基于multisim的腦電采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真【實(shí)用文檔】doc

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基于multisim的腦電采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真【實(shí)用文檔】doc文檔可直接使用可編輯，歡迎下載課程設(shè)計(jì)說明書題目基于ｍultｉsim的腦電采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真學(xué)院（系)：年級專業(yè)：學(xué)號:學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：教師職稱：目錄1課程設(shè)計(jì)的目的………………42課程設(shè)計(jì)的要求………………43腦電放大濾波的方案設(shè)計(jì)……54腦電儀采集電路………………54。1前置放大電路…………54.2高通低通濾波電路………………８４.350Hz工頻陷波………1０４．４電平二級放大電路………………125課程設(shè)計(jì)總結(jié)……………………１３6參考文獻(xiàn)………………14１課程設(shè)計(jì)的目的腦電信號是與反映大腦神經(jīng)活動(dòng)有關(guān)的生物電位，由皮層內(nèi)大量神經(jīng)元突出后電位同步總和所形成的，是許多神經(jīng)元共同活動(dòng)的結(jié)果.對它進(jìn)行檢測可用于神經(jīng)診斷和認(rèn)知生理心理學(xué)研究,以及康復(fù)領(lǐng)域.現(xiàn)在已明確，在頭皮上引導(dǎo)的腦電波振幅,在正常情況下，從波峰到波底為５~２00μV(而從大腦皮層上引導(dǎo)的電位變化可達(dá)到１ｍV）其頻率范圍從小于1Hz到１０0Ｈz,波形因不同的腦部位置而異,并與覺醒和睡眠的水平相關(guān)，且存在很大的個(gè)體差異,也就是說腦電波在不同的正常人中也存在著不同的表現(xiàn).因而腦電信號放大和采集的實(shí)現(xiàn)仍是一個(gè)難題.而實(shí)現(xiàn)腦電信號放大的主要困難在于高增益放大的同時(shí)去除各種干擾。腦電圖是一種隨機(jī)性的生理信號,其規(guī)律性遠(yuǎn)不如心電圖那樣明確，通常將腦電圖的振幅和頻率成分作為腦電診斷的主要依據(jù)，而頻率成分顯得尤為重要。因?yàn)榇竽X活動(dòng)的程度與腦電圖節(jié)律的平均頻率之間有密切的關(guān)系.一般將正常腦電活動(dòng)相關(guān)的腦電波頻率范圍劃分為五種類型，頻率由低到高，將正常的腦電信號劃分為δ(0。5～3．5Hz）,θ波（4～7Hz），α波（8～13Hz）,β波(18～３０Hz）,γ波(31Hz以上）。本課程設(shè)計(jì)目的是設(shè)計(jì)一個(gè)低功耗腦電儀采集電路。腦電信號采集模塊主要由腦電采集電路、信號放大電路、濾波電路和ＡD采樣電路組成。腦電信號十分微弱且有較多干擾，所以在電極采集到心電信號之后，先通過放大電路將信號高保真放大，然后再通過濾波電路濾除諸多干擾得到較高信噪比的心電信號，最后進(jìn)行AＤ采樣。2設(shè)計(jì)要求及注意事項(xiàng)由于腦電信號十分微弱,通常在微幅量級，所以腦電放大器的前置放大器應(yīng)有較高的要求，應(yīng)有較低的輸入噪聲，高增益，高共模抑制比低漂移和高輸入阻抗等要求。具體參數(shù)要求如下：增益:５00～10０0倍共模抑制比：大于8０dB輸入阻抗：大于10兆歐姆同時(shí)滿足安全、實(shí)用、可靠等特點(diǎn)干擾信號主要來源:1.工頻干擾50Hz工頻干擾是由人體的分布電容所引起,工頻干擾的模型由５0Hz的正弦信號及其諧波組成。幅值通常與EＣG峰峰值相當(dāng)或更強(qiáng).2．電極接觸噪聲。電極接觸噪聲是瞬時(shí)干擾,來源于電極與肌膚的不良接觸，即病人與檢測系統(tǒng)的連接不好。其連接不好可能是瞬時(shí)的，如病入的運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)導(dǎo)致松動(dòng);也可能是固定的,檢測系統(tǒng)不斷的開關(guān),放大器輸入端連接不好等。3。肌電干擾(EMＯ）肌電干擾來自于人體的肌肉顫動(dòng)，肌肉運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生毫伏級電勢。ＥMＧ基線通常在很小電壓范圍內(nèi)所以一般不明顯。肌電干擾可視為瞬時(shí)發(fā)生的零均值帶限噪聲，主要能量集中在30Hz～300Hz范圍內(nèi)。此外還有人為因素、基線漂移、呼吸影響等因素干擾。３腦電放大濾波的方案設(shè)計(jì)由傳感器采集到的腦電通過前置放大電路進(jìn)行放大,在經(jīng)過濾波器進(jìn)行濾波出去噪聲和干擾,最終得到可用的腦電波形。最紅通過電平提升電路將低電平提升到AD轉(zhuǎn)換器可用的電壓.系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。圖1便攜式腦電儀采集系統(tǒng)的整體框圖其中由于被測信號是微弱的電流信號，放大容易引起電壓電流的失調(diào),以及零點(diǎn)漂移、自激干擾等現(xiàn)象；還有背景噪聲、電路噪聲、元器噪聲的影響。上述這些因素對微弱信號放大器的精度、穩(wěn)定度要求很高,這時(shí)普通的運(yùn)算放大器和儀用放大器已經(jīng)無法滿足精度的要求。最后前置放大電路選用集成運(yùn)算放大器ＩＣL7650。高通濾波主要是濾除電路中的直流成分,如:極化電壓等,本設(shè)計(jì)中采用的是一階無源高通濾波器,放在隔離級之后，主放大電路之前,來消除直流成分的干擾。低通濾波器是用來通過低頻信號、衰減或抑制高頻信號.設(shè)計(jì)中采用了相頻特性較好的巴特沃斯壓控電壓源式電路(ＶCVS）。為了使濾波特性更接近理想情況，使用了四階低通濾波電路，由兩個(gè)二階濾波電路級串聯(lián)而成。最后在通過反向放大得到最終可用的波形。４腦電儀采集電路4．1前置放大電路采用ICL7650芯片進(jìn)行放大，其內(nèi)部構(gòu)造如圖2所示圖２ＩCL7６５０內(nèi)部構(gòu)造ＩCL765０是Inteｒｓiｌ公司利用動(dòng)態(tài)校零技術(shù)和先進(jìn)的CMOS工藝制成的斬波穩(wěn)零式高精度運(yùn)算放大器。電路設(shè)計(jì)技術(shù)和先進(jìn)工藝研制成功的第四代集成運(yùn)算放大器.ICL7650除了具有普通運(yùn)算放大器的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍外,還具有高增益、高共模抑制比、失調(diào)小和低漂移等特點(diǎn).特點(diǎn)如下:輸入阻抗：10１2Ω；輸入偏置電壓平均溫度系數(shù)：0101uV·℃-1；輸入偏置電流：<10pA;開環(huán)增益:≥120dB；轉(zhuǎn)換速率:215v·us－1；單位增益帶寬:2MHｚ最終的前置放大電路如下圖3所示。圖3前置放大電路將Vab作為電壓放大器的輸入信號。所以電壓放大器的輸出電壓為：Vo＝(1+Ｒ3／Ｒ２）*Vi實(shí)際上，考慮運(yùn)算放大器不是理想的,其增益為有限值，則電路的反饋深度為:F=R3/（R2+R3）根據(jù)負(fù)反饋放大器的增益計(jì)算公式可以得到該同相放大器的實(shí)際增益為:A１=Ａ/（１+AF)。Ｍｕltiｓｉm軟件仿真的圖４，圖5所示。圖4前置放大電路的multisim的仿真電路圖圖５前置放大電路的仿真波形4。２高通和低通濾波電路(1)高通濾波由Ｒ１、C1構(gòu)成,其截止頻率為:ｆ=１/（2π＊Ｒ1*C1)＝0.０５Hz其測控電路圖如圖6所示圖6高通濾波電路圖其相應(yīng)的mｕltｉsim仿真電路圖,波形圖如下圖7、8、9所示.圖７高通濾波multisim仿真電路圖圖8高通濾波multiｓｉm仿真幅度波形圖v圖9高通濾波multisim仿真幅度相位圖（２)由于容抗１/ＳC與信號頻率f成反比，高頻段時(shí)容抗很小，電容串聯(lián)時(shí)將給高頻信號提供暢通之路,反之低頻時(shí)容抗很大,電容串聯(lián)時(shí)將使低頻信號得到衰減和抑制。R2～R５、C2~Ｃ５和U1A、U1Ｂ構(gòu)成四階低通濾波器,由于自發(fā)腦電信號的頻率主要都在50Hz以下,為此設(shè)計(jì)其截止頻率為:其相應(yīng)的測量電路圖如圖10所示圖１0低通濾波電路圖其相應(yīng)的mｕltiｓim仿真電路圖，波形圖如下圖11、12、13所示.圖11低通濾波mulｔｉsim仿真電路圖圖１2低通濾波mｕltisｉm仿真幅度波形圖圖９低通濾波mｕltiｓiｍ仿真幅度相位圖4.３50HＺ工頻陷波陷波器是利用壓電效應(yīng)制成的帶阻濾波器，它的作用是阻止或?yàn)V掉信號中干擾成分在腦電信號的采集過程中,存在50Ｈz的工頻干擾,雖然前置放大電路對共模干擾具有較強(qiáng)的抑制能力,但有部分工頻干擾是以差模信號的方式進(jìn)入電路的，對腦電信號造成嚴(yán)重的干擾，必須加以濾除。消除工頻干擾的方法是使用帶阻濾波器,它能夠使在規(guī)定的頻帶內(nèi)，信號不能通過（或受到很大衰減或抑制)，而在其余頻率范圍，信號則能順利通過.帶阻濾波器又稱陷波器。利用雙T網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器構(gòu)成的有源雙T帶阻濾波電路,是作為抑制腦電信號測量中的工頻干擾而經(jīng)常采用的陷波電路結(jié)構(gòu)。圖4為本系統(tǒng)采用的有源雙T網(wǎng)絡(luò)陷波電路。在圖４所示的50Hz陷波電路中，陷波器的中心頻率為：f=1/(２π*Ｒ1＊C1）陷波器參數(shù)的確定一方面通過計(jì)算,另一方面還要通過實(shí)驗(yàn)檢測其濾波效果。本設(shè)計(jì)中Ｒ1＝Ｒ2=2R3=R，C１=C２=C3/2，根據(jù)上式算得f為50。2Hz，實(shí)際測得陷波器的中心頻率為５0。４Ｈｚ，滿足設(shè)計(jì)要求。陷波器的品質(zhì)因素Q,決定濾波器的選擇性，高Q對應(yīng)較窄的阻帶而低Q對應(yīng)較寬的阻帶。Q值的計(jì)算公式為:Q=1/(４*（1-F)）,式中F為電路反饋系數(shù)：F=R5/(Ｒ4＋R5)選取R1=2６1Ｋ，Ｒ2=54．9Ｋ,計(jì)算可得F=0.８，Q=1.2５。這種陷波器電路能有效地濾除50Ｈz工頻產(chǎn)生的干擾，而且Ｑ值的提高保證了有用信號不被衰減。R4＝（1-F）R,R5=FRＦ值取值影響陷波電路的頻帶寬度。Ｆ值越大，頻率選擇性越好。但是F值太高,濾波器的性能不穩(wěn)定,當(dāng)元器件受溫度等環(huán)境影響參數(shù)發(fā)生變化時(shí),會(huì)使陷波點(diǎn)發(fā)生移動(dòng),工頻干擾就得不到有效的抑制.通常Ｆ?。啊?左右.此外雙Ｔ網(wǎng)絡(luò)中，兩支路的Ｒ，C的對稱程度決定陷波點(diǎn)的衰減能達(dá)到的最低限度。只有保持R和C的嚴(yán)格對稱關(guān)系，才能使對應(yīng)于工頻的信號互相抵消，衰減到零。對于ω0=5０Ｈｚ，F(xiàn)=0.８2,取C=1０nF,則R=316Ｋ。其相應(yīng)電路圖如下圖１3所示圖1３50Ｈｚ工頻陷波電路圖其相應(yīng)的muｌtisim仿真電路圖和波形圖如圖14、15所示圖145０Ｈz工頻陷波multisim仿真電路圖１5５0Ｈｚ工頻陷波mｕltｉsim仿真相位圖圖155０Ｈｚ工頻陷波ｍultｉsim仿真相位圖4。4、后級放大采用反相放大器進(jìn)行后級放大。前端加有電容，隔直用.放大器正輸入端接有平衡電阻,減少直流偏置。電路圖如下圖增益Ａ2=－R２／R1=-２０；參數(shù)選擇：取R1=220KΩ，R2=4．7ＭΩ,平衡電阻為R３＝R1/／Ｒ2＝210KΩ;C1＝２。2μF其相應(yīng)的mulｔisiｍ仿真電路如下圖16,１7所示圖１6后級放大電路mulｔisｉm仿真圖圖1７后級放大電路multisiｍ仿真波形圖由前置放大和此級放大聯(lián)合起來選用不同參數(shù)即可將采集到的信號放大的５00倍以上。5課程設(shè)計(jì)總結(jié)通過這周的課程設(shè)計(jì)，使我更進(jìn)一步的了解了測控原理的相關(guān)知識,加深了對腦電方面知識的了解，初步達(dá)到了設(shè)計(jì)目的和要求，同時(shí)掌握的mｕltiｓim仿真軟件的基本應(yīng)用，提升了自己的實(shí)際實(shí)踐能力.明白了設(shè)計(jì)一個(gè)關(guān)于腦電采集系統(tǒng)應(yīng)從哪幾方面入手。此外也加強(qiáng)了我搜集資料和整理資料的能力,提高了自己動(dòng)手分析問題、解決問題的能力。這些都對我以后的工作進(jìn)行了即時(shí)的訓(xùn)練。并且在設(shè)計(jì)中遇到了許多問題，在對這些問題的解決上，也是對我個(gè)人能力的煅煉。而且這些問題的出現(xiàn)很有價(jià)值，是值得重視的，需要在我以后的學(xué)習(xí)中不斷的加以完善和提高.但總的來說,通過這次的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步地增強(qiáng)了我的實(shí)際動(dòng)手能力使我的理論與實(shí)踐能力相結(jié)合，從而在整體上提高了自身的學(xué)習(xí)能力和理論素養(yǎng)。腦電信號作為一種重要的生物電信號，在進(jìn)行大腦疾病診斷的過程中需要對其進(jìn)行記錄,以提供臨床數(shù)據(jù)和診斷的依據(jù)，因此腦電信號采集系統(tǒng)具有非常重要的臨床意義.本設(shè)計(jì)通過前置放大、高通、低通濾波器和50Hz工頻陷波器的合理設(shè)計(jì)與仿真實(shí)現(xiàn),克服了腦電信號提取中常遇到的一些困難,為腦電信號處理及特征提取提供一定的理論參考和分析。6參考文獻(xiàn)［1］譚郁玲.臨床腦電圖與腦電地形圖學(xué)[M]．北京:人民衛(wèi)生出版社,1999.［2］蔡建新，張唯真。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)［M］.北京：北京大學(xué)出版社,１997.［３］劉靜.心電圖機(jī)XD一104８輸入電路右腿驅(qū)動(dòng)電路的分析與設(shè)計(jì)［J]．青島大學(xué)學(xué)報(bào),19９9，17(1)：85—86．[4］陸坤。電子設(shè)計(jì)技術(shù)[M］.成都：電子科技大學(xué)出版社，19９7。［５]余學(xué)飛.醫(yī)學(xué)電子儀器原理與設(shè)計(jì)［Ｍ］．廣州:華南理工大學(xué)出版社，20０0[6］現(xiàn)代測控電路李剛林凌主編高等教育出版社第一章緒論１.1研究閘門監(jiān)控系統(tǒng)的意義及目的隨著國民經(jīng)濟(jì)及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，科學(xué)管理水資源越來越顯示其重要性和必要性，尤其是在我國水資源并不充裕的情況下，水資源必然成為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人民生活水平提高的制約因素。故要從工程水利向數(shù)字水利轉(zhuǎn)變，從傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代水利轉(zhuǎn)變。進(jìn)一步發(fā)揮水利工程效益，提高供水設(shè)備的準(zhǔn)確性和可靠性,已成為當(dāng)前的迫切任務(wù)?！?】因而對水庫閘門監(jiān)控系統(tǒng)的研究，有利于我國水資源的合理利用，對解決我國將來的水資源短缺問題將具有重要的戰(zhàn)略意義。首先，利用閘門監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)跟蹤、監(jiān)控閘門開度、水位數(shù)據(jù)，為合理調(diào)度水資源提供第一手?jǐn)?shù)據(jù)資料.根據(jù)閘門上、下游水位以及閘門的當(dāng)前開度,再根據(jù)水資源調(diào)度的具體需求，從而確定出當(dāng)前閘門的具體控制方案。上游水位高，而此時(shí)上游的用水量也呈現(xiàn)增長趨勢,那么此時(shí)不要急于提升閘門，而要等到上游用水量需求趨減，而下游需求呈現(xiàn)增加趨勢時(shí),則可以考慮提升閘門，當(dāng)關(guān)閉閘門時(shí)，情況與上述相反.其次，閘門監(jiān)控系統(tǒng)在泄洪抗災(zāi)、水利發(fā)電等方面具有不可替代的作用。在江河、湖泊發(fā)生洪水時(shí)，水位數(shù)據(jù)變化大,變化很迅速，此時(shí)靠人工的手段很難跟蹤這些數(shù)據(jù)變化的.而且此時(shí)也要求快速準(zhǔn)確的對閘門實(shí)現(xiàn)精確控制,這也是手工操作所做不到的.在水利發(fā)電中,為了保證水利發(fā)電的可靠性，提高發(fā)電的質(zhì)量，更離不開對閘門的實(shí)時(shí)監(jiān)控.最后,采用閘門監(jiān)控系統(tǒng)可以為我們節(jié)省大量的人力、物力、財(cái)力,真正實(shí)現(xiàn)了“無人值守，少人值守”。過去水資源調(diào)度中，手工操作既費(fèi)時(shí)，又費(fèi)力，而且達(dá)不到良好的控制效果，使用閘門監(jiān)控系統(tǒng)后，我們可以在遠(yuǎn)離現(xiàn)場的控制室里，對閘門、水位的各項(xiàng)數(shù)居進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，以及實(shí)現(xiàn)對閘門的實(shí)時(shí),遠(yuǎn)程控制。閘門監(jiān)控系統(tǒng)國內(nèi)外研究概況在水工建筑物的固定式和移動(dòng)式機(jī)械中占有重要地位的閘門啟閉機(jī)械，早期以繩毅式、鏈條式、多節(jié)拉桿式為主,但由于其操作的不是自由懸掛的重物,而是沿導(dǎo)向門槽作上下移動(dòng)或者是繞著支絞作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的閘門?？煽啃裕踩禂?shù)低，很難精確的控制。隨著經(jīng)濟(jì)和液壓技術(shù)的不斷發(fā)展，傳動(dòng)穩(wěn)定的液壓啟閉機(jī)逐步取代了那些比較落后的繩毅式、鏈條式、多節(jié)拉桿式的啟閉機(jī).作為一種比較完善而又經(jīng)濟(jì)的先進(jìn)的傳動(dòng)裝置，其動(dòng)力機(jī)構(gòu)為油缸，由于油缸能夠產(chǎn)生很大的下壓力，所以,當(dāng)采用液壓啟閉機(jī)操作閘門下降時(shí),閘門就無需加重,因此也就可以減少驅(qū)動(dòng)裝置的額定啟升容量。1。2.1傳統(tǒng)液壓啟閉機(jī)控制系統(tǒng)主要存在著以下缺點(diǎn)和局限性［2]首先,在硬件上,傳統(tǒng)的液壓啟閉機(jī)控制系統(tǒng)通常是采用繼電接觸器線路來控制閘門的運(yùn)行。這種系統(tǒng)的最大缺點(diǎn)就是線路復(fù)雜,維護(hù)工作繁重，操作麻煩,可靠性低，故障率高。另外，當(dāng)控制系統(tǒng)需要改進(jìn)時(shí)，就必須改變整個(gè)控制線路，實(shí)現(xiàn)起來十分麻煩。其次，在控制規(guī)模上，傳統(tǒng)的液壓啟閉機(jī)控制系統(tǒng)通常只能對水電站的單個(gè)閘門的運(yùn)行進(jìn)行控制，而不能對整個(gè)水電站進(jìn)行自動(dòng)控制。最后在遠(yuǎn)程通訊上,傳統(tǒng)的液壓啟閉機(jī)控制系統(tǒng)的通訊功能基本沒有,只能傳送執(zhí)行閘門的開、關(guān)、停等幾個(gè)開關(guān)量信號,而根本不能傳送整個(gè)水電站所有電氣自動(dòng)化設(shè)備的狀態(tài)信號,更不說遠(yuǎn)程控制這些電氣自動(dòng)化設(shè)備，和根據(jù)電機(jī)組的生產(chǎn)需要自動(dòng)調(diào)整閘門開度。１。２．2在液壓啟閉機(jī)控制系統(tǒng)中采用自動(dòng)控制及監(jiān)控的重要性鑒于液壓啟閉機(jī)控制系統(tǒng)控制的對象和工作的實(shí)際環(huán)境，在液壓啟閉機(jī)控制系統(tǒng)中采用自動(dòng)控制及監(jiān)控是十分必要的：首先，液壓啟閉機(jī)的控制系統(tǒng)不僅關(guān)系閘門的正常運(yùn)行，而且還維系到當(dāng)?shù)氐纳⒇?cái)產(chǎn)安全。而早期的繼電回路控制模式的液壓啟閉機(jī)控制系統(tǒng)采用人工手動(dòng)控制,自動(dòng)化程度低，操作一臺閘門要多人協(xié)同完成，因而操作耗時(shí)較長，生產(chǎn)效率極其低下,而且一旦遭遇多年罕見的洪水,可能延誤泄洪，對大壩安全是一個(gè)潛在的隱患,因而提高液壓啟閉機(jī)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度是極其重要的任務(wù)。其次，通過在液壓啟閉機(jī)控制系統(tǒng)采用上位機(jī)監(jiān)控,使得操作人員可通過上位機(jī)極其容易的控制各個(gè)閘門的開、閉及開度的大小,而且通過上位機(jī)中與實(shí)際現(xiàn)場同步的實(shí)時(shí)動(dòng)畫監(jiān)控，操作人員無需到現(xiàn)場觀察即可準(zhǔn)確掌握到各個(gè)閘門所處的狀態(tài)和其它設(shè)備的運(yùn)行情況,使得水電站得以推行無人值班、少人值守的生產(chǎn)管理模式，提高了生產(chǎn)效率?；冢蠰Ｃ的閘門遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)提出一種典型的水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，其現(xiàn)地控制單元LＣU（LｏcalＣontrolＵniｔ)有的采用８位或16位單片機(jī)，致命的缺點(diǎn)是不便于擴(kuò)充;而可編程控制器（PrｏgｒａｍｍaｂleＬoｇicContrｏlleｒ)簡稱ＰLC因其具有邏輯判斷、定時(shí)、計(jì)數(shù)、記憶和算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)通信及PＩD回路調(diào)節(jié)等功能在閘門監(jiān)控系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。ＰLC更符合工業(yè)現(xiàn)場的要求：高可靠性、強(qiáng)抗各種干擾的能力、編程安裝使用簡便、低價(jià)格長壽命。由于傳統(tǒng)的液壓啟閉機(jī)控制系統(tǒng)存在控制線路復(fù)雜，維護(hù)工作繁重,可靠性低,不能對整個(gè)水電站進(jìn)行自動(dòng)控制，遠(yuǎn)程通訊能力欠缺等缺點(diǎn)和局限性,所以越來越不能滿足水電站的生產(chǎn)發(fā)展?；冢蠰C和液壓啟閉機(jī)控制系統(tǒng)的閘門監(jiān)控系統(tǒng)，由于其控制方式的優(yōu)越性，使它非常有效地解決了傳統(tǒng)液壓啟閉機(jī)控制系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)和局限性：首先，在硬件上，由于基于PLC和液壓啟閉機(jī)控制系統(tǒng),采用可編程邏輯控制器與上位機(jī)組成的控制網(wǎng)絡(luò)作為主要控制設(shè)備,所以控制線路相對傳統(tǒng)液壓啟閉機(jī)控制系統(tǒng)要簡單的多,而且可靠性高，只需要修改控制程序就可達(dá)到改善控制的要求.其次,基于PLC和液壓啟閉機(jī)控制系統(tǒng)，采用的是分層分步式控制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對閘門的遠(yuǎn)程監(jiān)控和多級管理。論文的主要研究內(nèi)容本論文所設(shè)計(jì)的基于PＬC的閘門控制系統(tǒng)，摒棄水電站閘門的傳統(tǒng)繼電器控制和卷揚(yáng)啟閉機(jī)正反轉(zhuǎn)控制閘門升降的模式；采用PLＣ和液壓控制的模式對閘門進(jìn)行控制.將控制系統(tǒng)分為集中控制單元層(上位機(jī)）、遠(yuǎn)程控制層(中心站）和現(xiàn)地控制層（現(xiàn)地設(shè)備）三級。通過該系統(tǒng)，操作員可在中控室及時(shí)了解現(xiàn)場閘門的各種運(yùn)行狀態(tài)，分析故障原因,并及時(shí)根據(jù)現(xiàn)場情況做出相應(yīng)的調(diào)整和控制。現(xiàn)場控制設(shè)備PＬC將收集到的各種信息通過總線源源不斷的送到中控室上位機(jī);同時(shí)上位機(jī)也可把操作人員發(fā)出的命令通過總線準(zhǔn)確無誤的傳送給現(xiàn)場控制設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)需水要求及時(shí)調(diào)整閘開度的功能。在PLC網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)不可修復(fù)的故障情況下，操作人員還可啟用設(shè)置在中控室內(nèi)的備用系統(tǒng),對閘群進(jìn)行緊急手動(dòng)遠(yuǎn)程控制.在需要現(xiàn)場控制閘門啟閉時(shí)，操作人員也可在相應(yīng)閘門旁的現(xiàn)地控制柜上進(jìn)行操作，同樣可以通過控制柜上觀測到閘門的實(shí)時(shí)開度和荷重。其研究的主要內(nèi)容如下:（1)討論了閘門控制系統(tǒng)中相關(guān)數(shù)據(jù)的采集;分析了各個(gè)采集設(shè)備的工作原理，通過比較選定了本控制系統(tǒng)中所選用的設(shè)備類型。對于閘門升降控制，本論文摒棄傳統(tǒng)控制中采用的電機(jī)正反轉(zhuǎn)來提升和下降閘門的模式;采用具有體積小,起重量大、負(fù)載剛性大、自動(dòng)化程度高、安全可靠性好等特點(diǎn)的液壓啟閉機(jī)控制閘門升降，詳細(xì)的介紹了液壓控制系統(tǒng)工作原理，液壓系統(tǒng)中各個(gè)回路的功能以及系統(tǒng)中器件的作用等，實(shí)現(xiàn)了閘門的可靠升降控制.(3）討論了閘門監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)；對閘門現(xiàn)地控制層和集中控制層的功能進(jìn)行了分析，給出了其硬件選型；完成了閘門控制程序設(shè)計(jì)的流程圖，給出了硬件電氣線路和軟件程序的設(shè)計(jì)。并且對監(jiān)控組態(tài)軟件進(jìn)行了介紹。第二章基于PLC的閘門監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)2.1閘門監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析和確定2.1。１分布式監(jiān)控系統(tǒng)的介紹在我國的自動(dòng)化控制領(lǐng)域中自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要分為分布式監(jiān)控系統(tǒng)和集中式監(jiān)控系統(tǒng)。分布式監(jiān)控系統(tǒng)以控制對象分散為主要特征。以控制對象為單元設(shè)置多套相應(yīng)的裝置,構(gòu)成現(xiàn)地控制單元，完成控制對象的數(shù)據(jù)采集和處理、電機(jī)機(jī)組等主要設(shè)備的控制和調(diào)節(jié)以及裝置的數(shù)據(jù)通信等。每孔閘門或一定數(shù)量的閘門配置一個(gè)現(xiàn)地控制單元(LocalＣonｔrolUniｔ,簡稱LCU），每個(gè)LCU可構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的控制回路.其中某一個(gè)現(xiàn)場控制單元發(fā)生故障不會(huì)影響其他現(xiàn)場控制單元的正常工作。２．１.2分布式系統(tǒng)在閘門監(jiān)控系統(tǒng)中的運(yùn)用本控制系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，一個(gè)較標(biāo)準(zhǔn)的PLC閘群控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖，其可分為三層式結(jié)構(gòu)：現(xiàn)地控制層、集中控制層和遠(yuǎn)程監(jiān)控層.現(xiàn)地控制層的每孔閘門配置一個(gè)現(xiàn)地ＰLＣ,收集閘位、水位和各種現(xiàn)場開關(guān)量、模擬量信息并上傳至集控層PLC，同時(shí)接受集控PLＣ的命令并通過接口執(zhí)行。集控層PLC主要目的是作為上位機(jī)和現(xiàn)地ＰLC交互信息的硬件中轉(zhuǎn)站,有著速度快、功能強(qiáng)大和穩(wěn)定性高等特點(diǎn).集控層上位機(jī)的人機(jī)交互系統(tǒng)一般由相應(yīng)的組態(tài)軟件構(gòu)成，在監(jiān)控閘群系統(tǒng)的同時(shí)，肩負(fù)著與遠(yuǎn)程監(jiān)控層交互信息的功能，因此遠(yuǎn)地監(jiān)控層也可通過公眾網(wǎng)絡(luò)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測閘群控制的狀況。具體來說,該控制方案有著以下顯著優(yōu)點(diǎn)：(1)現(xiàn)地ＰLＣ功能強(qiáng)大:由于是工業(yè)級產(chǎn)品,現(xiàn)地層ＰＬC均為模塊化結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)、安裝、維護(hù)非常方便;且功能強(qiáng)大、穩(wěn)定性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)；設(shè)備接口種類的選擇面也很廣.（２）集控層功能增強(qiáng):集控層在上位機(jī)和現(xiàn)地PLC之間加設(shè)了高性能的主控PLC，作為硬件的信息中轉(zhuǎn)站，使得集控層工作更穩(wěn)定；同時(shí),由于分擔(dān)了上位機(jī)的大部分工作,因此上位機(jī)可增加上傳通訊的功能，使得建立更高級的遠(yuǎn)地監(jiān)控層成為現(xiàn)實(shí)。（3)增加了遠(yuǎn)地監(jiān)控層:在閘群控制的發(fā)展方向上，江河流域控制以及跨流域控制是其中重要的一項(xiàng)內(nèi)容。因此，遠(yuǎn)地監(jiān)控層的建立成為必然趨勢，而PＬC系統(tǒng)的強(qiáng)大功能為其建立打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).2.2閘門監(jiān)控系統(tǒng)的主從站PLC選擇2。２.1閘門監(jiān)控系統(tǒng)從站ＰLC的選擇閘控系統(tǒng)從站PLC主要用于接受主站命令和上傳現(xiàn)場信息，因此較強(qiáng)的實(shí)時(shí)通訊能力是必備的。由于現(xiàn)場的閘位信息、荷重信息和水位信息需要在本地計(jì)算和顯示,所以從站PLＣ不能只具備輸入/輸出功能，還必須具有一定的計(jì)算能力，即現(xiàn)場智能設(shè)備必須具備CＰＵ單元。另外，由于閘控現(xiàn)場需要一些必要的開關(guān)量輸入/輸出的信號交互,因此如果從站ＰLＣ能集成一定數(shù)量的Dl/ＤＯ點(diǎn)。2。2．2閘控系統(tǒng)的主站ＰLＣ選擇閘控系統(tǒng)的主站在整個(gè)控制系統(tǒng)中起到了承上啟下的關(guān)鍵中樞作用。對于下級的現(xiàn)地層設(shè)備來說，它負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)收集全部閘門現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)信息,并下達(dá)相應(yīng)的操作命令;對于上級的上位機(jī)操作系統(tǒng)來說，它負(fù)責(zé)處理各種現(xiàn)場上傳的狀態(tài)信息并將相應(yīng)的信息上傳給上位機(jī)用于顯示和判斷，同時(shí)也接受上位機(jī)下達(dá)的命令。因此，在主站PLC選擇上，選擇Ｓ７—４0０系列PLＣ,尤其是在通訊能力和處理速度上2。3閘門控系統(tǒng)的通訊方式本文給出的閘控系統(tǒng)在現(xiàn)場控制層面,采用了ＰorfｉBus一DP工業(yè)現(xiàn)場總線作為集控層與現(xiàn)地層之間的通訊方式。從站ＰＬＣ通過PrｏfiＢｕs一DＰ總線與集中控制層的主站PLC采用主—-從方式連網(wǎng)通訊，現(xiàn)場各種外圍設(shè)備的狀態(tài)信息均通過從站上傳到主站中，同時(shí)主站也通過分布在相應(yīng)閘門旁的從站向現(xiàn)場控制和保護(hù)設(shè)備發(fā)送命令.在集中控制層面，采用的工業(yè)以太網(wǎng)的通訊方式.主站ＰＬC通過以太網(wǎng)口直接與上位機(jī)連接，采用以太網(wǎng)通訊的方式與上位機(jī)交互信息。上位機(jī)采用WinCC軟件對現(xiàn)地控制層和集中控制層進(jìn)行組態(tài)和建立人機(jī)交互界面。PｒofiBｕs—DP經(jīng)過優(yōu)化的高速、廉價(jià)的通信連接，專為自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備己分散的I/0之間通信設(shè)計(jì),使用ProｆiBus-DP模塊可取代價(jià)格昂貴的24V或0～20mA并行信號線。ＰroｆｉＢus—DP用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳。輸。PRＯFIBUＳ-ＤP的基本功能有：ＤP主站和ＤP從站間的循環(huán)用戶數(shù)據(jù)傳送;各ＤP從站的動(dòng)態(tài)激活和解除激活;檢查DP從站的組態(tài)；強(qiáng)大的診斷功能,三級診斷信息（本站診斷、模塊診斷、通道診斷);輸入或輸出的同步；通過總線給ＤＰ從站分配地址:保證每個(gè)DP從站最大為246字節(jié)的輸入和輸出數(shù)據(jù):通過總線給DP主站進(jìn)行配置。[3］［4］與傳統(tǒng)的控制方法相比,Ｐrofibｕｓ閘門監(jiān)控系統(tǒng)有以下突出優(yōu)點(diǎn):①用一條電纜實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備和現(xiàn)場控制了系統(tǒng)的勻_連以及現(xiàn)場控制了系統(tǒng)和集中控制級系統(tǒng)及中央控制級系統(tǒng)的勻_連，使用數(shù)字化通信代替了4~20mA或24ＶＤC信號,增強(qiáng)了現(xiàn)場級信息集成量．②系統(tǒng)的開放性、可操作性、勻_換性大大增強(qiáng).不同廠家的產(chǎn)品和專長技術(shù)只要使用同一總線標(biāo)準(zhǔn)，即可進(jìn)行系統(tǒng)集成。③系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性好。采用Pｒｏfiｂus連接方式替代一對一的I/O連接，減少了由接線點(diǎn)造成的不可靠因素，同時(shí)系統(tǒng)具有現(xiàn)場級設(shè)備的在線故障診斷、報(bào)警、記錄功能，可完成現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、修改等參數(shù)化工作，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維修性．④降低了系統(tǒng)及工程造價(jià)對于大范圍、大規(guī)模I/Ｏ的分布式系統(tǒng)，Pｒofibus節(jié)省了大量的線纜，I/O模塊及電纜敷設(shè)工程費(fèi)用,從而減少了工程成本.綜上所述,Profiｂｕｓ現(xiàn)場總線技術(shù)對于閘門監(jiān)控系統(tǒng)提供了可行的解決方案,代表著控制技術(shù)數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展方向,具有廣闊的應(yīng)用前景．閘門雙缸液壓啟閉控制在水利工程中,閘門啟閉作業(yè)具有起重大(閘門自重達(dá)幾百噸），跨距長（閘門的跨度可達(dá)十幾米以上）,外界環(huán)境惡劣，閘門啟閉時(shí)受水的沖擊力和風(fēng)速影響使提升系統(tǒng)負(fù)載變化大等特點(diǎn),而液壓式啟閉機(jī)由于油缸內(nèi)的油液為柔性工作介質(zhì)，能達(dá)到減輕閘門局部開啟時(shí)，高速水流對閘門產(chǎn)生的振動(dòng)，具有實(shí)現(xiàn)閘門的平穩(wěn)運(yùn)行的作用，所以在國內(nèi)外的水利工程建設(shè)中，閘門啟閉機(jī)一般采用雙作用液壓雙缸工作來實(shí)現(xiàn)閘門的提升，下降控制.同電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)相比，液壓系統(tǒng)具有以下突出的優(yōu)點(diǎn)：［5]（1)體積小,重量輕,啟閉力大,與相同起重量的其它設(shè)備相比,液壓提升設(shè)備的體積僅為它們的1/4一1/10，而提升重量卻能達(dá)到其自重的40倍甚至更多；（2）液壓系統(tǒng)的負(fù)載剛性大,具有較好的抗負(fù)載特性，定位精度受負(fù)載變化的影響?。唬?）安全可靠性好。液壓系統(tǒng)可以安全、可靠并快速地實(shí)現(xiàn)頻繁的帶載起動(dòng)和制動(dòng).（4）液壓油缸多為雙作用式,即可以提升閘門，也可以向閘門施加閉門力；相比之下，卷揚(yáng)啟閉機(jī)則無法形成閉門力，必須加鑄鐵或混凝土配置。3。1液壓系統(tǒng)的介紹３。１。1液壓系統(tǒng)的基本組成元件一般液壓系統(tǒng)都有以下幾個(gè)基本部分組成：把機(jī)械能轉(zhuǎn)化成液體壓力能的動(dòng)力元件液壓泵；把液體壓力能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的執(zhí)行元件，一般常見的形式是液壓缸和液壓馬達(dá);對液體的壓力、流量和流動(dòng)方向進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)的控制元件。還有凈化油液的過濾器、儲存壓力能的蓄能器、油管、油箱等輔助元件;現(xiàn)結(jié)合本控制系統(tǒng)具體介紹液壓系統(tǒng)；從整體結(jié)構(gòu)組成方面，液壓啟閉系統(tǒng)包括:油泵電動(dòng)機(jī)組，液壓控制回路、液壓元器件及輔助設(shè)備等。此外，還設(shè)有功能齊全、動(dòng)作可靠的安全運(yùn)行保護(hù)裝置，包括過載、超壓、欠壓和短路保護(hù)的斷路器、油箱內(nèi)液位液溫報(bào)警，濾油器堵塞報(bào)警等。[6］３。1．１．1油泵電動(dòng)機(jī)組每套液壓系統(tǒng)設(shè)有兩套油泵電動(dòng)機(jī)組,一套油泵電動(dòng)機(jī)組工作，一套備用；平時(shí)備用的油泵電機(jī)不工作,當(dāng)主油泵電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，備用油泵電機(jī)才投入運(yùn)行。3．1。1.2液壓控制回路液壓控制系統(tǒng)中包括許多的液壓控制閥（簡稱液壓閥），液壓閥是液壓系統(tǒng)中的控制元件，用來控制液壓系統(tǒng)中流體的壓力、流量及流動(dòng)方向.不論何種液壓系統(tǒng)，都是由一些完成一定功能的基本液壓回路組成，而液壓回路主要是由各種液壓控制閥按一定需要組合而成。液壓控制閥按其作用可分為方向控制閥、壓力控制閥和流量控制閥三大類,相應(yīng)地可由這些閥組成三種基本回路：方向控制回路、壓力控制回路和調(diào)速回路。在此著重介紹方向控制回路和壓力控制回路.（1)方向控制回路任何一個(gè)液壓系統(tǒng)都含有一個(gè)或多個(gè)方向控制回路.常用的方向控制回路有啟?；芈贰Q向回路和鎖緊回路。方向控制回路主要的控制閥是換向閥；換向閥是利用閥芯和閥體間相對位置的不同來變換不同管路間的通斷關(guān)系，實(shí)現(xiàn)接通、切斷，或改變油液流動(dòng)的方向從而實(shí)現(xiàn)液壓缸運(yùn)動(dòng)方向的變化,也即實(shí)現(xiàn)了閘門的提升和下降操作.本系統(tǒng)中方向控制回路有換向回路和液壓鎖緊回路。(a）換向回路換向回路采用三位四通電磁換向閥如下圖所示；三位四通電磁換向閥的閥芯有三個(gè)工作位置，其中中間一個(gè)方框表示其原始位置(即閥芯未受到操縱力時(shí)所處的位置），左右方框表示兩個(gè)換向位，其左位和右位各油口的連通方式均為直通或交叉相通；閥體上有四個(gè)各不相通且可與系統(tǒng)中不同油管相連的油道接口（P為進(jìn)油口，T為回油口，A,B為閥與液壓缸連接的油口），不同油道之間只能通過閥芯移位時(shí)閥口的開關(guān)來溝通。電磁換向閥是利用電磁鐵吸力推動(dòng)閥芯來改變閥的工作位置。三位四通電磁換向閥閥體兩端各裝有一個(gè)電磁鐵,當(dāng)兩端電磁鐵都斷電時(shí)，閥芯處于中間位置.此時(shí)P、Ａ、B、T各油腔互不相通;當(dāng)左端電磁鐵通電時(shí)，該電磁鐵吸合，并推動(dòng)閥芯向右移動(dòng),使Ｐ和B連通，A和T連通，形成圖3-1右方框所示的交叉油路。當(dāng)其斷電后，右端復(fù)位彈簧的作用力可使閥芯回到中間位置,恢復(fù)原來四個(gè)油腔相互封閉的狀態(tài);當(dāng)右端電磁鐵通電時(shí)其銜鐵將通過推桿推動(dòng)閥芯向左移動(dòng),Ｐ和A相通、B和T相通，形成圖3－1左方框所示平行油路.電磁鐵斷電,閥芯則在左彈簧的作用下回到中間位置。圖３-1三位四通電磁換向閥圖形符號（b）液壓鎖緊回路鎖緊回路可使液壓缸活塞在任一位置停止，并可防止其停止后竄動(dòng)。鎖緊回路采用液控單向閥,其鎖緊回路如圖3-３所示。液控單向閥是允許液流向一個(gè)方向流動(dòng)，反向開啟則必須通過液壓控制來實(shí)現(xiàn)的單向閥，液控單向閥提供了一個(gè)控制油口，當(dāng)控制口K處無壓力油通入時(shí)，它的工作和普通單向閥一樣，壓力油只能從進(jìn)油口A流向出油口B，不能反向流動(dòng)。當(dāng)控制口K處有壓力油通入時(shí),在液壓力作用下活塞向上移動(dòng),推動(dòng)頂桿頂開閥芯,使油口Ａ和Ｂ接通,油液就可以從B口流向A口；如圖所示這兩個(gè)液控單向閥組成“液壓鎖”,當(dāng)一個(gè)液壓單向閥油口A到B沒有壓力油流通時(shí)，另一個(gè)液壓單向閥的控制油口就沒有足夠的壓力油頂開閥芯,則它的壓力油就不會(huì)從B口流到A口,即液壓缸中的壓力油就是恒定的，確保系統(tǒng)壓力不變。即液壓缸被鎖緊了,同時(shí)此時(shí)的閘門停止.由于液控單向閥有良好的密封性能，即使在外力作用下，也能使執(zhí)行元件長期鎖緊。３-3鎖緊回路油泵的空載啟動(dòng)和壓力控制回路由三位四通電磁換向閥和溢流閥一起調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力。將一個(gè)溢流閥并聯(lián)于液壓泵的出口，該溢流閥可以使液壓泵的出口壓力恒定,其前提條件是泵的出口壓力是由負(fù)載（其中包括外負(fù)載和各種液阻)的大小決定的。如果泵的出口壓力低于溢流閥的調(diào)定壓力,泵的出口壓力就是當(dāng)前這個(gè)低值,此時(shí)溢流閥關(guān)閉；只有泵的出口壓力達(dá)到溢流閥的調(diào)定壓力時(shí),溢流閥打開,且有溢流量,泵的出口壓力才是定值.溢流閥在定量泵節(jié)流調(diào)速回路中起兩個(gè)作用：以是保證液壓泵的出口壓力恒定；二是“分流了泵的多余流量.油泵電動(dòng)機(jī)組啟動(dòng)過程如下：液壓油先經(jīng)三位四通閥中位直接流回油箱，延時(shí)約10ｓ后，根據(jù)所需執(zhí)行操作動(dòng)作的需要，使相應(yīng)的電磁閥得電,系統(tǒng)隨即建壓。３．2液壓啟閉系統(tǒng)的工作原理當(dāng)液壓控制系統(tǒng)接收到閘門開啟或關(guān)閉信號時(shí)，由液壓泵站通過各類閥組向液壓油缸提供動(dòng)力油，通過壓力油在油缸有桿腔和無桿腔的施壓與排放、活塞桿在油缸中的伸縮對閘門實(shí)施推力或拉力，從而達(dá)到啟閉閘門的目的.如圖3-4為液壓啟閉系統(tǒng)工作原理圖。［7]［8]智能控制單元PLC通過控制如圖3一4所示的液壓啟閉機(jī)系統(tǒng)中的電磁閥得、失電而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)閘門的操作。在閘門開啟過程中,當(dāng)現(xiàn)地控制級的PLC發(fā)出升門信號后，油泵電動(dòng)機(jī)組空載啟動(dòng)，二位二通電磁閥2。1的電磁鐵5DT得電則二位二通電磁閥2。1的油口處于接通狀態(tài)，它的進(jìn)油口恰與先導(dǎo)溢流閥的先導(dǎo)閥相連,當(dāng)先導(dǎo)溢流閥5.1打開，將系統(tǒng)壓力調(diào)高至系統(tǒng)工作壓力，此時(shí)泵卸荷。三位四通換向電磁閥7的電磁鐵1DＴ得電平行油路（P—A，B-Ｔ）接通,液壓油通過油路P-A經(jīng)過調(diào)速閥9和液壓鎖10進(jìn)入油缸有桿腔，而無桿腔的油經(jīng)過換向閥７的B-Ｔ油路回到油箱，油缸活塞桿縮回，閘門開啟;在閘門下降過程中，三位四通電磁換向閥７的電磁鐵2ＤT得電,液壓油通過該閥的交叉油路（P—B，A－T)接通液壓油通過油路Ｐ-B經(jīng)過液壓鎖10進(jìn)入油缸無桿腔,而有桿腔的油經(jīng)過液壓鎖10、調(diào)速閥9和換向閥７的A—Ｔ油路回到油箱,油缸活塞桿伸出,閘門關(guān)閉。３．3液壓啟閉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要的功能［9]（１）液壓泵電動(dòng)機(jī)組空載卸荷當(dāng)機(jī)械的工作部件短時(shí)停止工作時(shí)，一般都讓液壓系統(tǒng)中的液壓泵空載運(yùn)轉(zhuǎn)。在液壓泵驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不頻繁啟閉的情況下,使液壓泵在功率損耗接近于零的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)或輸出很小流量的壓力油，以減少功率損耗，降低系統(tǒng)發(fā)熱，延長泵和電機(jī)的壽命。本系統(tǒng)中采用的卸荷回路有：◆采用三位閥的卸荷回路

三位換向閥的閥芯在中間位置時(shí)各種油口的接通關(guān)系不同、這可滿足不同的使用要求,這稱之為三位閥的中位機(jī)能。使用Ｍ、H和K型中位機(jī)能的三位換向閥處于中位時(shí),泵都卸荷.如圖３-４的液壓控制系統(tǒng)中三位四通換向閥采用的是H型中位卸荷的。即壓力油從定量泵口出來以后，經(jīng)三位四通換向閥的H中位，直接流回油箱?！粲孟葘?dǎo)式溢滾閥的卸荷回路?在先導(dǎo)式溢流閥5.1的遙控口C接一個(gè)二位二通電磁閥２．1.這樣組合的功能是：不卸荷時(shí)用作設(shè)定系統(tǒng)(油泵）主壓力;當(dāng)卸荷狀態(tài)時(shí)，用一個(gè)作用于電磁閥的電信號使電磁閥油路有斷開轉(zhuǎn)換為接通，壓力油直接返回油箱,系統(tǒng)壓力為０.從而實(shí)現(xiàn)了遙控遠(yuǎn)程卸荷。當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到溢流閥的開啟壓力時(shí)，溢流閥開啟，泵卸荷；當(dāng)系統(tǒng)壓力降至溢流閥的關(guān)閉壓力時(shí),溢流閥關(guān)閉，泵向系統(tǒng)加載（2)閘門鎖定及同步為了提高閘門開度的控制精度，在液壓啟閉機(jī)系統(tǒng)中設(shè)置了液壓鎖與相匹配的三位四通（Y型機(jī)能)電磁閥。當(dāng)閘門運(yùn)行到指定開度后,通過控制系統(tǒng)使電磁線圈1DT,2DT均失電，三位四通電磁閥回到中位，液壓鎖迅速鎖緊，閘門可靠地鎖定在預(yù)定開度,即使在外力作用下閘門也不能下滑。本系統(tǒng)中還在油路上設(shè)置了調(diào)速閥9,通過調(diào)速閥可以調(diào)節(jié)兩只油缸的運(yùn)動(dòng)速度，使兩只油缸在運(yùn)動(dòng)中保持同步。(3）水電站閘門控制系統(tǒng)不僅關(guān)系電站的運(yùn)行生產(chǎn),而且還維系到當(dāng)?shù)氐纳?、?cái)產(chǎn)安全,因而閘門啟、閉的可靠性是液壓啟閉機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，特別是遇到百年罕見的洪災(zāi)時(shí)，就顯得更為重要了.因而在該液壓啟閉機(jī)系統(tǒng)中設(shè)置了由手動(dòng)泵和手動(dòng)換向閥組成應(yīng)急系統(tǒng)，當(dāng)遇到主控液壓動(dòng)力站系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)可通過該應(yīng)急系統(tǒng)保證啟閉機(jī)正常工作。將手動(dòng)控制泵和手動(dòng)換向閥的按鈕都安裝在現(xiàn)地控制柜上,便于手動(dòng)控制。另外在該液壓系統(tǒng)中的進(jìn)、回路還設(shè)置了截止閥13.１,13．2和二位二通電磁閥2．2,２.３,當(dāng)遇到緊急情況要求閘門迅速關(guān)閉時(shí)，可通過控制系統(tǒng)使電磁閥２．2,２.3得電或手動(dòng)打開截止閥１3.1,13.2，則要進(jìn)入有桿內(nèi)的壓力油就通過電磁閥２。２,2.3接通的這個(gè)通道直接流回了郵箱，故而實(shí)現(xiàn)了快速的關(guān)閘門。同時(shí)若要快速升門，則也可通過截止閥1３.4，１3。3和單向閥6．３使無桿腔內(nèi)的壓力油快速流回油箱。（4）糾偏控制［１0］在閘門開啟和關(guān)閉過程中,由于兩側(cè)受力不完全一致且兩側(cè)油缸也不可能完全相同等各種原因，使兩側(cè)油缸動(dòng)作不同步,閘門不能行保持水平地升降，引起閘門卡滯故障,甚至造成事故.因此為保持閘門。左右油缸動(dòng)作同步，必須設(shè)置糾偏功能;為防止閘門卡死現(xiàn)象出現(xiàn)，該液壓啟閉機(jī)系統(tǒng)中不僅在有桿腔進(jìn)油路上設(shè)置了調(diào)速閥，而且還在該系統(tǒng)中設(shè)置了由電磁閥1１和節(jié)流閥12。１，12.2共同組成的糾偏系統(tǒng)其原理是在連接液壓缸有桿腔管路上設(shè)置一個(gè)三位四通電磁換向閥１1，其回油口與油箱連通。依據(jù)閘門開度檢測裝置檢測到得閘門左右開度偏差值，在閘門啟閉運(yùn)行過程，當(dāng)閘門的左端高出閘門右端的開度值超過了系統(tǒng)的預(yù)定值（即左超）,或者閘門的右端高出閘門左端的開度值超過了系統(tǒng)的預(yù)定值（即右超)時(shí)，根據(jù)偏差信號，讓閘門的三位四通電磁換向閥１1的電磁鐵得電，開啟電磁換向閥的平行或交叉油路,實(shí)現(xiàn)閘門左右端不同油路泄油至油箱,從而調(diào)節(jié)雙缸的相對行程.當(dāng)雙缸偏差達(dá)到設(shè)定允許值時(shí),關(guān)閉電磁換向閥。如此不斷地對兩側(cè)液壓缸的行程進(jìn)行開關(guān)式調(diào)整，達(dá)到雙缸同步的運(yùn)行要求。例如：在閘門上升過程中出現(xiàn)左超時(shí),說明左端的液壓缸提升閘門速度太快，即該液壓缸中有桿腔油壓過大；則讓三位四通電磁換向閥１1的電磁鐵4DT得電,故此時(shí)電磁閥的交叉油路接通,左端的液壓缸泄油。現(xiàn)總結(jié)如下，無論閘門在上升還是下降過程中，只要閘門左端的開度值大于閘門右端的開度值，且偏差值超過了系統(tǒng)預(yù)設(shè)值,則接通電磁閥的交叉油路;同理，當(dāng)閘門右端的開度值大于閘門左端的開度值,且偏差值超過了系統(tǒng)預(yù)設(shè)值,則接通電磁閥的.(5）液壓啟閉機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視油缸固定機(jī)架轉(zhuǎn)軸上安裝的接近行程開關(guān)裝置用于限定閘門的提門、落門極限，反映每個(gè)閘門全開全關(guān)位置;系統(tǒng)壓力、油溫通過傳感器送入可編程控制器的模擬量輸入模塊；啟門左右缸壓力、系統(tǒng)壓力、濾油器、油位、電磁閥相關(guān)執(zhí)行器件的狀態(tài)、故障狀態(tài)等信號等直接送入PLC的開關(guān)量模塊；用來實(shí)現(xiàn)啟閉機(jī)運(yùn)行故障狀態(tài)監(jiān)視功能。３.4本章小結(jié)本章結(jié)合閘門控制的需要，介紹了液壓控制系統(tǒng)組成、控制回路,給出了液壓啟閉機(jī)的系本統(tǒng)原理圖,并著重介紹了液壓啟閉機(jī)系統(tǒng)的工作過程（即閘門的提升和下降的實(shí)現(xiàn)過程）,同時(shí)還介紹了本液壓控制系統(tǒng)中同步控制功能的實(shí)現(xiàn)過程.第四章信號采集傳輸２.1數(shù)據(jù)采集單元的實(shí)現(xiàn)2．１.1閘門開度的采集閘門的開度是閘門運(yùn)行管理的最基本的指標(biāo)之一,只有實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測到閘門的開度，才能安全地實(shí)現(xiàn)閘門的自動(dòng)啟閉控制;閘門開度儀表由編碼器和傳感器組成.2．１.1。1編碼器編碼器如以信號原理來分,有增量型編碼器和絕對型編碼器。增量型編碼器價(jià)格低廉，接口簡單,采用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)方式確定相對位置。但檢測絕對位置時(shí),則需要提供初始位置的信息，而且容易受干擾的影響,斷電數(shù)據(jù)丟失，數(shù)據(jù)出錯(cuò)時(shí)必須回歸原點(diǎn)，所以一般僅用于相對位置的檢測；絕對編碼器光碼盤上有許多道光通道刻線,每道刻線依次以2線、４線、8線、16線。.。。。。編排，這樣,在編碼器的每一個(gè)位置，通過讀取每道刻線的通、暗,獲得一組從2的零次方到2的n-1次方的唯一的2進(jìn)制編碼(格雷碼)，這就稱為n位絕對編碼器.這樣的編碼器是由光電碼盤的機(jī)械位置決定的，它不受停電、干擾的影響。絕對編碼器由機(jī)械位置決定的每個(gè)位置是唯一的，它無需記憶，無需找參考點(diǎn),而且不用一直計(jì)數(shù)，什么時(shí)候需要知道位置，什么時(shí)候就去讀取它的位置。這樣,編碼器的抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了.絕對值型編碼器一般采用格雷碼制，這是因?yàn)槎M(jìn)制產(chǎn)生進(jìn)位時(shí)，可能有多個(gè)數(shù)據(jù)位發(fā)生變化，由于讀取數(shù)據(jù)時(shí)各數(shù)據(jù)位時(shí)序上的差異，可能造成讀數(shù)錯(cuò)誤。而格雷碼進(jìn)位時(shí)只有一個(gè)數(shù)據(jù)位發(fā)生變化,可減少讀數(shù)錯(cuò)誤。[11］此在抗電磁干擾能力強(qiáng)，誤碼率低及輸出穩(wěn)定性高等方面有著較明顯的優(yōu)勢在本閘門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,采用多圈絕對型光電編碼器，所謂光電編碼器就是一種通過光電轉(zhuǎn)換，將輸至軸上的機(jī)械、幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，它主要用于速度或位置(角度)的檢測;2．１。1．2閘門開度測量原理[12］［13]當(dāng)閘門做啟閉運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)閘門動(dòng)作的兩個(gè)油缸各自驅(qū)動(dòng)自己的絕對型光電編碼器，將油缸的位移信號轉(zhuǎn)換為格雷碼形式的數(shù)字量輸出，傳送給閘門開度儀,通過一定算法間接測量出閘門開度；如下圖2-1所示為閘門開度儀與編碼器、PLC接線圖;圖2-１閘門開度儀與編碼器PＬＣ接線圖本系統(tǒng)采用閘門開度儀表+絕對型光電編碼器測量閘門的實(shí)際直線位移；如圖所示，多圈絕對型光電編碼器與閘門開度儀之間有2條電源線,有時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線一共４根(即CLocK+，CＬoｃＫ一，ＤAＴＡ+，DATA一）；系統(tǒng)中采用的是串行數(shù)據(jù)傳輸。串行傳輸占用較少的數(shù)據(jù)線；應(yīng)用最多的是標(biāo)準(zhǔn)RS一４2２接口和RS一４85接口。其中RＳ一422接口是全雙工的工作方式，通訊協(xié)議為SＳI，它是用于傳輸編碼器的輸出數(shù)據(jù)到控制裝置的同步串行接口協(xié)議，工作過程為控制模塊發(fā)送一串時(shí)鐘脈沖信號，編碼器則響應(yīng)位置數(shù)據(jù)。并且RS4２2接口與供電電源是電器隔離的.ＲＳ一485接口編碼器為半雙工的，將編碼的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成RS一485串行信號輸出，這種輸出方式一般用于編碼器遠(yuǎn)距離傳輸，可節(jié)省電纜,同編碼器數(shù)據(jù)通過電纜傳送給閘門開度儀.（有問題)圖與字?jǐn)⑹龅膶Σ簧习。@示）一方面在現(xiàn)地控制屏上顯示兩個(gè)閘門開度,另一方面則采集旋轉(zhuǎn)編碼器的數(shù)字量輸出送入PＬC控制器的開關(guān)量輸入端，ＰLＣ通過對格雷碼的譯碼獲得閘門開度的二進(jìn)制數(shù)字量，再經(jīng)過PLC特定的算法程序計(jì)算出閘門開度。并輸送到遠(yuǎn)程監(jiān)控級上位主機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)方顯示。2．１.2水位采集常用的液位傳感器有：旋轉(zhuǎn)編碼浮子式傳感器（機(jī)械式和光電式）、超聲波傳感器、壓力式傳感器、磁浮子式傳感器等[14］。其分辨率從毫米級到厘米級不等，測量范圍從幾十厘米到幾十米。首先,從各個(gè)水位計(jì)基本行能指標(biāo)，價(jià)格方面進(jìn)行比較其次，依據(jù)不同水位計(jì)的工作原理，以及它們的優(yōu)缺點(diǎn)相比較。浮子式水位計(jì)它是用浮子和平衡錘作為水位的感應(yīng)部件,通過金屬繩帶動(dòng)水位輪變化傳遞給記錄儀,自動(dòng)記錄水位。。旋轉(zhuǎn)編碼浮子式傳感器分為機(jī)械式和光電式兩種，光電式又分為絕對型和增量型。這類傳感器輸出通常為并行二進(jìn)制碼、串行二進(jìn)制碼和脈沖信號。壓力式水位計(jì)它是通過測量水的壓力（即測點(diǎn)以上水柱的重力)來推算水位的.較常用的測量水壓的方法有電測水位,壓力天平測量水壓和水壓式水位計(jì)。故壓力式水位計(jì)帶有變送部分，要將測得的水位信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(4一20mA)。這種水位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是不需要建造測井。安裝不受地形限制，室外設(shè)施簡單，但要求水的比重穩(wěn)定因此，不適用于水的比重變化的地區(qū)。超聲波水位計(jì)［1５]這類水位計(jì)是通過發(fā)射超聲波脈沖，根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度和接收到水面回波所需的時(shí)間來測定所經(jīng)過的距離而計(jì)算水位。它的特點(diǎn)是不需要建造測井,儀器結(jié)構(gòu)簡單.但是,由于超聲波盲區(qū)的影響，因此應(yīng)用時(shí)需要有一定的水深以保證觀測精度，再就是泥沙、風(fēng)浪、水流中漂浮物等都會(huì)對超聲波有干擾作用，因此不適用于河流多、風(fēng)浪大、漂浮物多的河流。(4)磁浮子式水位計(jì)這類水位計(jì)的原理是,當(dāng)液位變化時(shí)，磁浮子將隨液位在測桿上滑動(dòng)，繼而引起電路中電阻值的發(fā)生變化,檢測電路電阻值就可以獲得液面位置。水位檢測要求精度較高綜合上述比較，所以選用壓力式水位計(jì)測量閘門上下游水位.第五章閘門監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)5。1現(xiàn)地控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)5。１.1現(xiàn)地現(xiàn)地控制層系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閘門現(xiàn)場控制，具備整個(gè)閘控系統(tǒng)中的最高控制優(yōu)先級。主要的目的是：通過控制液壓啟閉系統(tǒng)中定量泵，以及相關(guān)的壓力電磁閥，方向電磁閥等閥組實(shí)現(xiàn)對閘門的啟閉控制。控制功能包括:閘門的上升、下降、停止;監(jiān)控功能包括：水位信息、閘位信息、荷重信息；通訊功能包括：水位、閘位、荷重以及現(xiàn)場設(shè)備的相關(guān)參數(shù)實(shí)時(shí)上傳；對閘門的保護(hù)功能包括:電機(jī)保護(hù)、限位保護(hù)、手動(dòng)急停保護(hù)等。（1）基本控制功能每孔閘門的現(xiàn)地層控制系統(tǒng)是一個(gè)具有完備控制能力的相對獨(dú)立的本地控制系統(tǒng).可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和現(xiàn)地操作方式的切換,并在現(xiàn)地操作方式下,可通過手動(dòng)方式即每孔閘門在現(xiàn)場都設(shè)置一個(gè)現(xiàn)場控制柜實(shí)現(xiàn)對被控閘門的升/降／停操作。（2)實(shí)現(xiàn)信息的采集和監(jiān)控功能（a)閘位信息[1６］：采用高精度的旋轉(zhuǎn)編碼器型傳感器，實(shí)時(shí)采集閘位信息,并通過格雷碼方式向現(xiàn)場PLC輸入高精度的并行編碼信息。同時(shí),該閘位信息需在現(xiàn)場實(shí)時(shí)顯示，并上傳到集中控制層的上位機(jī)中顯示。且因?yàn)殚l位傳感器的質(zhì)量直接關(guān)系到閘門控制的準(zhǔn)確性，故在本控制系統(tǒng)中,通過價(jià)格，性能各方面的比較決定選用德國海德漢公司的ROQ4２5型絕對型光電編碼器，該編碼器每一圈的最大分辨率為１3位，即最大可區(qū)分8１9２個(gè)位置,多圈的圈數(shù)為1２位，也即最大40９６圈可被識別；故量程為81９2×409６，輸出碼為２５位格雷碼。（輸出信號為SＳI同步串行信號。最后傳送到閘門開度儀；）一方面在現(xiàn)地控制柜的文本顯示屏上顯示兩個(gè)閘門開度,另一方面則將旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的格雷送入PLC控制器的開關(guān)量輸入端，PＬＣ通過對格雷碼的譯碼獲得閘門開度的二進(jìn)制數(shù)字量，再經(jīng)過PLＣ特定的算法程序計(jì)算出閘門開度，這個(gè)過程都通過編寫”閘門開度采集子程序”并載入從站PLC中完成的.最后將閘門開度輸送到遠(yuǎn)程監(jiān)控級上位主機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)方顯示。（b)水位信息:選擇水庫區(qū)三個(gè)水位進(jìn)行測量，分別定位在水庫的上游（水庫大壩壩前）、閘門前的進(jìn)水口處以及水庫下游。系統(tǒng)水位采集時(shí)采用的水位傳感器是壓力式水位變送器，輸出信號是４～20ｍA電流信號.由于ＰLC自帶有模擬信號輸入通道,使得標(biāo)準(zhǔn)電流信號可直接輸入ＰLＣ中,不需要再擴(kuò)展A／D模塊。模擬信號在ＰLC模擬輸入通道中自動(dòng)完成A／D變換。并且在ＰLC主程序中將采集到得模擬量放到指定的數(shù)據(jù)塊中，根據(jù)模擬量轉(zhuǎn)換公式將4～20mＡ電流信號轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的水位實(shí)數(shù)并顯示出來。同時(shí),實(shí)時(shí)上傳到集控層上位機(jī)中，采集時(shí)間間隔可由上位機(jī)操作人員自定。（c)各種現(xiàn)場設(shè)備參數(shù):各種現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)或故障參數(shù)在現(xiàn)場PLC中處理、分析，在現(xiàn)場人機(jī)交互界面上顯示,并實(shí)時(shí)上傳到集控中心上位機(jī)中顯示或報(bào)警.（３）保護(hù)功能(a）限位保護(hù):在現(xiàn)地閘門控制系統(tǒng)中，使用軟硬件限位保護(hù).硬件保護(hù)：當(dāng)閘門正常運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)閘門開度達(dá)最大值而的任然開啟的這種情況，針對這種情況設(shè)置一個(gè)行程開關(guān)。當(dāng)ＰLC檢測到行程開關(guān)動(dòng)作后將斷開閘門回路，使閘門立即停止開啟。同樣，當(dāng)閘門關(guān)閉時(shí)，也設(shè)置一個(gè)行程開關(guān)。使閘門停止工作。軟件保護(hù):采用軟件的控制方式,通過旋轉(zhuǎn)編碼器傳遞的數(shù)據(jù)計(jì)算當(dāng)前閘門所處的位置，并在程序中設(shè)定上、下限位置.（b）電機(jī)急停保護(hù)在現(xiàn)地三相動(dòng)力電源進(jìn)線處加設(shè)的斷路器，這種斷路器帶有分勵(lì)脫扣器，具有智能分勵(lì)脫扣功能,適用于交流５0Hz(或60Hz），額定工作電壓為23０/4０0Ｖ,額定電流63A的線路中，對線路進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制分?jǐn)嗷蜃詣?dòng)信號控制分?jǐn)啵瑫r(shí)對線路起過載和短路保護(hù)作用,當(dāng)線路發(fā)生嚴(yán)重的過載或者短路及欠壓等故障時(shí)能自動(dòng)切斷電路。在現(xiàn)地手動(dòng)控制操作無法正常停止閘門電機(jī)的運(yùn)動(dòng)時(shí)，現(xiàn)場操作人員通過現(xiàn)地控制柜上的“急?！遍_關(guān)直接控制斷路器斷開，即直接切斷閘門電機(jī)的動(dòng)力電源。在集中控制層控制時(shí),可由遠(yuǎn)端控制線路，通過信號線給斷路器和智能分勵(lì)脫扣器極上施加控制電壓,即信號電壓,當(dāng)需要遠(yuǎn)程控制斷路器斷開時(shí)，可以斷開信號電壓,則將斷路器斷開.(c）軟件保護(hù):除以上的硬件保護(hù)措施外，現(xiàn)場PLC還具有：閘門失速、閘門下滑、上/下越限等軟件保護(hù)程序。且現(xiàn)地層診測出的任何故障均需在本地顯示并上傳至集控中心。（d)電磁和防雷保護(hù)：每孔閘門的控制設(shè)備均置于一個(gè)防護(hù)控制柜中。整個(gè)控制系統(tǒng)采用了專門的防雷和防電磁干擾的措施。5．１。2根據(jù)閘門控制系統(tǒng)中從站ＰＬC要求要有:與上位機(jī)較強(qiáng)的實(shí)時(shí)通訊能力；對于水位，閘位信息等信息有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力；對采集來的信息要有相當(dāng)數(shù)量的數(shù)字或模擬量輸入,輸出口進(jìn)行輸入輸出;對于上位機(jī)下達(dá)的命令執(zhí)行速度要快。故從站選擇具有：循環(huán)周期短、處理速度高;指令集功能強(qiáng)大、可用于復(fù)雜功能;產(chǎn)品設(shè)計(jì)緊湊、可用于空間有限的場合;模塊化結(jié)構(gòu)、適合密集安裝;有不同檔次的CPU、各種功能模塊和輸入輸出模塊可供選擇的S７－300PLC。即從站采用ＳMAＴIＣS7—30０系列ＣPU２24,一個(gè)文本顯示屏(ＴＯD1１0，4行文本顯示）、一個(gè)1６點(diǎn)數(shù)字量輸入的數(shù)字量模塊、一個(gè)ProｆｉＢuｓ一ＤＰ總線模塊以及相應(yīng)的閘位計(jì)，水位計(jì)等傳感器和中間繼電器構(gòu)成,形成了一個(gè)具有完備控制能力的相對獨(dú)立的本地控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有完善的控制啟閉機(jī)和采集數(shù)據(jù)以及與集控層PＬC通訊等功能。ＰＬC在本地進(jìn)行閘門控制時(shí)主要有４個(gè)方面的功能:控制閘門啟閉、顯示相關(guān)信息、采集現(xiàn)地信息、接受保護(hù)系統(tǒng)的報(bào)警信息。PLＣ的硬件配置及主要的輸入輸出信號如圖５－１所示.圖5—1PLＣ的硬件配置及主要的輸入輸出信號5。3閘門控制方式分析［9］[1９]［20］閘門控制分現(xiàn)地控制和遠(yuǎn)程控制。現(xiàn)地控制又包括現(xiàn)地自動(dòng)和現(xiàn)地手動(dòng)兩種控制方式，當(dāng)現(xiàn)地閘門控制裝置設(shè)置在“自動(dòng)”控制狀態(tài)下，現(xiàn)地控制單元的PLＣ(從站)接到開、關(guān)閘門命令信號，則通過PＬC程序自動(dòng)控制閘門開啟和關(guān)閉，當(dāng)設(shè)置在“手動(dòng)”控制狀態(tài)下，則通過現(xiàn)地控制柜上的開關(guān)、?？刂瓢粹o直接操作閘門；現(xiàn)地手動(dòng)控制保證閘門在系統(tǒng)自動(dòng)控制功能產(chǎn)生故障的情況下，閘門的開啟、關(guān)閉，全開或全關(guān)。遠(yuǎn)程控制也包括兩種控制方式：PLＣ總線控制和遠(yuǎn)程手動(dòng)控制,都通過現(xiàn)場PLC對閘門液壓泵進(jìn)行間接控制。無論是遠(yuǎn)程PLC總線控制還是手動(dòng)控制,PＬＣ都將從集控層得到一個(gè)上升或下降的命令（如果無上升或下降的命令，則表示發(fā)出的是停止命令）.不同的是在遠(yuǎn)程PLＣ控制方式下,命令是集控層PLC通過總線下達(dá)給現(xiàn)場ＰＬC；如：在遠(yuǎn)程上位機(jī)的組態(tài)畫面中輸入閘門開度給定值，則上位機(jī)將這個(gè)命令下傳到集中控制層的PLC中，集中控制層再將現(xiàn)場PLＣ上傳上來的閘門當(dāng)前值,以及當(dāng)前現(xiàn)地閘門給定的開度值三者進(jìn)行比較，最終向現(xiàn)場PLＣ發(fā)出閘門控制命令，若為遠(yuǎn)程，自動(dòng)方式則就為遠(yuǎn)程自動(dòng)控制閘門.遠(yuǎn)程手動(dòng)方式則是通過電氣硬接線,給現(xiàn)地PＬＣ的指定DＩ接口一個(gè)電壓信號來傳達(dá)的。控制方式的切換通過轉(zhuǎn)換開關(guān)來實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)地控制時(shí),遠(yuǎn)程控制自動(dòng)被屏蔽。對于手動(dòng)操作主要是指在自動(dòng)控制方式發(fā)生故障或不能正常完成某方面的操作運(yùn)行時(shí)使用，手動(dòng)控制只作為一種應(yīng)急的控制操作運(yùn)行方式或作為設(shè)備檢修維護(hù)時(shí)的特殊需要使用。閘門的自動(dòng)控制分為定開度控制和定流量控制。本控制系統(tǒng)中采用定開度控制,根據(jù)設(shè)定的閘門開度與通過現(xiàn)場采集上來的閘門開度數(shù)據(jù)值進(jìn)行比較來進(jìn)行閘門控制.5.5PＬC控制程序設(shè)計(jì)５。5。1ＰLC控制程序流程圖[9][2５］［26]根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)的控制要求，PLC程序包括：閘門自動(dòng)啟閉控制程序,升門子程序、降門子程序、停門子程序、自動(dòng)糾偏子程序等。本論文給出了：閘門自動(dòng)啟閉控制程序、升降控制流程圖。由于閘門實(shí)時(shí)開度值是閘門啟閉的依據(jù)，故也給出了閘門開度采集的子程序.對上述的流程圖做幾點(diǎn)說明：在閘門自動(dòng)啟閉控制程序中，（1）計(jì)算閘門左右開度差，置閘門糾偏標(biāo)志;（2）判斷是遠(yuǎn)程還是現(xiàn)地控制，對應(yīng)比較閘門實(shí)際開度值與給定值，比較的結(jié)果就決定了閘門是升門、降門、還是停門.(３)判斷是自動(dòng)控制還是手動(dòng)控制,若為自動(dòng)控制則根據(jù)程序中，根據(jù)程序中已置位的標(biāo)志直接去執(zhí)行相應(yīng)的程序。而若為手動(dòng)控制則根據(jù)相應(yīng)的操作手動(dòng)給相應(yīng)的標(biāo)志置位,最后調(diào)用相應(yīng)的程序,完成操作。5．5。2PLC控制軟件編程PLＣ承擔(dān)著液壓啟閉機(jī)運(yùn)行的控制任務(wù)，程序設(shè)計(jì)應(yīng)加強(qiáng)軟件功能，并遵循嚴(yán)格的連鎖關(guān)系，以提高系統(tǒng)可靠性。采用西門子專用的STEP7編程語言，該軟件有豐富的指令集、預(yù)先編制的功能塊、符號表統(tǒng)一管理功能使得編程快捷簡便。并且采用模塊化結(jié)構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)功能塊調(diào)用方式,把許多分立的功能塊（ＦB)、程序塊(PB)、組織塊(OB)，和數(shù)據(jù)塊（DB）組織起來，并通過調(diào)用語句JU/JC規(guī)定程序塊的執(zhí)行順序，增強(qiáng)了程序的可讀性和易維護(hù)性。本論文中給出1#閘門的變量表5—1和1＃閘門的子程序［2３］［2７］，包括：１＃液壓泵啟動(dòng)程序、計(jì)算閘門左右偏差程序、閘門左右糾偏程序、比較閘門實(shí)際開度值與現(xiàn)地/遠(yuǎn)程開度給定值子程序、以及閘門升門、降門、停門子程序。本章小結(jié)本章介紹了閘門監(jiān)控系統(tǒng)具體的實(shí)現(xiàn)過程，包括：現(xiàn)地控制級的實(shí)現(xiàn)和集中控制級的實(shí)現(xiàn);分析了現(xiàn)地控制級和集中控制級的功能,分別給出了他們的硬件,以及具體的實(shí)現(xiàn)過程；設(shè)計(jì)出了電氣控制線路，PLC控制程序的流程圖以及控制程序。參考文獻(xiàn)[1］中國水力資源概述．中國農(nóng)村水電及電氣化信息網(wǎng),20０２．９。２2[2]朱亞東。水閘平面閘門液壓啟閉機(jī)系統(tǒng)探析.液壓與氣動(dòng)，２００2。1０[3］高偉．基于Pｒofibuｓ-DP現(xiàn)場總線的閘門監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).西安石油學(xué)院學(xué)報(bào),20０3．５，18（3）：73～75［４］顧燕,徐立中，孫保平,劉大奎．基于現(xiàn)場總線的分布式閘門監(jiān)控系統(tǒng)．水利水文自動(dòng)化，2001，(2）:１６～１8［5］雷天覺。液壓工程手冊.北京：北京理工大學(xué)出版社,２00１［6］郭加宏，陳紅勛.液壓水閘糾偏運(yùn)行的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì).水利水電技術(shù),2００4,35(5）:124～1２6［７］明仁雄，萬會(huì)雄.液壓與氣壓傳動(dòng)。機(jī)械工業(yè)出版社，200３［8］李力強(qiáng),李躍年。液壓啟閉機(jī)在水利水電工程中的應(yīng)用.吉林水利，1996（3)：22~2４［9］張秀芝，胡漢梅.泄洪大壩弧形閘門雙缸液壓啟閉機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，中國科技信息,2006，(15）:30～34[1０］郭加宏，陳紅勛。液壓水閘糾偏運(yùn)行的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。水利水電技術(shù)，２004，（5）:１2５~1２6[11］黃鳳辰，周文君.泄水閘門的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制.測控技術(shù),2002，（9）：2６～28［12］袁忠,劉平．閘門開度測量與控制,水利水電技術(shù),19９４,（10）:50~53[１3］趙廣瑞.閘門開度荷重測控儀的研制［碩士學(xué)位論文],大連理工，2005[14]．檢測技術(shù)，（設(shè)計(jì)報(bào)告自己獨(dú)立完成，如有雷同，雙方均為0分,請同學(xué)們自己保護(hù)好自己的設(shè)計(jì)報(bào)告，特此申明)。通信原理課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)報(bào)告課題名稱：專業(yè)班級：姓名：學(xué)號：起止時(shí)間：信息科學(xué)與工程學(xué)院目錄一、課題內(nèi)容二、設(shè)計(jì)目的三、設(shè)計(jì)要求四、實(shí)驗(yàn)條件五、系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、通信系統(tǒng)的原理2.所設(shè)計(jì)子系統(tǒng)的原理六、詳細(xì)設(shè)計(jì)與編碼1。設(shè)計(jì)方案2．編程工具的選擇３。編碼與測試4.運(yùn)行結(jié)果及分析七、設(shè)計(jì)心得八、參考文獻(xiàn)……………….………………。22一、課題內(nèi)容本課題是基于ＭATLAＢ的通信系統(tǒng)仿真—PCM系統(tǒng)仿真二、設(shè)計(jì)目的1、培養(yǎng)我綜合得用多門課程知識的能力。2、培養(yǎng)我熟練掌握MAＴLＡB,運(yùn)用此工具進(jìn)行通信系統(tǒng)仿真的能力.3、培養(yǎng)我查閱資料，解決問題的能力。4、加深我對通信系統(tǒng)各部分的理解。5、培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)開發(fā)的思想;三、設(shè)計(jì)要求1。獨(dú)立完成自己的題目內(nèi)容；對通信系統(tǒng)有整體的較深入的理解,深入理解自己仿真部分的原理的基礎(chǔ),畫出對應(yīng)的通信子系統(tǒng)的原理框圖；提出仿真方案；完成仿真軟件的編制;仿真軟件的演示；提交詳細(xì)的設(shè)計(jì)報(bào)告。四、實(shí)驗(yàn)條件計(jì)算機(jī)、Mａｔlab軟件五、系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、通信系統(tǒng)的原理（闡述整個(gè)通信系統(tǒng)原理，最后之處你主要負(fù)責(zé)哪一部分)通信的目的是傳遞消息，通信系統(tǒng)是一個(gè)以傳遞消息為目地的系統(tǒng)，通信系統(tǒng)的一般模型如下：

圖中,信源的作用是把待傳輸?shù)南⑥D(zhuǎn)換成原始電信號,如電話系統(tǒng)中電話機(jī)可看成是信源。信源輸出的信號稱為基帶信號。所謂基帶信號是指沒有經(jīng)過調(diào)制（進(jìn)行頻譜搬移和變換)的原始電信號，其特點(diǎn)是信號頻譜從零頻附近開始，具有低通形式，。根據(jù)原始電信號的特征,基帶信號可分為數(shù)字基帶信號和模擬基帶信號，相應(yīng)地，信源也分為數(shù)字信源和模擬信源。

發(fā)送設(shè)備的基本功能是將信源和信道匹配起來，即將信源產(chǎn)生的原始電信號（基帶信號）變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?。變換方式是多種多樣的，在需要頻譜搬移的場合，調(diào)制是最常見的變換方式；對傳輸數(shù)字信號來說,發(fā)送設(shè)備又常常包含信源編碼和信道編碼等。

信道是指信號傳輸?shù)耐ǖ?，可以是有線的，也可以是無線的，甚至還可以包含某些設(shè)備.圖中的噪聲源,是信道中的所有噪聲以及分散在通信系統(tǒng)中其它各處噪聲的集合。

在接收端，接收設(shè)備的功能與發(fā)送設(shè)備相反,即進(jìn)行解調(diào)、譯碼、解碼等。它的任務(wù)是從帶有干擾的接收信號中恢復(fù)出相應(yīng)的原始電信號來.

信宿是將復(fù)原的原始電信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息。我做的是通信系統(tǒng)中的一種系統(tǒng)：數(shù)字通信系統(tǒng)的仿真。其基本框圖如下：數(shù)字調(diào)制信源編碼信道編碼量化抽樣模擬信號抽數(shù)字調(diào)制信源編碼信道編碼量化抽樣模擬信號信道噪聲信道噪聲數(shù)字濾波器模擬信號抽樣判決信道譯碼信源譯碼數(shù)字濾波器模擬信號抽樣判決信道譯碼信源譯碼我負(fù)責(zé)獨(dú)立完成以上各部分。2.所設(shè)計(jì)子系統(tǒng)的原理現(xiàn)在更詳細(xì)說明以上數(shù)字通信系統(tǒng)的原理。(1)、模擬信號為原始的信原信號.(2)、抽樣是將上述的時(shí)間和幅值都連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換成時(shí)間離散幅值連續(xù)的信號。（３）、量化是將上述的時(shí)間離散幅值連續(xù)的抽樣信號轉(zhuǎn)換成時(shí)間離散幅值離散的信號。(4）、信源編碼是將上述量化后的值編碼成０、1比特流的形式，并且可以減少冗余，提高效率。（5）、信道紡碼是為了提高傳輸可靠性。（6)、數(shù)字調(diào)制是將上述０、1比特流轉(zhuǎn)換成適合在通信信道中傳輸?shù)牟ㄐ巍?７）、信道是信號傳輸?shù)耐ǖ?信號在信道中傳輸時(shí)經(jīng)常會(huì)有噪聲的干擾。(8)、數(shù)字濾波器是將調(diào)制并加有噪聲的信號，去除噪聲,并且解調(diào)后形成方波形式的信號。（9）、抽樣判決是將方波形號轉(zhuǎn)換成０、１比特流.（１0)、信道譯碼是信道編碼的反過程.（11）、信源譯碼是信道編曲碼的反過程。（12)、最后還原成模擬信號。六、詳細(xì)設(shè)計(jì)與編碼1。設(shè)計(jì)方案(可以畫出編程的流程圖，闡述設(shè)計(jì)思路等)經(jīng)過我的思考，再加上查閱了大量資料后,有了以下編程設(shè)計(jì)思路。產(chǎn)生模擬信源并得到抽樣信號產(chǎn)生模擬信源并得到抽樣信號線性分組碼編碼通過13拆線得到轉(zhuǎn)換后的值線性分組碼編碼通過13拆線得到轉(zhuǎn)換后的值數(shù)字調(diào)制通過編碼子函數(shù)進(jìn)行量化和編碼主函數(shù)數(shù)字調(diào)制通過編碼子函數(shù)進(jìn)行量化和編碼主函數(shù)數(shù)字濾波器BPSK子函數(shù)數(shù)字濾波器BPSK子函數(shù)抽樣判決通過A侓公式反轉(zhuǎn)成原始模擬信號抽樣判決通過A侓公式反轉(zhuǎn)成原始模擬信號信道譯碼信道譯碼在主函數(shù)中,先產(chǎn)生一個(gè)模擬信號,再經(jīng)過抽樣后得到抽樣值,將抽樣值通過1３拆線法轉(zhuǎn)換成對應(yīng)值，將轉(zhuǎn)換后的值經(jīng)過量化和編碼后得到0、１比特流，再經(jīng)過信道譯碼,再經(jīng)過BPSＫ調(diào)制，再人為加入一些噪聲,再通過數(shù)字濾波器將噪聲和載波濾掉，取出直流分量,得到方波波形。再經(jīng)過抽樣判決后得到0、1比特流,再經(jīng)過線性分組碼譯碼，最后經(jīng)過信源譯碼，再經(jīng)過A侓公式反轉(zhuǎn)成原始模擬信號，畫出各階段的波形.２.編程工具的選擇（本次仿真使用的工具軟件，闡述為什么使用該軟件，該軟件的特點(diǎn)）我這次選用的軟件是MAＴＬAB,因?yàn)檫@款軟件的功能特很強(qiáng)大,學(xué)習(xí)方便，仿真容易實(shí)現(xiàn).MATＬAB具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

功能強(qiáng)大的數(shù)值運(yùn)算功能?強(qiáng)大的圖形處理能力

高級但簡單的程序環(huán)境

豐富的工具箱最重要的是MATLＡＢ學(xué)習(xí)起來方便容易，以前有學(xué)C語言的基礎(chǔ),ＭATLAB與Ｃ語言有類似之處，編程流程大概差不多,但要注意的是ＭATLＡＢ與C語言在程序代碼上也有細(xì)微的差別，ＭATLＡB是一種解釋性語言,在寫程序代碼時(shí)容易方便,但是與C語言相比它的運(yùn)算速度較慢，但功能強(qiáng)大。3.編碼與測試（寫出源代碼，分析核心代碼完成的功能）編程序代碼過程:子函數(shù)1:funｃtiony1＝zhexｉan（x)x=x/mａx(x）；z＝ｓiｇn(x）;x＝aｂｓ（ｘ）；ｆori=1:lengｔh(x)if（（x（i）＞0)＆（x(i）<1/６４））ｙ(i）=１6＊x（i）；eｌｓeif（(x(i)〉=1/６4）&(x(i)<1/3２))y（i）=x（i）＊8＋1/8;elseif（（ｘ(i)>=1/32)＆(x(ｉ)<1/1６））y（i)=4＊x（ｉ）＋2/8;elｓeｉf（（x（i)>=1/１6）&（x（i)〈1/8））ｙ（i）＝2＊x(ｉ)＋3／8；ｅlseｉf（（ｘ（i）>=１/８)＆（ｘ（ｉ)＜1/４))y(i）=ｘ（i）+1/２；elseｉf（（x(ｉ）〉=１/4）＆(x(ｉ）＜１/２））ｙ(i)＝1/2*x(ｉ）+5／8；ｅlsｅif（（ｘ(ｉ)>=1/2)&（x(i)＜＝１))y(i）＝1/４＊x（i)+3／4；end；end；enｄ；end；end;enｄ;ｅｎd；ｅｎd；ｙ１=z.＊y;end此子函數(shù)的功能是將抽樣后得到的值用13拆線轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的值。子函數(shù)２：此函數(shù)的功能是將抽樣后的值量化后進(jìn)行自然二進(jìn)制編碼。第個(gè)值采用8位二進(jìn)制編碼。子函數(shù)3:functionbｉｔ2=ｘianxi（m）H=［0１1110０;1０11010；１1010０１］；Ｇ＝[１000011;01001０1；00１01１0;０00１111］;%生成矩陣C=ｒem（m＊G,2）；[c,z］=size(C）；bit2=[］;forｉ＝1：cbit2=［bit2，Ｃ(ｉ，[1：7］)］；end此函數(shù)的功能是進(jìn)行信道編碼即：將每四位二進(jìn)制后加三位監(jiān)督位,比特流的總長度除以四余下的則不進(jìn)行加監(jiān)督位.子函數(shù)4:fｕnctiｏｎbit3=ｘiaｎｘiyima(ｇg）ｐ=gｇ；R=[］；S＝[］；foｒi=1：length（p)/７R(i，[１：７］)=ｐ(（i-1）＊７+1:i*7)；eｎdH=[0１11100；101１01０；1101０0１];［c，z］=sｉze(R）;S=ｒeｍ（R＊H’，２);fori=1：c％伴隨式的行次forj=1：7b=all（S（ｉ，:）==H(:,j)＇）；ifb==1R(i，j）=～R（i,j）;ｂreａk;ｅndeｎdｅndＲ(：，［5:7］）＝［]；［c，z]=sｉze(R)；bit3＝[］;ｆoｒi=１：cｂｉt３=［bｉt3，R（i,［1:４]）];end子函數(shù)5：ｆunctｉｏnｂb=BPＳＫ（bｉt）ｆs＝3０00０；Tｓ=0。1；m=ｆs＊Tｓ;%一個(gè)碼無所占寬度Hiｇh＝ones（1,m）；Low=zerｏs（1，ｍ）;U=ｒeｍ（length（ｂiｔ)，4）；sheng=［bit（lengｔh（bｉt))—U+１:ｂｉt(lenｇth（bｉｔ）)］；w=300；％角頻率ｆｏri=1:leｎgth(biｔ）/4decodｅ（i，［1:4]）=bit（(i－１)*４+１：i＊4）;endｂｉt2=ｘianxi(deｃode）;%線性分組碼編碼Ｓｉｇｎ=［biｔ２，sheng];L＝lengtｈ（Sｉgｎ）;%信號長度sｔ=zeros(1，ｍ＊L）；ｓign１=zｅroｓ（1，m*L);t=0：１/ｆｓ:Ｔｓ＊L—1/fs;ｆori＝１：LｉfSigｎ(i）==1ｓign1(（ｉ—１）*m＋1：i＊m）＝High；elsｅsign1（（i-１）＊m＋1：i＊m）=Loｗ;eｎdeｎdfｏri＝1:LifSiｇn(i）==1st((i—1）＊m＋１：i*m）=cｏs（2*pi＊w＊t(（i-1)*ｍ+1：i*ｍ）+（pi/２）)；elsｅsｔ((i-1）＊m+1:i＊m）=cｏs（2＊pi*w＊ｔ（（i-1）＊m+1：ｉ*ｍ））;ｅnｄendsｔ１＝ｓt;st1＝st１＋cos(３００0＊ｔ）;figuｒeplｏｔ（ｔ，sｉｇn1）；aｘiｓ([０，Tｓ＊(L+1）,—(１/2)，３/2］）；title(’編碼后的信號'）;gｒidｆｉguresubｐlｏt(2，１，1）；plｏｔ(t,st）;aｘis([0,Ｔs＊（L+１），-３/2，3／2]）；tｉtle（’數(shù)字調(diào)制后的信號＇）;gｒidｓubplｏt(2，1，２);pｌoｔ（t，st1）;aｘis（［0，Tｓ*(L+1）+1,－５/2,5/2］);title('加噪后的信號'）；griｄｄｔ=st1．＊cos（2＊pi＊ｗ＊ｔ）;fｉgureplot（t，ｄt);axis([0,Ts*(L+1）,—2，5/2］)；ｔｉｔle(’與相干波相乘后的波形'）；gｒid［N,Wn］=buttord（２*ｐｉ＊50,2＊ｐｉ＊1０0，3,２5，'s＇）；%臨界頻率采用角頻率表示［b，a]＝bｕｔｔer（N,Wｎ，’ｓ');[ｂz,a