创新资金项目申报基于单片机的闸门监控系统.docx
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创新资金项目申报基于单片机的闸门监控系统
中小企业技术创新资金项目申报表
项目名称：
闸门与闸门群保护及远程监控系统
申报单位名称：
***************有限公司（公章）
所属领域：
电子及自动化
企业负责人：
******联系人：
******
填报日期：
2012年11月21日
******科学技术局
制
一、企业基本情况
企业名称
*************有限公司
注册时间
通讯地址
邮 编
企业法定代表人情况
姓名
性别
出生年月
最高学历
******
联系人
******
电话
传真
开户银行
注册登记类型
有限责任公司
行业
电子及自动化
注册资金
企业总资产
职工总数
人
其中大专以上人员
及所占比例
直接从事研发人员及所占比例
企业股本构成
上年度企业总收入
上年度企业利润总额
万元
上年度工业总产值
万元
上年度企业交税总额
万元
上年度工业增加值
万元
上年度技术开发经费支出额
万元
是否高新技术企业
是否创新型试点企业
是否科技型中小企业创新成长工程试点企业
是否是规模以上企业
主要产品名称
占企业销售收入总额比例（%）
二、项目基本情况
项目名称
闸门与闸门群保护及远程监控系统
计划完成时间
技术领域
电子及自动化
技术来源
自有技术
项目现处阶段
研发阶段
项目是否有自主知识产权
是
项目简介
（300字以内）
本项目主要研究闸门启闭机的保护和控制以及闸门群的监控，使用高性能的STC单片机对整个系统进行控制，并且使用GPRS模块进行实时远程监控。
项目主要是根据在运行过程中的闸门高度上限，高度下限，水压，启闭机载荷等信息来判断是否处于安全运行状态，从而进行声光报警与控制，保证闸门和闸门群的安全运行。
该项目可扩展功能有拦污栅的水压、上水水位高度、底水水位、启闭机转速监控、水流量监测等功能。
项目主要研发人员
（5人以内）
项目总投入
100万元
其中自有资金
60万元
贷款
20万元
申请补助资金
20万元
项目完成后预计年度指标
新增工业
总产值
500万元
新增利润
50万元
新增工业
增加值
180万元
新增税收
10万元
三、项目审核情况
县市区科技局、财政局推荐意见
盖章
年月日
专家组评审意见
年月日
市科技局、市财政局审核意见
盖章
年月日
申报企业保证本申报表陈述情况、所填数据、所附附件真实有效，并承担相应的法律责任。
一种基于STC的闸门和闸门群的保护及远程监控系统
一、项目简介
1、项目的必要性；
学术必要性：
本项目主要研究闸门启闭机的保护和控制以及闸门群的监控，使用高性能的STC单片机对整个系统进行控制，并且使用GPRS模块进行实时远程监控。
项目主要是根据在运行过程中的闸门高度上限，高度下限，水压，启闭机载荷等信息来判断是否处于安全运行状态，从而进行声光报警与控制，保证闸门和闸门群的安全运行。
该项目可扩展功能有拦污栅的水压、上水水位高度、底水水位、启闭机转速监控、水流量监测等功能。
应用必要性：
为适应生产控制需要，完善闸门启闭机系统的实时监控、保护于一体，构建了一种可对起重设备进行集中精确测量、保护以及操作的闸门控制系统。
使之能够广泛应用于水利工程中，提供更加安全、可靠地保护措施，可降低工程事故有效保护设备，节省人力和物力，完善了水库的管理系统。
2、项目的创新点；
1、现有的闸门控制主要是针对单个闸门的重量以及高度的检测，缺乏主控计算机的支持，不能联网进行闸门群的全面监控，无法实时了解闸门群的工作状态。
本项目除了具备目前市场上拥有的功能外还增加了GPRS远程监控功能、短信报警功能、压力检测功能等。
远程监控采用无线接入GPRS网络技术，为数据中心提供数据传输通信通道。
传输模块具有可靠的网络连接，智能防掉线，支持在线检测，在线维护，为数据中心提供准确、实时的侦测数据。
维护和管理人员可在任意能够上网的地点经过网络认证和身份认证后,对系统进行日常维护和数据监控。
传输模块经过简单配置即可使用，体积小方便安装。
2、现有的闸门控制系统缺乏安全可靠地压力检测功能，冲水系统只是单纯的利用延时功能进行闸门水压的释放。
本项目的压力检测功能是采用灵敏度高的压力传感器进行闸门水压的检测，压力信号反馈给本系统进行综合计算分析给出安全的指令控制闸门的可提升或压力的续释放。
3、传统的传感器信号采集方式采用对传感器供电后输出相应的电压（或电流）信号，由于传输距离较远，电缆传输过程中不可避免的会与各动力电缆同路，因而对信号多少有影响，从而影响高度数值测量的准确性。
本项目采用绝对值型光电编码器，其信号传输与原方式采用完全不同的工作原理，它采用目前流行且实用的RS422或RS485通讯方式，为半双工通讯传输，主机与传感器之间为上、下应答的方式。
因此在数值指示准确及稳定性上有很大的提高，几乎不受干扰，且光电编码器的采集数据精确度也要比电位器高，误差可达0.3%以下。
3、项目的主要内容；
该项目产品的设计主要是基于对闸门高度上限和高度下限，启闭机额定载重量和实际载重量，闸门承受的上水水压以及下水水压进行检测、报警和控制并实现了GPRS远程监控功能。
该产品计划由电源部分，MCU处理单元，MCU系统通信，信号采集处理，控制，语音，显示，按键输入单元以及远程监控几部分组成。
电源模块：
连接系统中的各个模块，为各个模块提供所需稳定电压；
MCU处理单元：
对各个模拟信号进行数字化分析处理以及参数的设定；
MCU系统通信：
对各个系统单元的参数进行整体的信息传递，实现闸门群的监控。
信号采集处理：
重量传感器、高度传感器、压力传感器分别与信号采集模块的信号输入端连接，将闸门运行时的各物理参数转化为数字信号；
控制模块：
接收来自主控芯片的控制命令，并向闸门输出控制信号；
语音模块：
从主控芯片接收数据进行预警和报警；
显示模块：
连接主控芯片的数据输出端，用于显示塔吊的状态信息；
按键输入单元：
连接主控芯片的数据输入端，将操作员输入的指令发送至主控芯片；
GPRS模块：
连接主控芯片的数据输出端，并将接收到的数据发送给服务器；
数据传输模块将采用工业级设计，金属外壳，具有多重软硬件看门狗设计。
一个闸门群的各个单元能够通过GPRS功能实时将数据（重量、上下限、水压）发送至后台服务器，从而进行实时监控。
在终端设备出现异常时，自动发相关短信给维护人员。
该项目的闸门状态信号采集主要是由重量传感器——本产品适用轴承座式传感器以及高精度的光电编码器和水压传感器三大部分组成。
其中重量信号和水压信号是一种将力的变化转换为可采集的电信号传送到主机，经过电路放大进行A/D转换，微处理器读取转换数据并与输入的安全参数进行分析然后进行处理。
对于水压的信号处理即水压大于设定值时闸门无法提升，水压会续释放，当水压小于设定值时，闸门能够继续提升。
对于重量数据的处理即载重量高于额定值时无法提升，在安全范围内能够运行，确保启闭机不负荷运行，保证工作的安全。
其上下限位的数据是由光电编码器来采集，在此项目中我们将采用高精度的绝对型光电编码器，用于大量程位移测量。
由于光电编码器的信号采集是一种脉冲信号，不同的高度对应码盘的不同位置，我们只需要用微电脑进行数据读取，精度能够达到1cm，断电能够记忆数据。
当闸门提升高度大于上限值或者小于下限值时主机能够发送指令停止闸门的继续提升和下降，并且发送报警信号。
图1为系统总原理图。
图1系统原理图
4、项目的依托单位；
该项目为自主开发。
二、项目的主要目标和任务
1、项目的主要目标；
研究开发一种基于STC单片机的闸门远程监控系统，可用于水利工程的闸门控制，并对启闭机载荷，闸门高度上下限，闸门承受水压信息进行实时监测及保护控制，能够将有效数据进行远程传输，方便实时监控，实现人机一体化管理。
能够解决因人为因素或者自然因素造成的人身安全和设备事故，有效减少人力和物力的损失。
其基本功能如下：
✧自动采集闸门的开度、载荷，全开、全关的状态，各闸门提升或下降的过程以及启闭机转速；
✧现场能够显示闸门的实际开度、载荷，并能够对参数进行校正修改；
✧向远方控制室计算机传送相关信息：
开度、荷重、工作过程、故障信息；
✧控制室上位机能向现地控制设备发出控制信息和指令，并能修改系统的相关设定参数；
✧各级设备故障和闸门操作异常的自动诊断，并发出报警信号以及相关的故障信息，便于操作人员维护；
✧用上位机进行操作时能禁止不安全的闸门启闭组合；
✧原有的控制柜保留与新增的控制系统互为备用，并能进行现地与远方集中控制的运行切换；
✧能向企业内部的MIS系统发送有关的信息数据；
✧数据库的查询及维护；
✧远方控制室计算机显示的内容：
¯闸门的开度、载荷，全开、全关状态，各闸门提升/下降过程，各级设备的故障、异常信息；
¯显示控制系统的结线图，闸门控制回路的状态；
¯显示各孔闸门的操作时间、日期以及第几次操作等相关信息；
¯显示闸门的相关参数、启闭要求；
¯显示系统的简介及辅助信息；
2、项目的主要任务。
（1）了解闸门和闸门群智能监控与保护的工作原理和实现方式；
工作原理是实现项目开发的可行性技术保证，不了解工作原理无法设计与优化智能控制方式，原理是实现系统的框架。
（2）分析原理并设计出控制系统的系统框架；
（3）闸门智能远程监控的硬件电路设计；
电路的稳定性是系统高可靠运行的保障，所以如何选择电路设计方法以及对电子元器件的选材是项目的主要任务之一。
（4）闸门智能远程监控的软件编程；
有了硬件上的完善和优化作为前提条件，软件编程是当下最为重要的任务之一，软件的稳定能有效减小数据处理时间，提高工作效率和迅速的对误操作进行响应。
也从根本上避免了系统的奔溃，减少了系统的维护时间。
（5）后台服务器数据处理系统；
后台服务器数据处理即GPRS数据远程传输闸门的实时状态和启闭机的负载参数处理。
此系统即实现人机一体化管理，闸门群的集中监控。
当然此系统的设计决定了远程监控的可实施性和价值性，是为一项非常重要的环节。
（6）配套传感器的制作、选取以及精度校正。
传感器能感受规定的被测量并按一定规律将其转换为有用信号的器件或装置。
传感器至少应具备两方山的功能:
能感受非电量;能将非电量转换为电量或电参量。
在自动控制系统中，传感器是一种常见的却又很重要的器件，它是自
动控制系统的首要环节，是被控量进入控制系统的入门。
传感器就像自动控制系统的眼睛、鼻子、耳朵一样，对于一个控制系统的性能起着重要作用。
可靠、灵敏的传感器是自动控制系统正常工作的前提。
就像双日失明的一自人是不可能很准确地拿到所要拿的东两一样，如果控制系统的传感器部分不能正常工作，自动控制系统也就没有办法代替人来完成各种工作。
因此，传感器性能的优劣对整个自动控制系统性能的发挥起着举足轻重的作用。
在闸门启闭机运行中，该项目的控制和监控目标主要有上下限保护、载荷保护、水压闸门保护以及远程监控，保证闸门和启闭机的正常运行。
要达到闸门和启闭机的控制目标，避免和解决闸门控制中的问题，需要分析影响闸门允许工作条件和控制的各种因素，把这些条件通过适当的算法和方式来实现最优控制系统的设定。
三、项目综合分析
1、技术分析；
闸门集中控制系统对保证闸门的安全可靠运行，提高水电厂闸门运行管理水平，改善运行维护人员的工作条件和劳动强度，实现“无人值班、少人值守”的目标具有重要意义。
本系统也是实现枢纽整体计算机自动化管理的基础之一。
为此，水力发电厂需建立一套安全可靠，经济实用，运行操作灵活和简便，并具有相当先进水平的闸门集中控制系统。
该项目可用于水利工程的闸门控制，并对启闭机载荷，闸门高度上下限，闸门承受水压信息进行实时监测及保护控制，能够将有效数据进行远程传输。
其系统框架结构如图2所示。
图2系统框架结构
该项目电路设计将采用最优控制电路，每个电子元件都能在正常工作电压和工作电流范围内工作，确保器件的稳定性。
该项目的软件设计将结合公司已经非常成熟的产品——智能开度仪、载荷限制器、塔机防碰撞机型来研发，确保系统的稳定性。
该项目的上下限检测将采用开度检测传感器。
开度检测传感器采用绝对值型的旋转式光电编码器，它可作为传感器来检测物体运动的角度、位置、速度和加速度，并把这些状态转换成便于显示、传输、放大和比较的电信号，以供观察、测控和计算机处理的控制用，它的应用已广泛深入到自动控制技术的各个领域之中。
旋转光电编码器通常由连轴编码盘、数据处理器和信号输出系统组成。
按不同的编码盘可以分为增量型编码器和绝对型编码器两大类。
增量型编码器通过轴的每一旋转输出一特定数量的脉冲信号；绝对型编码器以数字方式输出，编码器在任何位置都有唯一的数字输出与其对应，具有断电记忆功能。
我们在此选用进口绝对型光电编码器，因为它在任何位置都有唯一的数字输出与其对应，具有断电记忆功能，因而任何时候断传感器供电，在下次供电后仍然能正确指示高度当前实际值，因此在数值指示准确及稳定性上有很大的提高，几乎不受干扰。
且光电编码器的采集数据精确度也要比电位器高，误差可达0.3%以下。
该项目的重量信号采集将采用高灵敏、高防护、经久耐用的电压式传感器，精度误差可在±0.005mV。
传感器一般由敏感元件、传感元件件和测量电路三部分组成。
有时加上辅助电源。
图3为传感器的内部结构原理图。
灵敏度补偿零点补偿+
输
出
应变片-
输入
图3传感器结构原理图
其工作原理是电桥平衡原理，该项目将应用此传感器设计一种方便安装并取力合理可靠的配套装置进行载荷信号的采样，图4即为安装图。
图4重量传感器工作原理图
图4中D为启闭机卷轴的直径，H为轴与底座的中心距，E为轴套的厚度H-H1-H3即传感器的厚度，L9为固定轴的凹槽宽度。
传感器采用高精度传感器，专门为工业用途而设计的，采用全密封结构，内充氮气。
应变片选用环氧酚醛箔式电阻应变计，使用温度范围为－10～＋80℃，经1×106工作循环无故障,具有精度高，长期稳定性好等特点。
该系统将采用先进的抗干扰器件和独到的软件设计，拥有极强的抗干扰能力；为了消除传感器、放大器和机械等多方面长期工作生产生的变化带来的影响，本装置将采用零点自动跟踪记忆技术，确保称重的精度；本装置将采用数学模型控制技术，可以限制起吊时的异常过冲击，避免起重机由过冲击引起的损坏；传感器与控制箱之间信号采用数字传输，提高传输距离和抗干扰性能；为了便于安装，本装置的各部件在工厂将按技术标准用精度仪器分别调校，现场安装时一般不再需要进行调度；为了便于精确显示稳重值，限制器采用了软件调节记忆技术，校正时便捷直观。
该项目有的人机交互界面将通过键盘、鼠标、显示器CRT及打印机等人机接口设备，提供运行人员对闸门设备及集中控制系统进行监控与管理的接口能力，包括：
8调用CRT画面对闸门设备及集中控制系统工作状态进行监视。
采用动态多窗口画面，窗口可简便、灵活地放大、切换、关闭。
窗口画面包括动态图形、实时曲线、棒形图、设备工况、表格、事件故障报警窗等。
8集中控制系统运行方式或参数的设定，控制台控制功能使用授权的设定及操作员登录。
8对闸门设备发布操作命令或进行调节，对执行条件进行有效性检查/校核/闭锁，并对执行过程进行监视、提示指导与处理。
8对采集点数值进行人工设置，以便在个别数据采集点不正常工作时，保证系统监控及管理功能的正常进行。
8设备故障、事故及集中控制系统故障的动态显示告警、事故画面，故障及事故认可、记录与打印等。
8可进行监控功能的投切，如人工设值、禁止扫描、禁止报警、禁止操作、功能恢复等。
8闸门运行集中控制。
8集控室与现地控制级工作方式的选定。
8种运行日志、年/月/日运行累计记录，一览表的显示、定时打印和召唤打印。
8运行记事制作与生成，以及它们的显示、打印。
8编辑或修改。
如数据库、报表及画面等的编辑或修改。
该项目采用远程无线传输GPRS、SIM等技术实现闸门远程监控，并具有短息功能，在远程终端能够准确适时地反映闸门运行时的参数、闸门运行状态、闸门属性等，并能够在报警时以短信形式通知相关安全人员，以便及时处理，保证闸门启闭机更安全、更稳定地运行。
该项目是将闸门启闭机承受的载重，闸门高度，闸门水压这些模拟信号先进行无干扰放大，之后发送给A/D转换芯片进行模数转换，然后将数字信号发送给STC单片机进行数字处理，显示在显示屏上。
同时这些有用参数与单片机存储空间人为设定的安全参数进行分析处理，发送指令给PLC控制系统实现闸门的可允许起落等运行模式，确保闸门启闭机的正常运行。
GPRS模块将这些可视参数通过协议传送给服务器终端进行综合监控管理。
该项目的软件结构主要包括以下几个部分：
a.系统初始化模块:
设置定时器的工作模式、中断方式、I/O口初始化、以及寄存器的初始化；
b.键盘、LED静态显示模块:
包含独立式按键操作、所有LED显示程序；
c.EEPROM存储模块:
包含预置值、内部数据参数存储；
d.数据采集与处理模块:
采集水位、高度、载荷等信息；
e.串行通信模块:
与上位机的通信中断服务；
f.报警模块（声光）。
下图为该项目软件设计框架：
图5项目软件设计框架
闸门监控系统用来对闸门高度进行实时监控同时把测量值进行算法计算之后与闸位内部设置值比较，如果超出或没达到内部的各个设置值，则需要继电器工作与否来控制电机。
主程序模块的流程图如图6所示。
闸门控制系统上电以后首先执行初始化和自检。
初始化包括标志位和变量的初始化、中断初始化、接日芯片初始化、各程序模块的初始化。
图6软件设计基本流程图
该项目的系统数据采集模块启动首先要设定采集通道，并将其放大然后进行A/D转换，在本项目中拟用芯片AD623进行数据放大和TLC1543ADC转换芯片进行模数转换。
因为此两款的数据参数应用广阔，而且在我们公司应用的力矩限制器、开度仪、超载限制器、风速仪等产品上有成熟的软件技术。
项目相关的软件著作权见附件。
数据采集与处理时系统的主要任务之一，要正确而高效的完成数据的采集与处理首先必须解决一下问题：
a、数据采集与处理必须处理好标度变换问题。
由于系统采集的各种参数都有不同的量纲和数值，被测量信号转换成数字量之后，往往还要转换成操作人员所熟悉的工程量，这种转换就是标度变换。
b、在微机测控系统中，存在大量的现场干扰，采集的数据都存在不同程度的信号污染，因此应根据数据受干扰性质和干扰后果的不同，采取相应的软硬件措施清除干扰。
采取软件的方法较为方便灵活，成本低。
常用的软件抗干扰的方法有：
有效性检查、数字滤波、数字调零和自动校正等这些数据处理技术。
该项目系统服务器设计采用开放分布式控制系统。
分布式系统符合客户机/服务器/Web的分布式计算体系结构，系统在硬件和软件配置上具有高可靠性、实时性、开放性和可扩展性。
整个系统组成主控级和现地控制单元（LCU）两级。
闸门集中控制系统网络采用分层分布式网络结构，其中主控级之间计算机设备与操作员站双机均通过联网，实现操作员站之间工作状态互检测、监控与双机切换。
1）、主控制室的结构
系统主控制级设备布置在闸门集控室，设置有2套操作员站（兼作系统主机）、网络设备和系统输入输出外设等。
此外，主控制级网络系统将来可以接入远程通讯服务器，由远程通讯服务器负责与其它计算机系统如电站、水情恻报计算机系统的通讯接口。
主控制级的2套操作员站作为主控级主机，完成主控级监视与控制功能，其可靠性要求极高，因此采取双机互为热备用方式工作。
即任意时刻，一台操作员站处于主用工作状态，另一台操作员站处于热机备用工作状态，双机通过网络实现操作员站之间工作状态互检测与监控，当主用操作员站故障退出运行时，双机经由网络完成切换，主用操作员站的功能无扰动地自动转移到热备用系统服务器进行，且正常时可由运行人员在主用操作员站上进行双机软切换。
2）、现地控制单元
现地在每台闸门启闭机旁均安置有控制屏，内有现地显示仪表、PLC控制单元、远程通讯单元等。
现地控制系统的每套现地控制单元均配置有PROFIBUS现场控制模件，现地控制单元的专用模件通过PROFIBUS现场控制总线模件，现地控制单元的专用的模件通过PROFIBUS现场控制总线连接器，PROFIBUS专用的现场控制总线电缆与主控级通讯。
系统的结构框图如下图所示：
现场现场
备用冗余上位机
现场显示仪表
（DisplayInstrument）
现场现场现场
图7服务器系统结构框图
2、市场分析；
1、行业市场分析
近日，中国工程机械工业协会高级工程师统计信息部相关人员表示，尽管受2008年国际金融危机和外资品牌大规模进入中国市场的影响，但我国工程机械行业突飞猛进的发展态势仍未改变，一直在起伏中成长。
从营业收入看，2001年全国工程机械行业只有560亿元，2011年达到5465亿元，增长了近10倍。
从企业规模来看，2001年，大型工程机械企业只有一二十亿元的年销售额；2011年，全国有3家年销售额超过800亿元的企业，有12家年销售额超过100亿元的企业，有100多家年销售额超过1亿元的企业。
值得一提的是，从2006年开始，工程机械行业销售额年增长速度在20%以上。
在国家一系列产业政策和财政政策的扶持下，一批重点骨干企业目前已能制造国际市场上常见的26种工程机械，其质量不输于外国产品。
其中，大型履带起重机、全路面起重机、大型推土机、大型混凝土泵车、摊铺机等产品销往世界各地。
工程机械产品的市场占有率在10年间得到了很大提高。
10年前，很多机械产品国内都没有，已有的工程机械产品与国际产品存在较大的差距，行业规模很小，生产技术落后，再加上外资品牌大举进入导致民族品牌在工程机械市场上的占有率只有5%左右。
经过10年的发展，我国工程机械产品从无到有，已形成规模生产。
近年来，工程起重机行业发展快速，汽车起重机生产企业已由2011年的11家发展到15家，还有近20家企业生产履带起重机。
新世纪以来，大型化工程趋势加速，国内超级履带起重机开始慢慢出现在众人面前。
1000吨级、2000吨级履带起重机的相继推出，揭开了我国超级履带起重机快速发展的序幕。
随着大型项目的开工，物料的吊装和转运为随车起重机提供了更为广阔的发展空间，市场需求不断增长，行业前景看好。
尚普咨询机械行业分析师认为，起重机将呈现出大型化和专用化发展趋势。
满足各种工作需要的起重机将不断研发并投入使用，如核电、造纸、垃圾处理等专用起重机。
发展能满足防腐、防爆、绝缘等各种特殊工作环境的具有特殊性能的起重机。
进一步加大技术研发力度，加强对技术含量高、附加值高的产品进行开发，提高产品质量、服务意识，扩大国产品牌的知名度和认知度，缩小与国际品牌差距。
据尚普咨询发布的《2011-2016年中国起重机械市场调查报告》显示，随着现代化建设进程的不断推进，对起重机的需求也将呈现出多样化的特点。
我国是起重机生产大国，未来性能高、环境适应性强的起重机将占据市场主导地位。
从2011年上半年23%的销售增速，到今年同期下滑38%，曾高速增长达10年的我国起重机市场演绎了一番过山车行情。
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