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1 前言
天津市引灤工程爾王莊管理處（以下簡稱為爾王莊管理處）是引灤入津工程的樞紐所在，通過一座水庫、八座泵站和十七座閘站擔負著向天津市區(qū)、天津市開發(fā)區(qū)、塘沽區(qū)、漢沽區(qū)、大港區(qū)（包括軍糧城電廠、大無縫鋼管廠、大港油田）和武清逸仙園開發(fā)區(qū)供水的任務。年平均供水量在5.8億立方米左右，二十多年累計供水近120億立方米。隨著工程管理工作的不斷深化，管理處將所轄泵站和閘涵水情測報點聯網建成了微機監(jiān)測系統，在此基礎上，完成了供水優(yōu)化調度系統的開發(fā)及應用。在調試校核優(yōu)化調度系統中的經濟運行計算子程序時發(fā)現，水位計、閘位計的精度嚴重影響著測量和計算結果的精度。例如：水庫庫容計算，水位誤差1cm，將使計算出的庫容誤差11萬立方米；輸水暗渠閘門過流計算，在水位差為6m時，閘門起落高度誤差1cm，將使計算出的過流量誤差0.2m3/s，日流量誤差17280m3，這個問題必須引起重視并得到解決。在廣泛分析研究了國內水位計、閘位計的技術資料之后發(fā)現，國內常用的水位計、閘位計測量精度均為±1cm，雖滿足水利部水文測驗技術規(guī)程的要求，但這樣的精度對引水工程的水量計量等領域是不夠的。解決的辦法就是設計開發(fā)新一代科技含量高、測量精度高的智能化水位計、閘位計。為此，爾王莊管理處、引灤工程工管處與河北工業(yè)大學聯合，成功研制了SW-2000系列水位計、閘位計，使測量精度提高了一個等級，填補了國內高精度水位、閘位測量設備的空白。
2 SW-2000系列水位計、閘位計的硬件組成
圖1 SW-2000系列水位計、閘位計硬件原理框圖
SW-2000系列水位計、閘位計包括SW-2000Z旋轉編碼式、SW-2000Y壓力式、SW-2000F浮子式。主機由信號檢測輸入電路、微處理器、繼電器輸出電路、串口、4~20mADC電流環(huán)輸出電路等部分組成，其硬件組成原理如圖1所示。
2.1 信號檢測輸入電路
信號檢測輸入電路是完成被測量參數的檢測及ADC轉換電路。它將多種形式的被測信號（標準的電壓、電流信號或非標準的電壓、電流、電阻信號或其它形式的信號）轉換成標準電壓信號或數字信號傳送給微處理器。
(1) SW-2000Z為旋轉編碼式水位（閘位）計，檢測電路采用ZYB系列遠程編碼器，JZB編碼器發(fā)出的數據及信號通過一個單片機轉換為串型口輸出，采用RS485通訊協議送給C8051F021進行數據處理。JZB編碼器可通過線輪、齒輪或其它形式完成與被測設備聯接，其測量分辨率可達1mm。同時JZB編碼器具有機械記憶裝置，可確保在失電過程中對變化量進行記憶。ZYB系列遠程編碼器原理如圖2所示。
圖2 ZYB系列遠程編碼器原理框圖
(2) SW-2000Y為壓力式水位（閘位）計，傳感器采用壓敏型擴散硅檢測元件，將水位變化信號轉換成電流信號，傳送給微處理器MPU實現數值測量，其測量分辨率為1~5mm（由傳感器的精度而定）。
(3) SW-2000F為浮子式水位（閘位）計，它的測量元件既可采用旋轉編碼器，也可采用精密電阻傳感器。為避免電阻器件受溫度變化及滑點機械磨損造成的接觸不良影響到測量精度，在電路設計時采用由MPU提供標準電壓、電阻傳感器分壓比法測量的方案，即解決了影響測量精度的外界因素，又解決了不同參數元器件不能直接代換問題。
2.2 微處理器
微處理器MPU采用Cygmal公司生產的最新高集成度微控制器C8051F021，它具有8路12位ADC和兩路DAC、可編程的I/O口、片內電源監(jiān)視、看門狗定時器、時鐘源和FLASH存儲器。FLASH存儲器可實現在線編程和用于非易失性數據存儲（EEPROM的作用），工作溫度范圍為-45℃~+85℃。可用Keil C高級語言開發(fā)。它的串口幾乎覆蓋了全部串行通訊標準，具有低功耗工作方式設置。4352字節(jié)的RAM、64K閃速存儲器、定時器、串行總線、外部中斷源、ADC轉換輸入、比較器輸出等，都可通過Crossbar寄存器定向到P0、P1、P2中的I/O口，具有顯示輸出I/O口、控制輸出I/O口、4~20MA輸出I/O口、串口、多種節(jié)電休眠和停機方式。
2.3 繼電器輸出電路
繼電器輸出電路用于輸出開關控制信號。
2.4 4~20mA電流環(huán)輸出
在本儀表的數據處理及控制中均采用數字電路，這樣就大大提高了設備的測量精度和抗干擾能力，同時也非常容易與現代化自動監(jiān)控系統形成網絡。而有時部分用戶不能接收數字信號，需將數字信號轉換為4~20mA的模擬信號輸出，因此，筆者設計了DAC數模轉換電路供用戶選用。
3 SW-2000系列水位計、閘位計的軟件功能
圖3 SW-2000系列水位計、閘位計軟件原理框圖
SW-2000系列水位計、閘位計的軟件功能如圖3所示。
4 SW-2000系列水位計、閘位計的功能特點
? SW-2000系列水位計、閘位計，具有高集成度、強抗干擾、低功耗；
? 配有RS485/232通信接口，波特率由面板上設定，輸出參數有日期、時間、水位（閘位）、上下限狀態(tài)信號與上下限值。通過串口與上位機聯接實現數據遠傳和遠程服務及參數遠程在線修改；
? 具有4~20mA AD的模擬量輸出功能；
? 能夠檢測多種形式的信號源，標準或非標準的電壓、電流、電阻、脈沖、編碼數據或串口聯接；
? 具有高程預設功能（黃海、大沽、85高程）；
? 具有水位初始值預設功能；
? 具有量程設定功能；
? 可在面板上預設4路輸出的上下限（4路輸出均為繼電器開關量信號），水位計下限為低水位1、低水位2，上限為高水位1、高水位2。閘位計下限為低閘位1、低閘位2，上限為高閘位1、高閘位2；
? 具有數據存儲功能，可用筆記本電腦現場提取數據；
? 具有實時時鐘及時鐘修改功能。
5 SW-2000系列水位計、閘位計的鑒定結論
在將研制成功的SW-2000系列水位計、閘位計應用于工程實際之前，天津市計量技術研究所對該系列的高精度水位、閘位測量設備進行了權威的鑒定，鑒定結論如下：
(1) SW-2000Z 旋轉編碼式
分辨力：0.1cm；量程：0~10m；水（閘）位變化率：不低于40cm/s；準確度等級：0.2級。
(2) SW-2000F浮子式
分辨力：0.1cm；量程：0~10m；水（閘）位變化率：不低于40cm/s；準確度等級：0.3級。
(3) SW-2000Y壓力式
分辨力：0.1cm；量程：0~10m；水（閘）位變化率：不低于40cm/s；準確度等級：0.5級。
6 SW-2000系列水位計、閘位計的應用效果、經濟效益和推廣前景
SW-2000系列水位計、閘位計榮獲天津水利科技進步獎，在可靠性、先進性、實用性、經濟性等方面具有明顯優(yōu)勢，其應用效果良好、經濟效益顯著、推廣前景廣闊，簡析如下：
SW-2000系列水位計、閘位計的先進性能、高可靠性和極高的計量精度，可使水利工程管理現代化水平提高一個等級。這一點在大量成功應用該系列設備的引灤泵站和閘站已得到了證實。以爾王莊輸水暗渠輸水量計算為例，將閘位的計量精度由厘米級提高到毫米級，每日減小水量流失為17280m3，每立方米水按照0.4元計算可挽回經濟損失17280×0.4=6912元。
由于CPU的使用溫度在-45℃與+85℃之間，特別適合水利行業(yè)野外測量的場合，與老式的運放集成電路儀表相比可節(jié)省相應的防寒設施。就以簡易防凍房和必要的取暖設備計算，每一套簡易房也要近萬元，同時也節(jié)省了每年的取暖費用。
SW-2000水位計、閘位計的所有參數可通過串口傳送給上位機，比老式水位計、閘位計需加接口電路更方便、更經濟。SW-2000系列儀表，遠遠優(yōu)于運放集成電路儀表，而價格相當。
目前，國內大多數水位計、閘位計為運放集成電路儀表，而且精度都在±1cm，正在逐步更新。另外，由于工程管理的現代化要求和計算機監(jiān)控系統的應用，老式的水位、閘位計量儀表已不能滿足需要，因此在水利事業(yè)飛速發(fā)展的今天，SW-2000水位計、閘位計將大有用武之地。
7 結語
SW-2000系列儀表是工程管理單位與高等院校進行產學研結合的成果，它吸收了國內最新智能化儀表的設計經驗，采用工業(yè)控制單片機，集水（閘）位采集、存儲、顯示及遠程聯網于一體，適用于各種液位、閘門開度的測量、存儲、顯示和數據遠傳聯網，同樣也適用于其他物體位移測量、存儲、顯示和數據遠傳聯網，具有高精度、高可靠、多功能、智能化等特點。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號