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淺談管網監測微功耗測控終端產品設計
摘要：管網壓力監測點的環境比較復雜，對測控設備的要求比較高，無電、潮濕限制了許多測控設備的使用。本文從產品設計的角度闡述微功耗測控終端如何滿足各供水企業現場監測的需求。
關鍵詞：微功耗 測控終端 管網監測 GPRS
管網的壓力、流量和流向是供水調度系統中重要的監測內容，測控終端被安裝在監測現場采集管網壓力、流量、流向等信息，并將信息傳遞到調度中心。
目前，國內水司選用的測控終端各不相同，有的選用數采模塊加電臺，有的選用數采模塊加有線Modem，有的選用PLC加GPRS，這些設備雖然能夠滿足現場的需求，也存在著一些不足之處，如：電臺方式維護量大、有線Modem方式費用高、普通GPRS功耗大等等。
依據水司的普遍要求，結合水司管網監測的特點，我公司設計了一款微功耗測控終端，該終端將微功耗測控技術和GPRS通信技術進行了科學的整合，能夠滿足供水管網監測不同使用環境的要求。現將設備設計特點及使用特點介紹如下：
一、設計特點
1、模塊化結構設計
微功耗測控終端主要由四部分組成：測控單元、通信單元、顯示與操作單元、電源單元。
測控單元是終端設備的核心，負責采集現場壓力變送器的電流或電壓信號、采集流量儀表的脈沖信號或數字信號、采集水質監測設備的模擬信號或數字信號，提供繼電器信號輸出，為現場變送器等設備提供5V/12V/24V直流供電電源，控制通信單元和供電單元。
通信單元主要負責現場與調度中心之間的通信。采用GPRS無線通信方式，兼容GSM短信通信方式。工作模式分三種：普通模式、待機模式、休眠模式，不同供電模式選用不同的工作模式。
顯示與操作單元主要負責現場監測數據及現場參數的顯示，使用按鍵操作可查詢監測數據和設置參數，采用中文液晶顯示和防水磁感應按鍵。
供電單元主要為終端設備提供工作電源，支持三種供電模式：市電供電、太陽能供電、電池組供電。不同的現場環境選用不同的供電模式。
2、防水設計
城市壓力監測點隨管網分布，監測終端設備多數安裝在觀測井內，要求設備防水、防潮。微功耗測控終端采用如下防水設計以確保防水效果。
◆外殼防水設計：
材質選用增強尼龍，其防水、防潮、防腐、抗凍、抗熱、強度、韌性等指標均滿足觀測井下使用環境，且重量輕。
終端的上下蓋之間、進出線口是水和潮氣容易進入的地方。終端的上下蓋之間采用H型密封條密封，從三個方向包圍上下蓋之間的接觸壁，上下蓋之間使用14個不銹鋼螺栓的緊固，兩個相鄰的螺栓之間距離為5cm，保證了緊固強度；進出線口使用防水接頭，防水接頭與殼體之間采用O型圈與防水膠共同密封，進出線與防水接頭之間使用密封膠套和密封膠
共同密封。終端的防護等級可達IP68。
◆二次防水設計
微功耗測控終端在現場安裝維護的過程中，有時由于安裝人員操作不規范，如螺絲緊固的強度不夠，可能會降低終端的防水性能。為了保證終端設備不被井內積水浸泡，針對其使用環境，我們專門設計了防水罩，終端設備安裝在防水罩內，防水罩口朝下固定在井壁上，積水高過防水罩時，由于罩內空氣壓力作用，可以阻止積水接觸終端設備。
◆接線防水設計：
微功耗測控終端安裝在井下時，要配帶防水線纜和防水接線盒，終端與防水線纜之間按上述要求做好防水，壓力變送器或其它儀表提供的線纜與終端的線纜在防水盒內端子上連接，接好后，防水盒內注入防水膠。
二、使用特點
1、供電及工作模式
調度中心對管網壓力監測的實時性要求很高，但許多壓力測點往往不具備供電條件，一般監測設備由于功耗和工作模式的限制，很難滿足客戶的需求。我們依據微功耗測控終端的特點，規劃設計了三種工作模式：
◆普通模式
測點具備220V市電或太陽能供電條件，終端設備可以滿足數據的頻繁采集、頻繁傳輸，并支持數據實時上報和調度中心主動問詢。
◆待機模式
測點無供電條件，供電選用可充電大容量蓄電池，由于電池電量限制，需要合理的設置終端設備的數據采集間隔和數據發送間隔。無線發送數據時設備的功耗大，采集時的功耗可以忽略。終端設備支持數據定時上報、數據超限上報和調度中心的主動問詢。
蓄電池固定在支架上，外裝防水外殼。微功耗測控終端可以檢測蓄電池的電壓，電壓超過下限時，需要對蓄電池進行充電，充電周期與發送頻率和選配蓄電池容量相關。1個100Ah的蓄電池一般可以支持終端設備正常工作3—4個月。
◆休眠模式
測點無供電條件，供電選用一次性鋰電池組，該電池組安裝在微功耗測控終端內。由于電池組的電能有限，終端只能支持數據定時上報和變化上報。終端頻繁采集壓力等數據與設置的上下限數值進行對比，數據超限時立即上報，數據未超限時存儲，等到設定的上報時間一起上報。一組4節的高能鋰電池一般可支持設備正常工作1—2年。
終端設備平時處于休眠狀態，只有在上報數據時才喚醒，平時不支持調度中心主動問詢。
2、設置與維護
水司的設備維護人員通過簡單的培訓就可以安裝、設置、維護微功耗測控終端。這樣不但方便了用戶，還可以大大提升產品可普及率。
微功耗測控終端采用三種設置方式：現場按鍵設置、現場計算機設置、調度中心遠程設置。
普通設備維護人員可以使用終端按鍵設置或修改測點編號、采集時間間隔、發送時間間隔、壓力變送器量程、水表倍率、串口速率等參數。
經過培訓的相關技術人員在調度中心可以遠程設置、修改更多的終端設備參數，還可以對現場終端設備進行遠程軟件升級。
三、結論 微功耗測控終端經過遼寧、河北、北京、山東等地多家水司長期使用，均認為該產品的功能、功耗、防水、維護等設計都是從現場應用實際出發的，解決了很多現實問題，具備很大的推廣價值。
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