控制_执行1 = 1 THEN 闸门运行状态降=1

IF 闸门开度值1 + 闸门精度值 < 闸门指令值2 AND 闸门控制_执行1 = 1 THEN 闸门运行状态升=1

IF 闸门开度值1 - 闸门精度值 < 闸门指令值2 AND 闸门开度值1 - 闸门精度值 = 闸门指令值2 AND 闸门开度值1 + 闸门精度值 > 闸门指令值2 AND 闸门开度值1 + 闸门精度值 = 闸门指令值2

THEN 闸门运行状态停=1

该程序可用于实现闸门的自动启停、按需供水的设定。

图5 闸门监控主界面

3.3 闸门控制程序设计

闸门控制程序的开发选用西门子专用开发平台STEP7-Micro/WIN32 V4.0，是用于SIMATIC可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包[10]，采用模块法编制控制程序，将闸门的开度转换成在MCGS里的脚本程序，不断调取循环策略实现闸门的自动化控制。闸门的部分控制程序如图6所示。

图6 PLC闸门控制程序(部分)

4 模糊控制与可靠性分析

4.1 模糊控制设计

渠道水流量的准确监测是精确控制闸门的重要因子之一。目前对于水流量的计算均停留在管道流量的领域内，对具有时变性、非线性和不确定性等特点的水渠流量没有比较可靠的变送器模块，但是利用传统的PID算法控制，稳定时间较长且超调量及振荡都达不到理想效果。因此采用模糊控制理论方法对水闸的闸前闸后水位计量并设计模糊控制器对闸门的开度进行实时控制，从而提高闸门的稳定性，保障闸门的调节精度，同时具有较好的鲁棒性。本装置中闸门控制的模糊控制器原理见图7。

图7 闸门模糊控制原理图

该装置模糊控制器为二维模糊控制器。偏差e为预期水位值与当前监测水位值的差值，ec为偏差变化率，u为闸门开度的改变量，以e和ec作为输入变量，u为输出变量共同构成二维模糊控制器。

在PLC控制闸门运行过程中，不断检测e和ec，不断修改输出量u，使得被控对象水位值更快速的趋向稳定。在模糊控制中，隶属度反映了变量接近某一等级的程度，它的数值区间是[0,1]，且隶属度越大，控制变量属于某一等级的程度越高。在本装置模糊控制设计中经过理论与试验的不断调整，控制状态最佳时选择区间为[0.4,0.7]作为模糊子集的最大隶属度，对比试验后选择0.55。再通过e、ec、u的模糊化、建立模糊控制规则、逆模糊化后生成模糊判定查询表，最后乘以适当因子，作为控制输出量，实现对闸门的稳定自动化控制。图8为利用Simulink动态仿真工具建立的闸门控制系统仿真模型。图9为Simulink仿真本装置模糊控制闸门开度曲线。

图8 闸门控制系统Simulink仿真模型

图9 模糊控制Simulink仿真曲线

4.2 装置可靠性设计

在安装过程中考虑本装置应用于野外环境下，为保障整个装置可靠地工作，建立接地系统并安装防雷装置提高供电系统的稳定性，同时增加了稳压滤波装置保证PLC不受闸门动作时电压波动影响，使其工作电压稳定在额定输入范围内。为了提高本装置的可推广性，将本装置涉及元器件及设备统一安装在现场控制样机柜中，保证了安装间距、隔离屏蔽以防止信号干扰，同时也注意了安装的紧凑型。另外，采用增加减振弹簧和缓震橡胶垫等措施减少闸门振动时所产生机械干扰的影响。

本装置已应用于某小型灌溉试验田现场，现场试验表明，本装置对水位、雨量、闸门状态数据采集迅速准确，上传数据稳定可靠，闸门可根据现场给定预期闸门开度值指令后1 s内迅速反应动作，并根据闸前闸后水位快速趋于平衡，在多次试验对比后误差保持在±0.2%之内。实践证明本装置可以实现灌区的“无人值守”，降低了人工操作的不稳定性，减轻了劳动强度，经济效益显著。

5 结 语

本文设计的水文采集控制装置充分利用了MCGS组态工业级稳定性和强大的可扩展性的优势，实现集中精确监测和稳定控制，保证了数据远程交互的可靠性。不同于以往测报技术研究及目前市面上常见的水文测报产品，本装置在水文遥测的基础上可实现远程遥控灌区明渠现地闸门，帮助用水管理单位做出科学高效地输配水决策并代替现地操作员实施自动化停放水，通过现场调试运行证明该装置契合我国在相关领域内的应用标准规约，符合实际运用需求，降低了制作成本，具有很好的推广应用价值。