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1、四川师范大学成都学院本科毕业设计基于以太网的水情监控系统设计前言 我国是一个拥有众多灌区的国家，面对这样广阔灌溉面积的水情数据，采用人工测报存在着大量问题，如数据不准确、反映水位、水流量数据不及时等，凸显维护成本高、管理不便的缺点。因此利用现代化的通信手段对水资源进行监控、管理和调配，并且使用计算机管理系统来实现对水位、流量等数据的采集与监测，在终端机上进行存储、查询等，从而充分有效的掌握水情，合理运用水资源，提高管理水平，取得更高的效益。目前推广水情自动监控技术，实现水利工程的优化调度已经成为世界各国水利工程的必要环节。如今我国的水利工程发展壮大，对国家建设起着日益关键的作用。而水情监控在防
2、洪减灾、农林灌溉、城市供水等多方面是不可或缺的环节。从早期的人工采集数据逐层上报到如今的全自动化水情监控系统，我国的水情监控走过了很长的一段发展过程。随着水利水电建设项目的不断增多和管理运用的日益加强，对水文情报工作的要求也愈来愈高。水文情报监控，不仅是防汛抗旱、也是水利水电建设和合理调度水资源的一项基本工作。水情监控要求准确和快速，其中快速的基础是水情自动采集系统、准确的基础是科学可靠的实时预报模型。水情监控系统属于应用信息采集、通信、计算机技术，完成江河、水库、湖泊等流域水量、水位等数据的实时采集、报送和显示的信息系统。本系统正是基于以太网的通信方式，通过传感器采集数据，由PLC分析量化并
3、送至组态，在终端上实现实时显示、查询等功能的水情监控系统。1 概述1.1 系统设计背景如今，水资源紧缺成为一个全球性的话题。在我们国家这个问题尤为严重，特别是自去年冬天一直延续到今春的我国北方大部分地区严重干旱更是再次敲响了警钟。水资源紧缺已迫在眉睫。我所在的华北某省整个冬天没有有效降水，对农作物生长、牲畜饮水都造成了极大危害。水资源正在变为一种越来越宝贵的稀缺资源，关系到国家经济、社会可持续发展和长治久安的重大战略问题。因此更加合理的运用水资源、节省水资源势在必行。而水情监控在防洪减灾、合理利用水资源、充分利用水资源方面都有着不可替代的作用。以太网通讯在局域网中仍起着主导作用，充分利用以太网
4、的大容量、高速度，以及学院局域网的有利条件开展此次设计。1.2 水情监控在国内外的发展情况我国水情监控系统的发展建设起步于1975年，大致分为三个阶段：第一阶段，大约从1977年底开始，经过5年左右的时间，研制出5-6套系统设备。这一阶段研制的设备都是采用分立元件组成。第二阶段，大约在1982年以后，随着微机的广泛推广使用，设备尽可能采用大规模集成电路，发展迅速，我国大部分监控系统是这一阶段的产物。第三阶段，以1986年5月水电部科学司主持召开的“小流域水情自动监控系统研讨会”为标志，开始有领导的定型阶段。从1986年以来一些主要研制单位积极围绕水电部的定型要求，组织技术攻关，开展定型工作。国
5、外发达国家早已实现大面积水情远程监测，美国广泛使用自报式超短波系统、卫星平台进行水情监控。日本国土小，工业发达，其监控系统集成化和综合程度很高。多采用无人监控站，水情数据通过无线信道传到控制中心，利用计算机进行处理分析，发布预报或警报。国外发达国家的远程水情监控系统的特点是：系统发展比较完善，传感器测报设备先进可靠；通信方式多样化且十分先进；分析预报技术成熟并积极采用各种先进的技术。如今科学技术有了极大的发展，各种新技术，新材料应用在水情监控系统中。工作人员可以足不出户就掌握现场的实时水文资料。作为毕业设计，结合本专业学到的知识技能，借鉴了大量的资料，设计一个小型的水情监控系统。该系统可有效实
6、现对一定量水池的水位数据的采集、传送、存储以及在远程终端的显示、查询等功能。1.3 设计目标与要求本设计要求实现基本的数据采集、处理、存储、显示、查询等功能，在局域网内任一终端可查询由主机发布的数据信息。 2 系统总体方案设计 系统计划采用压力式水位传感器采集数据后传送至PLC量化处理，然后送至上位机经组态存储显示和查询。如图2-1所示图2-1 系统流程图3 系统软硬件设计3.1 压力式水位传感器介绍本系统采用压力式水位传感器来采集水位信息。压力式水位传感器具有结构简单、测量精确、安装方便等特点。压力式传感器一般由不锈钢探头、导气电缆和电气盒构成。探头与电气盒之间由专用电缆连接，电缆有一导气管
7、使传感器的背腔与大气相通，电缆与探头和电气盒之间为密封连接。 分体式结构:投入液体中的传感器部分为全密封不锈钢结构，电子线路部分壳体为铸铝结构，便于调校和接线 一体化结构:传感器与放大电路均在不锈钢全密封壳体内，无需外部调校 传感器外壳的防护等级为IP68，接线盒的防护等级为IP65 该产品由高性能压力传感器作为测量元件，精度高、体积小、使用方便、抗干扰能力强、可靠性高、稳定性好、灵敏度高、防水、抗结露 免维护，安装、调试方便，直接投入水中以测量出变送器末端到液面的液位高度。3.2 EM235A/D模块介绍 压力式水位传感器完成数据采集后，输出的数据为模拟量，要实现对模拟量的控制必须要有A/D
8、和D/A模块。A/D模块把模拟量如电流、电压等转换成数字量，而D/A则正好相反，把数字量转换成模拟量，如电流、电压信号。本系统采用的A/D和D/A转换模块为EM235模块，EM235有四路A/D通道和一路D/A通道。其硬件结构图如3.2-1图3.2-1 EM235硬件结构图演示了模拟量扩展模块的接线方法，对于电压信号，按正、负极直接接入X和X；对于电流信号，将RX和X短接后接入电流输入信号的“”端；未连接传感器的通道要将X和X短接。EM235常用技术参数见表3.2-1表3.2-1 EM235常用技术参数模拟量输入特性模拟量输入点数4输入范围电压（单极性）010V 05V 01V 0500mV
9、0100mV 050mV 电压（双极性）10V 5V 2.5V 1V 500mV 250mV 100mV 50mV 25mV电流020mA数据字格式双极性 全量程范围-32000+32000单极性 全量程范围032000分辨率12位A/D转换器模拟量输出特性模拟量输出点数1信号范围电压输出 10V电流输出020mA数据字格式电压-32000+32000电流032000分辨率电流电压12位电流11位下表3.2-2说明如何用DIP开关设置EM235扩展模块，开关1到6可选择输入模拟量的单/双极性、增益和衰减。 表3.2-2 DIP开关设置EM235开关单/双极性选择增益选择衰减选择SW1SW2SW
10、3SW4SW5SW6ON单极性OFF 双极性OFF OFF X1OFF ONX10 ONOFF X100ONON无效ONOFF OFF 0.8OFF ONOFF 0.4OFF OFF ON0.2由上表可知，DIP开关SW6决定模拟量输入的单双极性，当SW6为ON时，模拟量输入为单极性输入，SW6为OFF时，模拟量输入为双极性输入。SW4和SW5决定输入模拟量的增益选择，而SW1，SW2，SW3共同决定了模拟量的衰减选择。 表3.2-3 EM235DIP开关所有输出设置单极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFFOFFONOFFON0到50mV 12.5V OFFONOF
11、FONOFFON0到100mV 25V ONOFFOFFOFFONON0到500mV125uA OFFONOFFOFFONON0到1V 250VONOFFOFFOFFOFFON0到5V1.25mV ONOFFOFFOFFOFFON0到20mA 5AOFFONOFFOFFOFFON0到10V 2.5mV 双极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFF OFF ONOFF OFF 25mV 12.5V OFF ONOFF ONOFF OFF 50mV 25VOFF OFF ONONOFF OFF 100mV 50V ONOFF OFF OFF ONOFF 250mV 125V
12、OFF ONOFF OFF ONOFF 500 250VOFF OFF ONOFF ONOFF 1V 500V ONOFF OFF OFF OFF OFF 2.5V 1.25mV OFF ONOFF OFF OFFOFF 5V 2.5mV OFF OFF ONOFF OFF OFF 10V 5mV 6个DIP开关决定了所有的输入设置，也就是说开关的设置应用于整个模块，开关设置也只有在重新上电后才能生效。3.2 PLC的选型与工作原理当某一个控制任务决定由PLC来完成后，选择PLC就成为最重要的事情。一方面要选择多大容量的PLC ,另一方面是选择什么公司的PLC及外设。对第一个问题，首先要对控制
13、任务进行详细的分析，把所有的I/O点找出来，包括开关量I/O和模拟量I/O以及输出是用继电器还是晶体管或是可控硅型。本设计采用西门子的S7-200型PLC。S7-200 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、
14、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号的8种CPU供您使用。本系统设计采用实验室配备的CPU226型。本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O 点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展
