水位检测无线传输设计方案

2018-08-14 15:14:01 gjie1997 10


一、系统背景及设计目标 

    
  本系统完成水位检测,并将水位传感器的数据通过无线网络的方式传输回电站监控中心。这样就不需要像传统的数据采集方式那样,进行长距离施工、布线,才能够将数据传输回控制中心,减少了安装和维护上的困难。 
   
  本方案的水位自动检测和无线传输设备,达到以下设计目标: 
  1、设备自成系统,除了电源以外,无需额外的硬件设备支持,检测数据通过串口直接输出; 

2、安装、维护简单; 
  3、系统自带网络配置软件,操作简单。 
  方案中现场数据采集设备,发电厂房内的数据接收设备(将无线数据转换成RS485 总线数据)均采用传统设计方案。在设计中,有几个备选方案,主要不同是实现数据的远距离传输具体方式不同,但都采用无线传输方式。 



二、系统的组成 


本系统由系统电源、水位传感器、数据采集控制设备、无线数据传输发送终端、无线数据接收终端组成。其中前四个部分构成前端采集设备,安装在水位采集现场,系统电源为整机提供稳定可靠的电源;水位传感器完成水位的检测;数据采集控制系统完成对水位传感器输出RS485 信号进行采集、分析,另外完成对无线模块、硬复位系统的控制;无线终端完成数据的网络传输。无线数据接收终端是一台无线终端,它通过无线网络得到前端采集设备获得的数据,并将无线数据转换成RS485 总线数据输出。  


2.1、检测系统构成及特点  系统采用无线网络技术的无线检测系统,将水位传感器的输出信号,通过AD 采样,转换成无线网络可以传输的数据,传输到电站监控中心,实现了对水位进行实时在线检测,真正做到了远距离遥测。 

   
  系统具有实时性:实时在线监测;灵活性:用户可根据自己的需求,灵活、方便的设置参数;安全性:不论是产品、还是工具及其维护,都具有系统安全性和可靠性;采集方式:实时采集等特点。


1)传感器部分 

    
  选用中美合资麦克传感器公司的 MPM4700 型智能液位变送器,该传感器的特点是:全不锈钢结构,体积小,外壳防护等级可达 IP68;与介质接触的材料为陶瓷,可抵抗较强的压力冲击;顶部不锈钢帽可拆除,即可仿制膜片的意外损坏,又便于定期清洗;感压膜片与介质接触面积大,不易被堵塞。 

  2)无线数据传输设备 
  本方案中,设计了三种无线数据传输方式,它们各有优缺点,下面先对三种无线传输方式做具体说明。

  A、无线 GPRS 数据传输方式



  GPRS 模块在水位检测点和电站监控机房内均需要分别安装一个GPRS 模块,它主要完成数据的远距离传输。GPRS 其实是手机连接互联网的分组交换协议,这就可以使得GPRS 设备成为一个互联网设备,便于数据传输。

  本公司的 GPRS 模块,在普通模块的基础上,增加TCP/IP 协议,同时自带AT 指令解释器。使用RS485 接口,数据传输部分采用透明传输的方式,便于连接到各种现有的成熟设备上,而不需要更改已有的数据传输协议。

  B、 GSM 短信传输方式 

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  在无线数据传输中,目前使用得非常多的是短信方式。只要用户熟悉 AT指令,则可以采用短信方式,将采集到的数据,传输到远端的一个短信接收模块上。 

  3)系统电源 
    
  系统电源采用外接 220VAC 1A 供电。系统电源模块使用隔离开关电源,首先将220AVC 电源转换成12VDC 的直流电源,然后再转换成各个模块需要的电源。 

  4)系统可维护性设计 
    
  本系统是安装在野外,如果系统出了问题,需要工程人员到现场维护,既费时,又费人力、财力,所以这里设计两层保障措施,防制系统死机。第一层措施是在无线网络中增加“心跳”数据包,如果长时间未收到心跳数据包,则进行一次软复位,同时发送复位指令给前端系统的其他设备,让所有设备进行一次软复位。但是第一层是建立在前端设备未出现死机情况下,才能进行,所以还需要独立于前端设备的一种硬复位方式,当前端设备系统出现问题的时候能够操作设备完成一次复位,并重新运行。第二层措施是在前端设备上,配备一个短信模块,并由短信模块输出 IO 控制前端设备供电。当前端设备出现问题的时候,又远端控制中心发送多条(例如3 条,为了防制误传)短信给前端设备的短信模块,短信模块收到短信之后,判断是否为复位指令,如果是则关断前端设备电源,延时数秒钟之后重新给设备上电,这样就完成一次系统复位。

  5)前端采集设备的安装 
   
  前端采集设备,即系统电源、水位传感器、数据采集设备、无线数据传输发送终端,安装在野外露天环境下,因此必须做到防水、防雨、防雷击,所以需要对它们的结构及安装做相应的设计,下面先解决防水、防雨问题,在第四部分再对防雷击进行设计。 

  2.2 水位传感器安装 
   
  由于本检测系统是测量电厂上游进水口处水位,即对流动的水测量液位,所以安装时在水中插入一根Φ45左右的钢管,在管子位于水流方向的反向不同高度开若干个Φ5 左右的小孔,使水进入管中,在管的出口处将电缆线和接线盒固定。

图5 固定用脚架和法兰

  投入液体中的部分为全密封不锈钢结构,传感器与放大电路均在不锈钢全密封壳体内,防护等级为IP68;接线盒为铸铝结构件,安装于方便接线的地方,防护等级为IP65。传感器及放大电路,以及接线盒完全可以露天安装。 

  系统电源、数据采集设备、GPRS 终端安装采用的防水措施是,将安装于户外的系统电源、数据采集设备、GPRS 终端,固定在密闭的金属外壳机箱内。其中,需要外接的电缆,如无线检测终端用的天线延长电缆、信号电缆等,使用防水防爆的航空插头连接到机箱外部。无论开孔设置在哪里,在开孔处均需填充防水物质(如:腻子膏)。该金属机箱安装在水位传感器装置的固定脚架另一端。 

  6)无线数据接收终端 

  发电厂房内安装无线数据接收终端,考虑到厂房内信号可能较差,需要使用射频馈线将天线延伸到厂房以外,如图1 所示。无线接收终端通过无线网络,从前端设备获得水位数据及现场其他参数;另一方面,将得到的数据通过RS485总线输出到厂房的监控设备,或者将水位数据转换为4~20mA 的模拟信号输出。 

  2.3、无线传感器网络方式 
 

4 2.4GHz 无线数据传输模块

2.4、三种无线数据传输方式的比较 

  传输距离:GPRS 和GSM 短信方式的传输距离仅受移动网络的影响,凡是有移动网络的地方,都可以采用这两种方式;无线传感器网络,可靠的传输距离为可视3Km,由于水位测量点距离电厂距离达到9Km,而且中间有山遮挡,所以必须增加中继节点,采取接力传输的方式才能够将数据送回发电厂房,除了测量点和厂房以外,另外至少需要配置3 个中继节点。 

  数据传输实时性:GPRS 方式,由于设备随时都在GPRS 网络中,两个GPRS设备形成点对点网络,所以可以较快的传输数据,延时一遍在10s 以内;GSM 短信方式,短信的发送与接收对于移动网络来说还是一个比较复杂的过程,发送短信一方,先要将短信发送到短信中心,短信中心再找到目的手机号,然后将短信发送给目标,中间可能收到短信阻塞、信号好坏的影响,延时从几秒到一天不等;无线传感器网络,由于是自组网,不受移动网络的影响,一旦网络建立完成,就可以较快的传输数据,一般延时在2s 左右。 

  维护费用:GPRS 的数据是按照流量计费,一般月租5 元,可以有30Mbytes的流量,基本可以满足大多数输出传输的要求,使用费较低;短信方式,没有一条数据,均需要发送一条短消息,虽然短消息的容量可以达到每条140 字节,但是基本上是几个字节就需要一条短信,所以如果每分钟有5条短信的话,每月的费用是非常惊人的;无线传感器网络,由于使用自组网,且是免申请的2.4GHz 频段,使用过程中完全无费用要求。 

  可靠性:由于三种方式均采用国外进口器件和成熟方案,而且三种方式均已用于多次工程项目,因此可靠性、技术成熟度上都是较高的。考虑到安装维护、数据传输实时性,其中GPRS 方式,在各种方式中占有一定优势,只是要承担一定的使用费用;如果使用费用是一个问题,则可以选择无线传感器网络方式,但是需要增加中继节点的安装和维护。综合考虑,建议选用GPRS 方式。 

  2.5、GPRS 网络设置软件 
   
  如果选用 GPRS 方式,考虑到GPRS 网络的特殊性,以及使用的灵活性,本系统需要配套一个网络设置软件,对串口波特率、工作模式、DTU 模式等进行相应的设置,软件界面如下图所示。 

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三、系统防雷设计 
    
  前面已经完成了前端检测设备的防水、防雨设计,下面针对防雷进行设计。 
    
  3.1、雷击破坏途径

  由于前端设备是安装在户外,雷雨天气将对设备产生影响,将可能由以下几 种途径对系统产生破坏。 
  ①直击雷:雷电直接击在露天的前端设备上造成设备损坏;雷电直接击在电源或检测线缆上造成线缆熔断。 
  ②雷电波侵入:电源线、信号传输或其他金属管线遭到雷击或被雷电感应时,雷电波沿这些金属导线侵入设备,造成电位差使设备损坏。 
  ③雷电感应: 
    
  当雷击中避雷针时,在引下线周围会产生很强的瞬变电磁场。处在电磁场中的检测设备和传输线路会感应出较大的电动势。这种现象叫电磁感应。当有带电的雷云出现时,在雷云下面的建筑物和传输线路上都会感应出与雷云相反的电荷。这种感应电荷在低压架空线路上可达100KV,信号线路上可40-60KV。这种现象叫静电感应。研究表明:静电感应方式引起的浪涌数倍于电磁感应引起的浪涌。 
    
  电磁感应和静电感应称为感应雷,又叫二次雷击。它对设备的损害没有直击雷来的猛然,但它要比直击雷发生的机率大得多,按原邮电部的统计感应雷造成的雷击事故约占雷击事故总和的80%。 

  3.2、无线设备防雷措施

    根据对无线设备的结构分析,以及雷电可能的侵入途径,设计了以下防雷解决方案。前端设备应置于接闪器(避雷针或其它接闪导体)有效保护范围之内。当前端设备独立架设时,原则上为了防止避雷针及引下线上的暂态高电位,避雷针最好距前端设备3-4 米的距离。如有困难避雷针也可以架设在前端设备的机箱上,引下线可直接利用金属杆本身或选用Φ8的镀锌圆钢。为防止电磁感应,电源线和信号线应穿在金属管内以达到屏蔽作用,屏蔽金属管的两端均应接地。