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　　一、系統背景及設計目標
   
　　本系統完成水位檢測，并將液位傳感器的數據通過無線網絡的方式傳輸回電站監控中心。這樣就不需要像傳統的數據采集方式那樣，進行長距離施工、布線，才能夠將數據傳輸回控制中心，減少了安裝和維護上的困難。
  
　　本方案的水位自動檢測和無線傳輸設備，達到以下設計目標：
　　1、設備自成系統，除了電源以外，無需額外的硬件設備支持，檢測數據通過串口直接輸出；
　　2、安裝、維護簡單；
　　3、系統自帶網絡配置軟件，操作簡單。
　　方案中現場數據采集設備，發電廠房內的數據接收設備（將無線數據轉換成RS485 總線數據）均采用傳統設計方案。在設計中，有幾個備選方案，主要不同是實現數據的遠距離傳輸具體方式不同，但都采用無線傳輸方式。

　　二、系統的組成
   
　　本系統由系統電源、液位傳感器、數據采集控制設備、無線數據傳輸發送終端、無線數據接收終端組成。其中前四個部分構成前端采集設備，安裝在水位采集現場，系統電源為整機提供穩定可靠的電源；水位傳感器完成水位的檢測；數據采集控制系統完成對水位傳感器輸出RS485 信號進行采集、分析，另外完成對無線模塊、硬復位系統的控制；無線終端完成數據的網絡傳輸。無線數據接收終端是一臺無線終端，它通過無線網絡得到前端采集設備獲得的數據，并將無線數據轉換成RS485 總線數據輸出。

　　2.1、檢測系統構成及特點
   
　　系統采用無線網絡技術的無線檢測系統，將水位傳感器的輸出信號，通過AD 采樣，轉換成無線網絡可以傳輸的數據，傳輸到電站監控中心，實現了對水位進行實時在線檢測，真正做到了遠距離遙測。
  
　　系統具有實時性：實時在線監測；靈活性：用戶可根據自己的需求，靈活、方便的設置參數；安全性：不論是產品、還是工具及其維護，都具有系統安全性和可靠性；采集方式：實時采集等特點。

圖 1 系統構成示意圖

　　1）傳感器部分
   
　　選用MPM4700 型智能液位變送器，該傳感器的特點是：全不銹鋼結構，體積小，外殼防護等級可達 IP68；與介質接觸的材料為陶瓷，可抵抗較強的壓力沖擊；頂部不銹鋼帽可拆除，即可仿制膜片的意外損壞，又便于定期清洗；感壓膜片與介質接觸面積大，不易被堵塞。

　　2）無線數據傳輸設備
　　本方案中，設計了三種無線數據傳輸方式，它們各有優缺點，下面先對三種無線傳輸方式做具體說明。

　　A、無線 GPRS 數據傳輸方式

圖 2 無線GPRS 終端

　　GPRS 模塊在水位檢測點和電站監控機房內均需要分別安裝一個GPRS 模塊，它主要完成數據的遠距離傳輸。GPRS 其實是手機連接互聯網的分組交換協議，這就可以使得GPRS 設備成為一個互聯網設備，便于數據傳輸。

　　本公司的 GPRS 模塊，在普通模塊的基礎上，增加TCP/IP 協議，同時自帶AT 指令解釋器。使用RS485 接口，數據傳輸部分采用透明傳輸的方式，便于連接到各種現有的成熟設備上，而不需要更改已有的數據傳輸協議。

　　B、 GSM 短信傳輸方式

圖 3 短信模塊

　　在無線數據傳輸中，目前使用得非常多的是短信方式。只要用戶熟悉 AT指令，則可以采用短信方式，將采集到的數據，傳輸到遠端的一個短信接收模塊上。

　　3）系統電源
   
　　系統電源采用外接 220VAC 1A 供電。系統電源模塊使用隔離開關電源，首先將220AVC 電源轉換成12VDC 的直流電源，然后再轉換成各個模塊需要的電源。

　　4）系統可維護性設計
   
　　本系統是安裝在野外，如果系統出了問題，需要工程人員到現場維護，既費時，又費人力、財力，所以這里設計兩層保障措施，防制系統死機。第一層措施是在無線網絡中增加“心跳”數據包，如果長時間未收到心跳數據包，則進行一次軟復位，同時發送復位指令給前端系統的其他設備，讓所有設備進行一次軟復位。但是第一層是建立在前端設備未出現死機情況下，才能進行，所以還需要獨立于前端設備的一種硬復位方式，當前端設備系統出現問題的時候能夠操作設備完成一次復位，并重新運行。第二層措施是在前端設備上，配備一個短信模塊，并由短信模塊輸出 IO 控制前端設備供電。當前端設備出現問題的時候，又遠端控制中心發送多條（例如3 條，為了防制誤傳）短信給前端設備的短信模塊，短信模塊收到短信之后，判斷是否為復位指令，如果是則關斷前端設備電源，延時數秒鐘之后重新給設備上電，這樣就完成一次系統復位。

　　5）前端采集設備的安裝
  
　　前端采集設備，即系統電源、水位傳感器、數據采集設備、無線數據傳輸發送終端，安裝在野外露天環境下，因此必須做到防水、防雨、防雷擊，所以需要對它們的結構及安裝做相應的設計，下面先解決防水、防雨問題，在第四部分再對防雷擊進行設計。

　　2.2 水位傳感器安裝
  
　　由于本檢測系統是測量電廠上游進水口處水位，即對流動的水測量液位，所以安裝時在水中插入一根Φ45左右的鋼管，在管子位于水流方向的反向不同高度開若干個Φ5 左右的小孔，使水進入管中，在管的出口處將電纜線和接線盒固定。安裝示意圖如下：
 

圖4 液位傳感器的現場安裝示意圖

圖5 固定用腳架和法蘭

　　投入液體中的部分為全密封不銹鋼結構，傳感器與放大電路均在不銹鋼全密封殼體內，防護等級為IP68；接線盒為鑄鋁結構件，安裝于方便接線的地方，防護等級為IP65。傳感器及放大電路，以及接線盒完全可以露天安裝。

　　系統電源、數據采集設備、GPRS 終端安裝采用的防水措施是，將安裝于戶外的系統電源、數據采集設備、GPRS 終端，固定在密閉的金屬外殼機箱內。其中，需要外接的電纜，如無線檢測終端用的天線延長電纜、信號電纜等，使用防水防爆的航空插頭連接到機箱外部。無論開孔設置在哪里，在開孔處均需填充防水物質（如：膩子膏）。該金屬機箱安裝在水位傳感器裝置的固定腳架另一端，如上圖4所示。

　　6）無線數據接收終端

　　發電廠房內安裝無線數據接收終端，考慮到廠房內信號可能較差，需要使用射頻饋線將天線延伸到廠房以外，如圖1 所示。無線接收終端通過無線網絡，從前端設備獲得水位數據及現場其他參數；另一方面，將得到的數據通過RS485總線輸出到廠房的監控設備，或者將水位數據轉換為4~20mA 的模擬信號輸出。

　　2.3、無線傳感器網絡方式
 

4 2.4GHz 無線數據傳輸模塊

　　2.4、三種無線數據傳輸方式的比較

　　傳輸距離：GPRS 和GSM 短信方式的傳輸距離僅受移動網絡的影響，凡是有移動網絡的地方，都可以采用這兩種方式；無線傳感器網絡，可靠的傳輸距離為可視3Km，由于水位測量點距離電廠距離達到9Km，而且中間有山遮擋，所以必須增加中繼節點，采取接力傳輸的方式才能夠將數據送回發電廠房，除了測量點和廠房以外，另外至少需要配置3 個中繼節點。

　　數據傳輸實時性：GPRS 方式，由于設備隨時都在GPRS 網絡中，兩個GPRS設備形成點對點網絡，所以可以較快的傳輸數據，延時一遍在10s 以內；GSM 短信方式，短信的發送與接收對于移動網絡來說還是一個比較復雜的過程，發送短信一方，先要將短信發送到短信中心，短信中心再找到目的手機號，然后將短信發送給目標，中間可能收到短信阻塞、信號好壞的影響，延時從幾秒到一天不等；無線傳感器網絡，由于是自組網，不受移動網絡的影響，一旦網絡建立完成，就可以較快的傳輸數據，一般延時在2s 左右。

　　維護費用：GPRS 的數據是按照流量計費，一般月租5 元，可以有30Mbytes的流量，基本可以滿足大多數輸出傳輸的要求，使用費較低；短信方式，沒有一條數據，均需要發送一條短消息，雖然短消息的容量可以達到每條140 字節，但是基本上是幾個字節就需要一條短信，所以如果每分鐘有5條短信的話，每月的費用是非常驚人的；無線傳感器網絡，由于使用自組網，且是免申請的2.4GHz 頻段，使用過程中完全無費用要求。

　　可靠性：由于三種方式均采用國外進口器件和成熟方案，而且三種方式均已用于多次工程項目，因此可靠性、技術成熟度上都是較高的。考慮到安裝維護、數據傳輸實時性，其中GPRS 方式，在各種方式中占有一定優勢，只是要承擔一定的使用費用；如果使用費用是一個問題，則可以選擇無線傳感器網絡方式，但是需要增加中繼節點的安裝和維護。綜合考慮，建議選用GPRS 方式。

　　2.5、GPRS 網絡設置軟件
  
　　如果選用 GPRS 方式，考慮到GPRS 網絡的特殊性，以及使用的靈活性，本系統需要配套一個網絡設置軟件，對串口波特率、工作模式、DTU 模式等進行相應的設置，軟件界面如下圖所示。

圖7 GPRS 模塊網絡配置軟件界面

　　三、系統防雷設計
   
　　前面已經完成了前端檢測設備的防水、防雨設計，下面針對防雷進行設計。
   
　　3.1、雷擊破壞途徑

　　由于前端設備是安裝在戶外，雷雨天氣將對設備產生影響，將可能由以下幾 種途徑對系統產生破壞。

　　①直擊雷：雷電直接擊在露天的前端設備上造成設備損壞；雷電直接擊在電源或檢測線纜上造成線纜熔斷。
　　②雷電波侵入：電源線、信號傳輸或其他金屬管線遭到雷擊或被雷電感應時，雷電波沿這些金屬導線侵入設備，造成電位差使設備損壞。
　　③雷電感應：
   
　　當雷擊中避雷針時，在引下線周圍會產生很強的瞬變電磁場。處在電磁場中的檢測設備和傳輸線路會感應出較大的電動勢。這種現象叫電磁感應。當有帶電的雷云出現時，在雷云下面的建筑物和傳輸線路上都會感應出與雷云相反的電荷。這種感應電荷在低壓架空線路上可達100KV，信號線路上可40－60KV。這種現象叫靜電感應。研究表明：靜電感應方式引起的浪涌數倍于電磁感應引起的浪涌。
   
　　電磁感應和靜電感應稱為感應雷，又叫二次雷擊。它對設備的損害沒有直擊雷來的猛然，但它要比直擊雷發生的機率大得多，按原郵電部的統計感應雷造成的雷擊事故約占雷擊事故總和的80%。

　　3.2、無線設備防雷措施

    根據對無線設備的結構分析，以及雷電可能的侵入途徑，設計了以下防雷解決方案。前端設備應置于接閃器（避雷針或其它接閃導體）有效保護范圍之內。當前端設備獨立架設時，原則上為了防止避雷針及引下線上的暫態高電位，避雷針最好距前端設備3－4 米的距離。如有困難避雷針也可以架設在前端設備的機箱上，引下線可直接利用金屬桿本身或選用Φ8 的鍍鋅圓鋼。為防止電磁感應，電源線和信號線應穿在金屬管內以達到屏蔽作用，屏蔽金屬管的兩端均應接地。

　　為防止雷電波沿線路侵入前端設備，應在設備前的每條線路上加裝合適的避雷器，如電源線、信號線和控制線。