基于嵌入式技术的取水计量监测站运行状态巡检技术研究

（安徽省（水利部淮河水利委员会）水利科学研究院，230094，合肥）

随着国家加大水资源监控能力建设，省、市、县各级政府逐步开展了对用水企业的取水计量与监测，实现了取水数据的集中采集、汇集及使用，为最严格水资源管理和节水建设提供了数据基础。但是受限于各取水站点位置分散、故障因素复杂、维护技术要求高等因素，建成的水资源取水监测系统在运行维护方面存在难度大、成本高等问题，给各地带来较大经济压力与管理困难。

要保证取水监测系统长久稳定运行，需借助嵌入式、物联网、“互联网+”等先进技术手段开展对取水监测系统故障的在线监测与远程巡检，降低系统运行维护的盲目性，提升运维效率，降低运维成本，保障取水监测系统的稳定运行。

一、取水计量监测站故障类型分析

取水监测站由计量设备、供电设备、数据监测设备、数据传输设备等部件构成。对水资源取水监测站点运维情况的长期统计分析结果显示，取水监测站点故障主要可分为计量设备故障、供电系统故障、监测RTU故障、通信信道故障等类型。

1.计量设备故障

按照工作原理分类，水资源取水计量设备主要包括超声波流量计、电磁流量计、光电直读水表，各类计量设备均包括供电模块、通信模块及计量模块。在实际应用中，计量设备故障可细分为以下三种：①供电故障：市电供电流量计断电，或电池供电的流量计电池电量不足；②通信故障：计量设备通信模块损坏或通信用线损坏；③计量异常：传感器信号不稳定，无法准确计量数据。

2.供电系统故障

供电系统是取水监测站点正常工作的基础。野外取水监测点的电源容易遭到破坏，位于企业工作间的取水监测点可能会因为工作人员误操作导致设备断电。此外，取水泵启停时引起的电压瞬间大范围变化亦可导致供电设备损坏。常见供电系统故障类型如下：①市电断电：市电供电的监测站点因市电断电导致设备供电系统断电；②开关电源损坏：市电正常，但开关电源输出电压出现故障，无法为遥测终端及无线传输设备等供电；③蓄电池馈电：蓄电池供电的监测站点，因蓄电池老化、短路、破坏等因素导致蓄电池无法正常供电。

3.监测RTU（遥测终端）故障

RTU是监测系统的核心部件，也是监测站的“大脑”，负责监测数据的上传下达。在实际应用中，监测RTU故障可分为以下两种：①RTU死机：电源电压波动或程序长时间运行进入错误死循环导致RTU死机，监测中心无法读取RTU数据；②数据采集模块损坏：RTU数据采集模块损坏，导致RTU无法读取流量计数据或无法与无线传输模块通信。

4.通信信道故障

通信信道属于系统的传输层，是平台与监测点之间数据传输的桥梁。监测点与平台之间的通信故障主要分为以下两种：①GPRS通信模块故障：由于长时间运行，GPRS模块无法正常收发数据；②信号故障：监测点位置无线信号较弱或周围电磁干扰较大导致无法正常通信。

5.其他故障

除了设备本身质量问题及运行中产生的故障以外，还存在人为破坏监测设备的情况。监测设备均应安装于监测箱内，只有维护人员才可打开监测箱，通过监测箱门开启状态可辨别监测设备是否安全。

二、取水计量监测站故障监测技术研究

取水计量监测设备运行状态的远程监测需通过状态监测设备采集故障信号，远程传输至监测系统，推送至故障诊断子系统，从而实现故障的诊断。一般情况下，运行状态监测需要单独配置状态监测装置，但取水监测站已有具备状态监测功能的遥测RTU及GPRS模块，可通过技术改造增加状态监测功能，实现对设备运行状态的采集与监测。

1.计量设备故障监测

（1）流量计通信状态监测

监测流量计通信状态无须增加硬件设备，可配置RTU核心芯片C8051F020的标志寄存器，使该寄存器值反映流量计通信状态，值为1，表示通信状态良好，值为0，表示通信中断。

（2）流量计蓄电池供电状态监测与诊断

低功耗电池供电流量计的计量及数据通信均由自带蓄电池供电，蓄电池的电量是计量及数据在线监测的关键。蓄电池电量技术参数是其电压值，因此选取监测其电压值反映其实时电量。

蓄电池电压监测需要A/D模数转换方式实现，选用TLC2543芯片进行检测（图1）。以片选信号CS电平为参考，工作过程可分为A/D转换周期和1/0周期两个部分。当CS=1时，为A/D转换周期，此时TLC2543未被选通，其DALAOUT引脚呈高阻态，为其他芯片让出总线使用权；当CS=0时为1/0周期，既通过DATAIN输入数据，又通过DATAOUT输出数据。伴随着 CLOCK时钟信号，DATAIN向TLC2543输入控制字，而DATAOUT则输入上一周期已完成的A/D数据。

2.供电设备故障监测

（1）开关电源输出电压监测

开关电源输出电压为监测箱所有设备供电，是在线监测的动力源。通过TLC2543芯片实现电压模数转换，从而实现对开关电源输出电压状态的实时监测。由于开关电源正常输出电压为12V，故当电压值在12V左右时表示供电正常，否则表示供电异常；供电异常时，若市电电压为0则表明现场断电，若市电电压正常则可判断为开关电源故障。

（2）监测箱蓄电池电压监测

图1电压监测电路图

监测箱蓄电池电压约为13.8V。监测设备正常供电时，开关电源输出一路13.8V直流电为蓄电池充电，当开关电源断电时，蓄电池通过开关电源内部电路转换，为监测设备提供12V电源。

（3）市电供电状态监测

市电供电是监测设备最常用的供电方式。在实际应用中，常会出现现场停电、供电线路破坏等情况，造成供电异常。据巡查统计，约30%的取水计量监测站故障为供电异常。通过CPU直接监测开关电源的状态标志端子，即可监测市电供电情况。当市电供电正常时，该端子为高电平；当市电异常时，该端子为低电平。

3.监测设备故障监测

GPRS端负责采集监测设备运行状态，GPRS设置通信状态标志，当与RTU通信成功时为0，当与RTU通信失败时为1。GPRS发送数据时，该标识位信息被一同编码发送至监测平台，通过平台诊断算法进行故障诊断、报警。

4.通信信道故障监测

根据数据收发情况监测GPRS运行状态，由平台软件完成故障的监测与诊断。

5.其他故障

其他故障主要为监测箱被人为打开后设备遭到破坏。为防止这一情况，监测箱应只允许维护人员开启。对箱门开启情况进行自动监测记录，以便于管理监测设备。在箱门处安装限位触动开关，开关一端与高电平连接，另一端与一引脚相连，箱门关闭时开关闭合，该引脚电平变为高电平；箱门开启时开关打开，该引脚电平变为低电平。通过监测该引脚电平，实现对监测箱门开启状态的监测。

三、故障自动巡检技术研究

基于设备故障信息监测技术，开发取水监测故障智能巡检系统，实现对取水监测站设备故障信息采集、接收、存储、分析、诊断、巡检等，为站点运维提供巡检报告，支持取水监测定向运维与科学运维。故障自动巡检技术架构如图2所示。

图2取水监测故障自动巡检技术架构

采用计算机软件技术，开发定制取水监测故障自动巡检系统软件，实现故障信息采集、数据接收、分站点数据存储、运行状态巡检、故障诊断、故障统计等功能，并为运维人员提供故障查询、故障展示、运维管理及维护日志等服务模块。如图2所示，故障信息采集是在取水站点数据信息采集软件基础上，增加运行状态信息接收及解析功能，形成取水量及运行信息一体化采集软件；故障数据接收是对解析后的站点运行状态进行接收管理；分站点存储是对接收到的运行状态信息按照站点、时间等要素进行分类存储，形成可供巡检及分析的数据；运行状态巡检分析是核心模块，对接收到的各站点运行状态数据进行逐一巡查，剔除正常数据，留存异常状态数据，并按照站点与时间属性交由故障诊断模块进行详细诊断；故障诊断模块具体甄别故障类型，诊断结果可为故障运维提供故障查询、展示、管理、日志等服务。

四、小结

水资源取水计量监测体系运维决定水资源监控能力建设效果，是最严格水资源管理制度开展、水资源调度管理及水资源保护的重要支撑。面对规模日益拓展的水资源取水计量监测体系，只有利用嵌入式技术，开展取水监测设备运行状态监测与巡检，实现对水资源取水计量监测故障的自动诊断，才能有助于提升运维效率、降低运维成本，保障取水监测系统的稳定运行，为计收水资源费、控制水资源取用总量、节水管理等业务工作的开展提供可靠的技术保障。