（机械电子工程专业论文）基于rs485总线的闸门监控系统设计与开发.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 闸门用来调节流量、控制上下游水位、泄水防洪、排除泥沙或漂浮物等，是水利工 程中的重要组成部分。随着现代电子技术的发展，设计高可靠性、强抗干扰能力、使用 方便的远程闸门监控系统显得非常必要。 本文设计开发的闸门监控系统由两部分组成。分别为上位机监控系统和下位机闸位 控制器。上位机监控系统采用工业控制计算机，通过r s - 4 8 5 总线与闸位控制器通讯， 实时显示闸门的开度信息及闸位控制器当前的工作状态，并可设置闸位控制器的内部运 行参数，从而达到智能远程控制的目的。下位机闸位控制器使用绝对式光电编码器作为 数据采集传感器，以单片机作为其处理器，集测量、显示、控制、远传于一体，通过设 置闸位控制器各个预置值以及内部参数对闸门进行实时监控，根据不同的设定值来控制 继电器触点输出，从而控制闸门开度。 系统软件由上位机监控中心软件和下位机闸位控制器软件组成。上位机采用v i s u a l c + + 6 0 和m s c o m m 作为开发工具，通过k s 2 3 2 瓜s 4 8 5 转换器实现上位机连续可靠地 与闸位控制器之间的通信。闸位控制器采用k e i lc 作为开发工具开发了控制器监控软 件，其中包括数据存储、键盘、显示模块、4 - - 2 0 m a 环路电流d a 转换模块以及单片机 r s 4 8 5 多机通讯组网模块等。 调试实验结果表明本文研制的闸门监控系统硬件方案可行、软件运行可靠。闸位控 制器性能良好、精度高、抗干扰能力好、使用方便，达到了预期目的。 关键词：闸门监控系统；单片机：r s - 4 8 5 总线；绝对式光电编码器 基于r s - 4 8 5 总线的闸门监控系统设计与开发 d e s i g na n dd e v e l o p m e n to f h y d r o v a l v ec o n t r o ls y s t e m b a s e do nr s 一4 8 5b u s a b s t r a c t a so n eo fi m p o r t a n tp a r t si nh y d r a u l i ce n g i n e e r i n gs y s t e m ，t h eh y d r o - v a l v ei su s e dt o r e g u l a t et h ew a t e rf l o w , c o n t r o ld o w n s t r e a mw a t e rl e v e l s ，d i s c h a r g ef l o o da n dr e m o v e s e d i m e n t sa n df l o a t i n gm a t e r i a l s w i mt h ed e v e l o p m e n to fm o d e me l e c t r o n i ct e c h n o l o g y i t 。s n e c e s s a r yt od e v e l o pah i g h l yr e l i a b l ea n dr e m o t e l yc o n t r o l l e dh y d r o v a l v ec o n t r o ls y s t e m w i t hs t r o n ga n t i d i s t u r b a n c ec a p a b i l i t y t h ed e v e l 郇胡h y d r o - v a l v ec o n t r o ls y s t e mi nt h i sp a p e ri n c l u d e st w op a r t s ：t h eu p p e r m o n i t o r i n gc o m p u t e ra n dt h el o w e rh y d r o - v a l v ec o n t r o l l e r 1 1 1 eu p p e rc o m p u t e ra d o p t sa l l i n d u s t r i a lp ct oc o m m u n i c a t ew i t ht h el o w e rc o n t r o l l e rt h r o u g hr s - 4 8 5b u s ，a n dt h u st og e t t h ec u r r e n tp o s i t i o na n ds e ta l lp a r a m e t e r so ft h el o w e rc o n t r o l l e r t h el o w e rh y d r o - v a l v e c o n t r o l l e ru s e sa na b s o l u t ee n c o d e ra sp o s i t i o ns e n s o ra n di n t e g r a t e ss o m ef u n c t i o n ss u c ha s m e a s u r i n g ，d i s p l a y ，c o n t r o la n dd a t ar e m o t et r a n s f e r r i n g m o r et h a nt h a t ，t h el o w e rc o n t r o l l e r r e a l i z e st oc o n t r o lt h eo p e n i n go fh y d r o - v a l v et h r o u g he l e c t r i cr e l a y sb yc o m p a r i n gt h er e a l a n dp r e s e t t i n gp o s i t i o nv a l u e so f t h ev a l v e t h ed e v e l o p e ds o f t w a r ei sm a d eu po ft w op a r t s o n ei sf o rt h eu p p e rc o m p u t e rw r i t t e n i l lv i s u a lc + + 6 0a n dm s c 0 1 1 1 1 1t o o l s a n dt h eo t h e ri sf o rt h el o w e rh y d r o - v a l v ec o n t r o l l e r w r i t t e ni i lk e i lc ar s 2 3 2 r s - 4 8 5c o u v e r t e ri su s e da st h er e l i a b l ei n t e r f a c eb e t w e e nt h e u p p e ra n dt h el o w e r t h el o w e rc o n t r o l l e rc o d e sc o n s i s to f m o d u l e ss u c ha st h ed a t as t o r a g e t h ek e y b o a r di n t e r p r e t i n g ，t h el e d d i s p l a y ，4 之om a d ac o n v e r s i o na n dt h ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r k i n gb a s e do nr s 一4 8 5b u s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v e d e m o n s t r a t e dt h a tt h eh a r d w a r eo ft h eh y d r o - v a l v e c o n t r o ls y s t e mi sf e a s i b l ea n di t ss o f t w a r ei sr e l i a b l e 1 1 1 cc o n t r o l l e rp o s s e s s e sg o o d p e r f o r m a n c e ，h i g hp r e c i s i o n , s t r o n ga n t i d i s t u r b a n c ea n dc a nb eo p e r a t e dc o n v e n i e n t l y t h e r e f o r et h ep a d e rh a sa c h i e v e dt h ed e s i g n a t e da i m s k e yw o r d s ：h y d r o - v a l v ec o n t r o ls y s t e m ；m c u ；r s - 4 8 5b u s ；a b s o l u t ee n c o d e r 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：墓交日期：壶幺：! 芝：! 大连理工大学硕：t z t i 1 ：究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送爻学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：至旦墓童 导师签名互篁塑虿 逮! 生年生月三 日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 ，1 课题背景及意义 水是生命之源，是人类与一切生物赖以生存和发展的基本条件。水资源是生态环境 的基本要素，是生态环境系统结构与功能的组成部分，是国民经济和社会发展的重要物 质基础。水资源系统是一种多目标、多层次的，不断发展的，具有大量相互关系和作用 单元的开放复合大系统【l l 。 而在我国，水资源严重短缺，并且有限的水资源在对间和空闻上分布极不均匀。随着 水资源稀缺与供需矛盾的日益明显，节约水资源、提高水资源的利用率已成为实现水资 源可持续利用的关键口1 。 要合理的利用水资源，离不开对水资源的有效调度。传统水资源调度大多采用人工 控制，操作笨拙，信息传递、系统响应极为缓慢，还需要大量有经验的操作、管理人员， 运行费用高。因此需要建立高效、高可靠的水资源调度系统，以期提高水资源的使用效 率、降低运行成本、更好地为用户服务等。 先进的闸门监控系统是高效、高可靠的水资源调度系统的前端和基础。建立闸门自 动监控系统的目的就是使上下位机协调工作，提高闸门启闭效率，真正体现现代水电站 及水库“无人值班，少人值守”的发展方向。闸门监控系统正是解决此弊端的有效途径。 我国先后兴建了许多不同规模的水库与电站，虽然在我们国家的一些重要河流段、 湖泊上，己经建立了一套有效的水资源调度系统，但在广大的中小江河、湖泊、水库上， 水资源调度系统并未建立。应用闸门控制系统于水利、水电建设，如航运船闸、江河湖 泊防汛和沿海防潮等工程中，对于我国水资源的合理利用，对于解决我国将来的水资源 短缺问题具有更为重要的战略意义。 随着自动控制、通信及计算机技术的不断发展，把自动控制、通信及计算机网络技 术应用于闸门及水位等参量的自动测量、计算、控制和调节，是闸门监控系统的主要内 容和目标。计算机网络在水电站监控和自动化系统中得到成功的应用能够实现数据快速 传送、远程监视和操作，以及远程故障排除，节省了大量的时间和经费，因此利用网络 已经成为未来水电站自动化的一个发展方向【”】。 本闸门监控系统正是在这样的背景下被提出，并进行设计和研发的。采用r s 4 8 5 串行逶信，实现远程控制闸门、准确测量闸门的开度等多种功能，闸门管理水平有望得 到提高。它的研发和投入使用，具有很大的实用价值。尤其对于一些中、小水库，本系 统的研发更具有重要的现实意义。 基于脑- , t 8 5 总线的闸门监控系统设计与开发 1 2 开发闸门监控系统的必要性 在水利实际应用工程中，为了对水资源的闸门、水位数据进行全天候监控，结合计算 机技术、控制技术、通讯技术等开发一种集测量、显示、控制、远传于一体的闸门自动 监控系统是完全必要的。闸门监控系统的自动化具有以下优点： ( 1 ) 可以降低劳动强度，节省大量的人力，物力，财力。水资源调度中，手工操作即费 时，又费力，而且达不到良好的控制效果，使用微机监控后，我们可以在远离现场的控 制室里，对闸门，水位的各项数据进行实时记录，以及实现对闸门的实时控制。 ( 2 ) 可以实时跟踪、监控江河闸门开度、水位高度的数据，为合理调度水资源提供 第一手数据资料。根据闸门上、下游水位高度，以及闸门的当前开度，再根据水资源调 度的具体需求，从而确定出当前闸门的具体控制方案。这样提高工作效率，加快f 啊l j 的响 应速度和时间【6 l 。 ( 3 ) 闸门微机监控系统在水利发电，泄洪抗灾等方面具有不可替代的作用。在江河， 湖泊发生洪水时，水位数据变化大，变化很迅速，此时靠人工的手段是很难跟踪这些数 据变化的。而且此时也要求快速准确的对闸门实现精确控制，这也是手工操作所做不到 的。在水利发电中，为了保证水利发电的可靠性，提高发电的质量，更离不开对闸门的 实时监控。 但是对于中国这样一个人口众多、经济基础薄弱的发展中国家，中、小水电自动化 监控系统技术应该要求简单、可靠、实用。 首先结构简单，操作简单，维护方便。由于大多数小水电站位于偏僻的农村，因此 电站运行人员大多数知识水平比较低。如果自动化系统太复杂，他们难以接受。结构太 复杂，不便于维护，操作复杂，容易误动作i ”。因此，人们期待的是结构简洁，操作简 单的自动控制系统。 其次动作可靠、安全，强调自动化元件的可靠性。实现自动化的目的之一就是提高 电站监控设备运行的可靠性，因此一套动作可靠、安全的自控系统就显得很重要。启动 控制系统除了主机和传输网络要求有较高的可靠性外 s j ，测量和执行元件的可靠性也很 重要。 最后功能要求实用，减少投资。自动化监控功能和配置可适当简化，只要满足允许 要求即可。另外为了提高效益，增强市场竞争力，必须降低成本。 1 3 研究现状及发展趋势 水电站自动化技术是从上世纪末开始发展起来的。二十世纪四十年代，闸门控制 系统几乎是主机与控制一体的直接控制。五十年代则引入了远程控制技术，可以从远处 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 对设备进行控制，具有监视、控制、保护主机的功能。不过，大多采用电磁式、机械式 继电器，采取将继电器装在控制盘中的方法。六十年代则广泛采取晶体管和半导体电子 技术，控制回路向电子化、小型化、无触点化方向发展，集中化技术被普遍应用 9 - t o 。 进入八十年代，随着微电子技术、计算机技术、数据通信技术和自动控制理论的迅 猛发展，以微处理器为核心的微型计算机被应用到许多行业，微机技术在水电站自动控 制系统中已占压倒优势，计算机技术、控制技术、通讯技术和c r t 技术已成为水电站自 动控制系统的重要部分。 目前，采用分层分布式、集散控制系统为大多数系统所采用。国外的典型实例有美 国的大古力水电站，委内瑞拉的古里水电站，国内的典型实例有葛洲坝大江水电站，鲁 布革水电站，富春江水电站，丹江口水电站等等【1 1 】。 国内目前有些公司开发的闸门监控系统，使用p l c 控制器，配合中心站调度软件可 实现闸群联调等功能。如：西安沃泰科技有限公司的闸门实时监控系统【i ”、燕禹水务闸 门远程监控系统【”l 、潘大水库闸门监控系统【1 4 】。另外还有利用计算机图像处理技术， 实时显示工地当前的视频图像，具有现场图像监视功能，如南京水利水文自动化研究所 开发的闸门监控自动化系统【1 卸等，还有利用激光技术在水闸启闭控制系统中的应用 l 6 1 。 但是这些监控系统投资成本太高，结构复杂。不适合应用于中、小闸门监控系统。 近年来，随着水电站自动控制系统硬件设备不断升级，设计人员更多考虑水电站运 行的可靠性，采取了很多措施，采用了许多新技术、新理念。目前国内外闸门监控系统 的研究现状日益呈现数字化、网络化以及智能化的特点 1 7 1 ： ( 1 ) 数字化 数字化技术的运用是将荷重、水位、闸位等物理量以及开关状态等开关量都用二进 制数字表示，由此可以方便地存储、转换和进行各种处理。同时，使用数字化技术还能 有效地避免使用过多的模拟电子器件带来的系统性能不稳定的缺陷。 ( 2 ) 网络化 网络化就是在闸门控制系统中通过i n t e r n e t 网或局域两，进行远程控制、监控和诊 断，从而达到数据、信息、资料等资源共享，进行集散控制和分散风险的目的 ( 3 ) 智能化 智能化就是在闸门控制系统中广泛地使用各种先进的微控制器和控制算法，对各种 类型的参数以及传感器收集和存储的相关信息进行数据处理，从而达到自动控制、自动 显示和报告系统运行状态及参数的目的。 基于r s - 4 8 5 总线的闸门监控系统设计与开发 1 4r 8 - 4 8 5 串行通信总线 1 4 1 串行通信总线标准接口与应用背景 串行通信是c p u 与外界进行信息交换的一种方式，是指数据按顺序进行位传输的 一种方式。串行通信有两种基本工作方式，即异步传送与同步传送。串行通信的主要优 点是硬件传输资源需求较少，只要几根数据传输线即进行，从而降低了硬件成本。 常用的串口标准有r s 2 3 2 c 、r s - 4 2 2 、r s 4 8 5 标准接口。r s 2 3 2 c 标准是美国e i a ( 电 子工业联合会) 与b e l l 等公司一起开发并于1 9 6 9 年公布的通信协议。它适用于传输数 率在o 2 00 0 0 b i t s 范围内的通信。r s 2 3 2 c 串口标准目前已经在微机通信接口中广泛 采用，它不仅已被内置于每一台计算机，同时也已经被内置于从微控制器到主机的多种 类型的计算机以及相连接的设备【1 8 】。 虽然r s 2 3 2 具有很多优点，而且应用非常广泛，但是它也存在以下问题： ( 1 ) 接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与订l 电平不兼容故 需使用电平转换电路方能与丁r l 电路连接。 ( 2 ) 串口在p c 系统中应用十分广泛，p c 机可以有多个串口，但是系统可能无法为 每一个串口分配一个唯一的终端请求号，并且大多数微控制器只有一个硬件串口。 ( 3 ) 抗噪声干扰性弱，接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形 式，这种共地传输容易产生共模干扰；传输距离有限，最大传输距离标准值为5 0 英尺， 实际上也只能用在5 0 米左右。 1 9 7 7 年e i a 制定的r s - 4 4 9 除了保留与r s - 2 3 2 c 兼容的特点外，还在提高传输速率， 增加传输距离及改进电气特性等方面作了很大努力，并增加了1 0 个控制信号。与r s - 4 4 9 同时推出的还有r s 4 2 2 和r s 4 2 3 ，它们是r s 4 4 9 的标准子集。另外，还有r s 4 8 5 ， 它是r s 4 2 2 的变形。r s - 4 2 2 ，r s - 4 2 3 是全双工的，而r s - 4 8 5 是半双工的。因r s 4 8 5 为半双工的，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输。用于多站互连时可节省信 号线，便于高速、远距离传送。 1 4 2r s - 4 8 5 标准总线接口及其性能 r s 4 8 5 使用一对双绞线，将其中一线定义为a ，另一线定义为b ，如图1 1 所示。 通常情况下，发送驱动器a ，b 之间的正电平在+ 2 + 6 v ，是一个逻辑状态，负 电平在一2 一6 v ，是另一个逻辑状态。另有一个信号地c ，在r s - 4 8 5 中还有一“使能” 端，用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器 处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“l ”与“0 ”的第三态。 大连理工大学硕士学位论文 r s - 4 8 5 最大传输距离约为1 2 0 0 米，最大传输速率为1 0 m b p s 。平衡双绞线的长度 与传输速率成反比，在1 0 0 k b s 速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很 短的距离下才能获得最高速率传输。一般1 0 0 米长双绞线最大传输速率仅为1 m b p s k s 4 8 5 具有很强的抗共模干扰能力，允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备。 图1 1l c s 一4 8 5 连线定义 f i g 1 1r s - 4 8 5c o n n e c td e f i n i t i o n r s 4 8 5 具有如下优点： ( 1 ) 逻辑“l ”为+ ( 2 6 ) v 表示；逻辑“o ，为一( 2 6 ) v 表示。接口信号电平比 r s 2 3 2 c 降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与t t l 电平兼容，可方便与 t t l 电路连接。 ( 2 ) r s - 4 8 5 的数据最高传输速率为1 0 m b p s ，r s - 4 8 5 接口是采用平衡驱动器和差分接 收器的组合，抗共模于能力增强，即抗噪声干扰性好。 ( 3 ) r s 4 8 5 接口的可以实现远距离输送，另外r s 2 3 2 c 接口在总线上只允许连接1 个收发器。 即单站能力。而r s 4 8 5 接口在总线上是允许连接多达1 2 8 个收发器。即具 有多站能力，这样用户可以利用单一的r s - 4 8 5 接口方便地建立设备网络。 因r s 4 8 5 接1 2 具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等优点就使其 成为首选的串行接口。另外，因为r s 4 8 5 接口组成的半双工网络，一般只需二根连线， 所以r s 一4 8 5 接口均采用屏蔽双绞线传输，接口连接器采用d b 9 的9 芯插头座，与智能 终端r s 一4 8 5 接口采用d b 一9 ( 孔) ，与键盘连接的键盘接口r s 4 8 5 采用d b 9 ( 针) 1 9 - ”1 。 1 5 课题的研究内容 本课题来源于与西北水利科技企业的合作项目，原有闸门监控系统采用p l c 控制 器，监测参数比较少，同时人枫界面不直观，不具备组网技术等缺点。现采用微机控制 技术以及微处理器技术开发基于r s 一4 8 5 总线的分布式界面友好的组网型闸门监控系 统。 基于r s - 4 8 5 总线的闸门监控系统设计与开发 1 5 1 课题主要研究工作 本课题通过分析，针对具体情况采用微控制技术，研究基于r s - 4 8 5 总线的闸位控制 器监控系统，主要工作有： ( 1 ) 通过分析当前闸门控制系统的发展现状，提出了基于r s 4 8 5 总线的闸门监控系 统总体方案。 ( 2 ) 采用单片机微机控制技术，自主研制出了闸位控制器，采用绝对式光电编码器 作为数据采集传感器。 ( 3 ) 建立了基于r s - 4 8 5 总线的远程组网闸门监控系统，为以后的深入研究打下坚实 的基础。 ( 4 ) 采用v i s u a lc + + 6 0 和m s c o m m 编写了闸门监控系统上位机远程监控程序，给 用户展现非常友好的界面，同时使用户操作简单、方便、快捷。 1 5 2 论文内容安排 ( 1 ) 第一章，绪论。主要介绍课题的背景及意义，同时也简单介绍了r s 一4 8 5 总线的 一些优点。 ( 2 ) 第二章，闸门监控系统总体方案设计，其中介绍了整个系统的方案设计。 ( 3 ) 第三章，闸门监控系统的硬件设计。详细介绍了基于r s 4 8 5 总线的闸门监控系 统各个硬件单元模块的设计。 ( 4 ) 第四章，闸门监控系统的软件设计。详细介绍了各个软件单元模块的设计，给 出了各个模块的流程图，同时介绍了下位机监控程序的编写。 ( 5 ) 第五章，闸门监控系统调试实验。实验过程中使用开发出的闸位控制器来进行 调试实验。 ( 6 ) 最后，工作总结及展望。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 2 闸门监控系统总体方案设计 2 1 闸门监控系统总体需求分析 闸门监控系统需要对闸门实时全天候进行监控，同时室外环境特别恶劣，因此系统 应该具有高可靠性、强抗干扰能力、远程监控等特性。另外还应该具备操作方便，简单 等实用性优点。其总体需求主要包括如下几个方面： ( 1 ) 能够自动监测各闸门的开度和运行状态信息。 ( 2 ) 具有系统自检和故障报警，越限报警功能，闸门一定高度自动控制和定行程自 动控制功能。 ( 3 ) 能够对传感器采集来的数据进行计算，并将结果与设定值进行比较，从而判断 出是否出现故障或事故情况，做出相应的处理，同时上报监控中心，向工作人员报警， 并作历史记录。 ( 4 ) 提供直观的操作界面，操作员可方便地输入控制参数，实施各处闸门的启、闭 操作。 具有近地控制、同时可以远程智能控制，留有与水情测报系统智能传送实现自动化 调度运行的扩展能力。 ( 5 ) 断电数据保护功能，自动存储测量数据。 ( 6 ) 具有高可靠性，防雷击等保护措施。 2 2 闸门监控系统总体结构图及组成 根据闸门监控系统的总体需求，我们设计了如下闸门监控系统，其结构框图如图2 1 所示，它由以下两部分组成： ( 1 ) 上位机闸门监控中心 上位机闸门监控中心是整个监控系统的核心，由主计算机、人机接口设备和外围设 备及软件设备组成，它是系统的管理中心，负责完成系统中数据的收集、分析处理、发 布控制命令、发出报警信息、设置光电式闸位控制器。同时，它也是操作人员与监控系 统人、机交流的界面。由于闸门一般地处野外，自然环境恶劣，闸门监控中心计算机一 般选用工业计算机p c ，因为工业计算机抗恶劣性环境好、可靠性高。监控中心具体应 该具备以下一些功能： 定期查询和收集阉位控制器上送的运行过程实时信息，生成现场实时数据 库和历史记录图表。 基于r s - 4 8 5 总线的闸门监控系统设计与开发 实时显示和闸门相关的事件：有故障时，系统通过电铃、语音、画面显示报警， 同时应该给出事故处理指示，通过闸位控制器对闸门进行控制。 能够通过主控制中心对闸位控制器内部参数进行设定，对闸门进行远程控制， 比方说：闸门的启闭控制以及闸门预置开度值的设定等。 图2 1 闸门监制系统结构框图 f i g 2 1f r a m eg r a p h i co f t h eh y d r o - v a l v ec o n t r o ls y s t e m ( 2 ) 光电式闸位控制器 光电式闸位控制器是整个系统中最重要也是最复杂的组成部分。使用传感器来采集 工况数据，传感器是数据的直接来源【l ”，在整个系统中需要采集闸门的开度值，因此使 用光电编码器作为其数据采集传感器，把采集到的值以r s - 4 8 5 串行通信方式发送给闸 位控制器处理。 闸位控制器也采用现场总线技术，使用微处理器作为测量控制仪表的控制中心，使 其具有数字计算和数字通信能力，采用r s 4 8 5 总线作为现场总线，将多个智能控制器 大连理工大学硕士学位论文 连接成网络系统，按照规定的通信协议，在现场形成全自动控制系统而与主监控中心进 行通信。 光电式闸位控制器用来监控闸门的开度情况，通过预置闸位控制器内部参数，实现 闸门开度上限值，下限值，设定值，控制点1 上限值、控制点1 下限值、控制点2 上限 值、控制点2 下限值的监控，对以上闸门开度的七种状态进行控制，当超过某个设定值 时对应的继电器开始工作控制电机。 因此，整个闸门监控系统的工作原理是：光电式闸位器通过对闸位传感器采集到的 信号进行转化、计算分析或者接受监控中心计算机的命令，当需要闸门上升、下降或停 止时，产生相应的输出到电气开关，通过继电器或交流接触器控制闸门启闭电机的正转、 反转或停止。闸门监控中心计算机对来自各个光电式闸位器的数据进行分析、显示，作 为操作员下达命令的依据。 2 3 本章小结 本章首先分析了闸门监控系统总体需求，进而提出了基于r s 4 8 5 总线的结构的闸 门监控系统系统的设计以及给出其结构图，最后详细介绍了闸门监控系统的组成，其包 括上位机闸门监控中心和下位机闸位控制器。 一9 一 基于r , s - 4 8 5 总线的闸门监控系统设计与开发 3 闸门监控系统的硬件设计 在总体方案设计中，闸门监控系统的两个部分为：上位机闸门监控中心和下位机光 电式闸位控制器。 其中监控中心是控制系统的核心，由主计算机、人机接口设备和外围设备及软件设 备组成，计算机采用工业控制计算机，其控制各种现场信号的数据采集、处理并对过程 进行控制，以形成自动检测与控制。能够直接控制现场信号的采集和输出，对恶劣的工 作环境有较强的适应能力，有较高的实时性等特点。 闸位控制器是闸门综合自动化监控系统的重要组成部分，主要用于闸门开度值的显 示以及对闸门进行控制，因闸门的开度与启闭机卷筒转角之间呈非线性关系，故闸门开 度不易直观判断。闸门是闸位控制器的最终受控对象。闸门的启闭机借助于电动机或液 压装置等设施，通过一定的传动系统进行操作。因此，通过控制启闭机的工作状态，可以 控制闸门的开启程度。闸位控制器的典型工作原理示意图如图3 1 。 图3 1 闸位控制器工作图 f 喀3 1p h o t o e l e c t r i ch y d r o v a l v ec o n t r o l l e rw o r k i n gf i g u r e 丝绳 由于闸位控制器在整个系统中的重要性，因此，在闸门监控系统开发申，设计高精 度，抗干扰能力强，稳定性好的闸位控制器显得尤为关键，课题中设计了一种集测量、 显示、控制、远传于一体的光电式闸位控制器，完全符合闸门监控系统中对自动监控系 统的要求。光电式闸位控制器中闸门位置数据采集是采用绝对式光电编码器。 由于上位机监控中心采用的是工业计算机，硬件电路不需要单独设计，所以闸门监 控系统硬件设计中主要介绍光电式闸位控制器的硬件设计。 大连理工大学硕士学位论文 3 1 系统硬件部分设计原则 在满足工程需要的前提下，设计过程中必须强调实用性与先进性的结合。运用成熟 的自动控制技术、计算机技术、安全防范技术及计算机通信技术，使自动化监控系统保 证经济实用。系统硬件部分本着简单可靠，实用和低成本的原则进行设计【2 ”。 ( 1 ) 结构简单化 不论是什么系统，在实现其功能的基础上采用最简单的结构是进行系统设计时所必 须考虑的前提条件。鉴于此，因单片机集成度高，体积小，重量轻，性价比高等优点， 所以在设计的时候采用单片机作为主要设备。并在此基础上增加了一些系统所必须的外 围芯片和电路。 ( 2 1 通用化 整个系统采用以单片机为主的设备，这样的选择对于系统总线的选择以及接口的设 计都相当的方便，当系统采用了r s 4 8 5 总线时，各个部分之间的数据传输的准确性和 实时性就得到了保障，在完成系统功能的同时也提高了系统的可靠性。同时尽可能选择 典型电路，为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。 ( 3 ) 低成本 在元器件的选择上，除了考虑到以上两个因素，还充分考虑了系统的成本，现在市 面上的单片机种类很多，其价格也有相当大的区别，在保证系统的可靠性和功能完整性 的前提下采用了性价比高的s t c 8 9 c 5 2 r d 单片机，在外围的元器件选择上也充分考虑 了这一点，选择的都是性价比较高的产品。对单片机进行系统扩展时必须考虑单片机总 线的驱动能力。 3 2 系统硬件结构 由于光电式闸位控制器工作现场的环境恶劣，要求防雷、防潮和很高的抗干扰能力， 在硬件设计过程中采用单片机微处理器。 该系统硬件结构如图3 2 所示，采用s t c 8 9 c 5 2 r d 单片机作为主控c p u ，外围电 路包括e e p r o m 存储器、多路光电式传感器、便于组网的r s q 8 5 通信接口、数码管显 示、键盘、声光报警、五路继电器输出、和2 0 m a 电流信号智能变送输出等。具体的硬 件电路设计将在以后的章节中介绍。 基于r s - 4 8 5 总线的闸门监控系统设计与开发 设定键盘输入 卜 - 叫当捌量值啪显示 复位、低压保护1 一 一设定值显示 存储器x 5 0 4 5 l 一 一 s t c 光电编码器t 卜+ 8 9 c 5 2 一鲜鬻箨赫 单片机 r s 4 8 5 富 一 五路继电器输出 光电编码器n 卜 行伟 通 信 机卜+ 叫扣电流输出 图3 2 闸位控制器硬件结构图 f i g 3 2p h o t o e l e c t r i ch y d r o v a l v ec o n t r o l l e rh a r d w a r es 们c t u r ef i g u r e s t c 8 9 c 5 2 r d 单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机， 指令代码完全兼容传统8 0 5 1 单片机，1 2 时钟机器周期和6 时钟机器周期可任意选 择，无法解密的8 位单片机，片内带有一个8 k 字节的f l a s h 可编程可擦除只读存储器 和2 5 6 br a m ，3 2 个可编程i d o 口，3 个1 6 位定时，计数器，6 个中断源，一个可编程 串行u a r t 。最新的s t c 8 9 c 5 2 r d 内部集成m a x 8 1 0 专用复位电路。此单片机与传统 8 0 51 单片机相比具有如下特点【2 4 - 2 5 ： 增强型6 时钟机器周期，1 2 时钟机器周期8 0 5 1c p u 。 工作频率范围：o - 4 0 m i - i z ，相当于普通8 0 5 1 的0 8 0 m i - i z 实际工作频率可达 4 8 m h z 。 i s p ( 在系统可编程) 脚( 在应用可编程) ，无需专用编程器仿真器可通过串口 ( p 3 0 p 3 1 ) 直接下载用户程序，8 k 程序3 秒即可完成一片。 具有e e p r o m 、看门狗功能。 内部集成m a x 8 1 0 专用复位电路，外部晶体20 m 以下时，可省外部复位电路。 共3 个1 6 位定时器，计数器，其中定时器0 还可以当成2 个8 位定时器使用。 外部中断4 路，下降沿中断或低电平触发中断，p o w e rd o w n 模式可由外部中断低 电平触发中断方式唤醒。 通用异步串行口c o a r a 3 ，还可用定时器软件实现多个u a r t 。 大连理工大学硕士学位论文 根据功能需求以及s t c 8 9 c 5 2 r d 单片机外接芯片，单片机的i o 口分配如表3 1 。 表3 1 单片机i o 口分配列表 t a b 3 1m c ui ，op o r t sa i l o c a t i o nt a b l e 单片机 对应i o 引脚功能分配 蜂鸣器提供声音报警 5 路继电器输出 4 个功能键输入 m a x l 4 8 7r o 引脚 m a x l 4 8 7d i 引脚 m a x l 4 8 7 d e r e 引脚 a d 4 2 1l a t c h 引脚 a d 4 2 1d a t a 引脚x 5 0 4 5s c k 引脚 a d 4 2 1c l k 引脚x 5 0 4 5s i 引脚 x 5 0 4 5 c s 引脚 x 5 0 4 5s o 引脚 5 个发光二极管输出 s n 7 4 h c l 6 4l e d 显示数据引脚 s n 7 4 h c l 6 4 高四位l e d 显示时钟引脚 s n 7 4 h c l 6 4 低四位l e d 显示时钟引脚 3 3 编码器的原理及选用 3 3 1 编码器的原理【2 6 - 2 7 】 编码器是一种常用的位移测量装置。编码器分为光电式、接触式和电磁感应式三种。 光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的 传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光 栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴， 电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检 测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图3 3 所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲 2 h 引 力j 2 d 工3 d巧 m p 舢 n 眠 眠m n n h h m 挖 砚挖 即九 陀 基于e s - 4 8 5 总线的闸门监控系统设计与开发 的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差9 0 。 的两路脉冲信号。 光源透镜码盘透镜光敏元件放大整形 图3 3 光电编码器原理示意图 f i g 3 3p h o t o e l e c t r i ce n c o d e rp r i n c i p l es k e t c hm a p 光电编码器由于具有体积小，精度高，工作可靠，接口数字化等优点。它广泛应用于 数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和 设备中。根据光电编码器刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式 三种。 ( 1 ) 增量式编码器 增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲a 、b 和z 相；根据信号 a 和信号b 的发生顺序，即可判断光电编码器的正反转。若a 相超前于b 相，则对应正 转；若b 相超前于a 相则对应于反转。而z 相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的 优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适 合于长距离传输，增量式编码器的计数起点可任意设定。但是，增量式编码器的缺点是 无法输出轴转动的绝对位置信息，需要用计算机的记忆功能来保存实际的绝对转角位 置，还需要用与位置零点相对应的限位开关来确定零点，或者设置输入绝对转角位置的 人机接口。 ( 2 ) 绝对式编码器 绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对 编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进 制码、循环码、二进制补码等。它的特点是： 可以直接读出角度坐标的绝对值； 没有累积误差； 大连理工大学硕士学位论文 电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就 是说精度取决于位数，目前有1 0 位、1 4 位等多种。 ( 3 ) 混合式绝对值编码器 混合式绝对值编码器，它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信 息功能；另一组则完全同增量式编码器的输出信息。 3 3 2 光电编码器的选择 闸门监控系统中，需要断电保护闸门的绝对位置，上电时能够正确读取闸门的开度 值。因此为了在计算机掉电时保存绝对位置信号，计算机需要设计掉电保护功能。如果 在测量装置停机时被测机械运行，会使掉电保护的数据失去意义，需要重新校正显示值。 为了彻底解决上述问题，采用绝对式编码器。绝对式光电编码器相对于增量式编码器， 有以下优点： 绝对式旋转编码器因在一个检测周期内对不同的角度有不同的编码，所以编码 器输出的位置数据是唯一的。 因使用机械连接的方式，在掉电时编码器的位置不会改变，上电后立即可以取 得当前位置数据检测到的数据为格雷码，由此对于系统的断电、暂停等操作极其方便。 绝对式光电编码器在使用中无需判别坐标轴的运动方向，从编码器输出代码大 小的变化，即可判别出旋转的正反方向和运动物体所处的位置。 在码盘停止旋转后直接输出所在位置值，因此它也不会产生累积误差。 中间环节少，精度高，可靠性高，但是价格较贵。 根据以上优点衡量之后，虽然成本比较高，但是为了保证测量装置的长期可靠运行，精 度要求，本闸门监控系统中选用绝对式编码器。 编码器的数据传输有多种形式，包括并行数据传输和串行数据传输。 所谓并行数据传输：就是每个信道有一单独的数据线，供并行数据输出，由连续信 号或由释放信号来控制其输出。数据中由最低位( l s b ) 和最高位( m s b ) 来标明数位中最高 位和最低位便于识别、传送。常用二进制码和格雷码。 而串行传输占用较少的数据线，因此多被采用，应用最多的是标准的r s - 4 2 2 接口m 1 和r s 一4 9 5 接口。其中r s 4 2 2 接口是全双工的工作方式，通讯协议为s s i ( s y n c h r o n o u s s e r i a li n t e r f a c e ) ，它是用于传输编码器的输出数据到控制装置的同步串行接口协议，工 作过程为控制模块发送一串时钟脉冲信号，编码器则响应位置数据。不管编码器的分辨 率是多少，时钟线和数据线一共只有4 根，即c l o c k ，c l o c k ，d a t a , z 沥历并且r s 4 2 2 基于r s - 4 8 5 总线的闸门监控系统设计与开发 接口与供电电源是电器隔离的。通讯模块示意图如图3 4 。这种输出方式常用于量程大 的编码器。 r s - 4 8 5 接口编码器为半双工的，将编码的数字信号转换成串行r s - 4 8 5 输出，这种 输出方式一般用于编码器远距离传输，可节省电缆，同时用于多站互连时可节省信号线。 数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输。其通讯模块示意图如图3 5 。 i 收发器r s 4 2 2收发器r s - 4 2 2 d a t a + 光电 爿l d a t a i 接收器 逻辑 - _ g n dl 隔离c l o c k + kll c l o c k l 时钟发生器 图3 4 编码器r s q 2 2 通讯模块示意图 f i g 3 4t h er s - 4 2 2c o m m u n i c a t i o nm o d u l es k