江西三川水表股份有限公司 宋財(cái)華 張志平 陸勇喜
傳統(tǒng)的機(jī)械水表在我國(guó)已經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，無論從功能上還是從外觀上都沒有太大的變化，而供水部門迫切需要新一代的水表產(chǎn)品以解決現(xiàn)存的各種用水矛盾。因此取代傳統(tǒng)機(jī)械水表的智能化水表的需求迫在眉睫。
智能水表伴隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而產(chǎn)生、發(fā)展，歷時(shí)近15年，隨著國(guó)內(nèi)電子業(yè)的飛速進(jìn)步，至今已基本達(dá)到實(shí)用階段。
所謂智能水表是利用傳統(tǒng)水表的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)今高速發(fā)展的電子技術(shù)，將傳統(tǒng)水表的“機(jī)”加上微電子技術(shù)中的“電”組合而成的機(jī)電一體化水表。一般由水表基表、電動(dòng)（磁）閥、微電腦、數(shù)據(jù)交換單元、信號(hào)采集單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、顯示單元等部件組成，由微電腦控制其他單元工作。
國(guó)內(nèi)目前有相當(dāng)多的企業(yè)生產(chǎn)的智能水表累計(jì)在市場(chǎng)銷售30萬臺(tái)以上，且大部分為IC卡式智能水表（以下簡(jiǎn)稱IC卡水表），吸取了許多經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。同時(shí)，根據(jù)市場(chǎng)反饋信息來看，各生產(chǎn)廠家都有或多或少、或大或小的質(zhì)量問題，究其原因，除了少數(shù)工藝質(zhì)量問題，我認(rèn)為大多數(shù)是設(shè)計(jì)缺陷，如安全系數(shù)的設(shè)計(jì)、抗環(huán)境設(shè)計(jì)、壽命設(shè)計(jì)、容錯(cuò)設(shè)計(jì)等等，從大量故障現(xiàn)象統(tǒng)計(jì)分析來看，目前，IC卡水表存在的主要技術(shù)問題有這么幾種，采樣的誤差、電源的壽命、閥門系統(tǒng)的容錯(cuò)等。以下我們就這幾個(gè)問題作一簡(jiǎn)單分析，以起拋磚引玉作用。
一、采樣的誤差：
90年代初，隨著智能化住宅概念的興起，遠(yuǎn)傳水表（也叫發(fā)信水表）應(yīng)運(yùn)而生，當(dāng)時(shí)，設(shè)計(jì)者最簡(jiǎn)單的理念就是單純讀取單個(gè)干簧管的斷開與閉合，完全沒考慮干簧管機(jī)械特性，即振動(dòng)帶來的誤信號(hào)，最后導(dǎo)致“日計(jì)水量幾萬噸”。后雖增加了防抖軟件設(shè)計(jì)，但又未考慮到水的正反脈動(dòng)造成的誤信號(hào)，導(dǎo)致“日自計(jì)水量幾十噸”，同時(shí)由于干簧管本身劣質(zhì)或選擇了不宜用于水計(jì)量上的型號(hào)規(guī)格的干簧管，加之磁干擾、制作工藝不成熟等諸多原因?qū)е聨缀跛袉胃苫晒懿蓸拥倪h(yuǎn)傳表抄表失敗。后來發(fā)展了雙干簧管采樣，它的工作原理是兩個(gè)干簧管交替工作，這樣在做好干簧管消抖的同時(shí)，讓雙干簧管的工作狀態(tài)類似于數(shù)字電路中的雙穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)，則基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)在問題是：因某種原因?qū)е赂苫晒芷渲兄换騼蓚€(gè)壞，如產(chǎn)生其中任一故障，都將造成不采樣，如何容錯(cuò)？我們可以這樣分類：
1、兩只不能吸合；
2、一只不能吸合，另一只正常；
3、一只不能斷開，另一只正常；
4、兩只不能斷開。
根據(jù)江西三川水表股份有限公司生產(chǎn)的四百多萬只帶發(fā)信水表統(tǒng)計(jì)來看，上述分類中３類占此類故障的９5%左右，其它類占故障的5%左右，但仍需加以識(shí)別及容錯(cuò)設(shè)計(jì)。我們可以設(shè)計(jì)以下容錯(cuò)方案：
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A干簧管 |
B干簧管 |
狀態(tài) |
解決方案 |
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不能吸合 |
不能吸合 |
A、B管都?jí)?/FONT> |
通過上位機(jī)管理軟件中的“可疑用戶查詢”功能進(jìn)行必要的處理 |
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不能吸合 |
正常 |
A管壞，B管正常 |
干簧管出現(xiàn)單只開路現(xiàn)象（即只有一只干簧管能正常工作），水表控制板每隔一定時(shí)間查詢一次每只干簧管的狀態(tài)，當(dāng)連續(xù)檢測(cè)到同一只干簧管通、斷規(guī)定次數(shù)以上，轉(zhuǎn)入單管計(jì)數(shù)狀態(tài)，用戶刷卡后將返回相應(yīng)的故障代碼。如故障消失，則水表恢復(fù)正常運(yùn)行模式。 |
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正常 |
不能吸合 |
A管正常，B管壞 | |
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不能斷開 |
正常 |
A管壞，B管正常 |
干簧管出現(xiàn)單只短路現(xiàn)象（即只有一只干簧管能正常工作），水表控制板按磁干擾原則處理（產(chǎn)生關(guān)閥動(dòng)作），用戶刷卡后可開閥，如該狀態(tài)規(guī)定時(shí)間內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)規(guī)定次數(shù)以后將不產(chǎn)生關(guān)閥動(dòng)作，水表將轉(zhuǎn)入單管計(jì)數(shù)狀態(tài)，用戶刷卡后將返回相應(yīng)的故障代碼。如故障消失，則水表恢復(fù)正常運(yùn)行模式。 |
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正常 |
不能斷開 |
A管正常，B管壞 | |
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不能斷開 |
不能斷開 |
A、B管都?jí)?/FONT> |
兩只干簧管都出現(xiàn)短路現(xiàn)象，用戶刷卡后可開閥，每次刷卡開閥規(guī)定時(shí)間內(nèi)，兩只干簧管若仍處于常閉狀態(tài)，水表將視為磁攻擊，水表關(guān)閥，用戶刷卡也無法開閥，用戶刷卡后將返回相應(yīng)的故障代碼。 |
我們的產(chǎn)品經(jīng)過上述處理，因采樣造成的故障率下降了95%以上，同時(shí)更有利于人性化的設(shè)計(jì)，故障預(yù)報(bào)警及處理的管理。
二、電源的壽命：
目前市場(chǎng)上的IC卡水表，絕大部分是使用電池作為水表控制器的工作電源，IC卡水表使用的電池大概有這么幾種，鋰亞（功率型）電池、鋰錳電池、堿性電池等。既然使用電池供電，就要考慮電池的使用壽命，因?yàn)檫@直接關(guān)系到水表的使用壽命，有些智能表生產(chǎn)企業(yè)在設(shè)計(jì)之初，片面追求整機(jī)的低功耗以延長(zhǎng)電池的使用期限，有些時(shí)候反而適得其反，這是因?yàn)镮C卡水表在采用鋰亞（功率型）電池供電時(shí)，設(shè)計(jì)人員往往疏忽了對(duì)這種鋰電池的了解，鋰亞（功率型）電池以其自放電小，便于長(zhǎng)期貯存這一特性贏得了智能水表生產(chǎn)企業(yè)的廣泛青睞，但鋰亞（功率型）電池的這一特性是由于其電極表面形成了鈍化膜而產(chǎn)生的，電極表面的鈍化必然造成電池的瞬間負(fù)荷能力下降，此負(fù)荷能力的下降是無法驅(qū)動(dòng)IC卡水表的閥門系統(tǒng)工作的，也會(huì)造成單片機(jī)“死機(jī)”，這就是所謂的電池“休眠”。如何解決這一矛盾，這就需要我們對(duì)電池進(jìn)行“激活”，“激活”也就是定期以一定的大電流對(duì)電池進(jìn)行放電，以達(dá)到電池電極表面的鈍化膜還未很厚時(shí)就將其稀釋的目的?，F(xiàn)普遍通過軟件每月二至三次“激活”，基本解決電池休眠問題。
目前隨著法拉電容這種產(chǎn)品質(zhì)量的不斷完善，以鋰亞（能量型）電池與法拉電容配合使用給IC卡水表供電，可以不考慮電池的“休眠”問題，是IC卡水表比較理想的工作電源，因?yàn)殇噥啠芰啃停╇姵嘏c鋰亞（功率型）電池相比，自放電更小，貯存時(shí)間更長(zhǎng)（貯存期可達(dá)十年），而法拉電容則完全滿足IC卡水表對(duì)功率的需求。鋰亞（能量型）電池與法拉電容的配合使用也能保證IC卡水表滿足國(guó)家對(duì)水表的壽命要求。
有些智能水表生產(chǎn)廠家采用外換電池加法拉電容的供電方式，用三至四節(jié)堿性電池供電，讓水表用戶自行解決水表電源問題，這樣確實(shí)帶來的好處，給管水部門大大減輕負(fù)擔(dān)。但由于用戶的素質(zhì)參差不齊，水表的安裝環(huán)境各不相同，由于劣質(zhì)電池的變質(zhì)造成電池盒的腐爛甚至水表故障，也給智能水表廠家造成了許多的麻煩。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)堿性電池盒時(shí)要優(yōu)先采用全密封結(jié)構(gòu)，在使用需知中明確告知用戶要用防腐爛電池。
三、閥門系統(tǒng)的容錯(cuò)
閥門出現(xiàn)故障是水表最常見、最麻煩的事情，一旦閥門出現(xiàn)故障，將直接影響到用戶的用水或水管理部門的利益，所以提高閥門的容錯(cuò)能力，刻不容緩。
目前，國(guó)內(nèi)智能水表的閥門結(jié)構(gòu)絕大部分采用電動(dòng)球閥結(jié)構(gòu)，閥門的到位檢測(cè)采用具有機(jī)械觸點(diǎn)的開關(guān)進(jìn)行到位檢測(cè)。閥門出現(xiàn)故障可分為兩種情況：電動(dòng)球閥的故障與到位檢測(cè)開關(guān)的故障?，F(xiàn)在我們就這兩種情況分別說明一下。
1、電動(dòng)球閥的故障：
球閥出現(xiàn)故障如球芯表面結(jié)垢或其它原因造成卡緊而不能正常開關(guān)閥門。閥門的卡緊勢(shì)必引起智能水表出現(xiàn)一個(gè)很大的電流（堵轉(zhuǎn)電流）。因?yàn)殚y門已不能正常到位，此電流如不加以控制，水表的電池將很快消耗殆盡。為防止這種意外的發(fā)生，我們可在水表中增加一控制程序，一旦超過報(bào)警電流，將自動(dòng)控制傳動(dòng)系統(tǒng)的供電電流，限制大電流的出現(xiàn)，保證智能水表正常工作，同時(shí)智能水表將故障現(xiàn)象記錄在案。另外，為防止球芯表面結(jié)垢，我們可專門為傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一套定時(shí)開關(guān)閥程序，且將開關(guān)閥時(shí)間及電流適當(dāng)加大。假設(shè)：每月開關(guān)閥門四次，開關(guān)閥門的電流為60mA，開關(guān)閥門的時(shí)間為了15S，整機(jī)理論設(shè)計(jì)壽命為8年，則8年內(nèi)開關(guān)閥門所需功耗：W=8（年）×12（月）×4（次）×2（正反各一次）×60（毫安）×15（秒）=0.192安·時(shí)；這對(duì)于擁有3.0安時(shí)的高能量鋰電池來說只占其總?cè)萘康?.4%。所以，采用定時(shí)開關(guān)閥門的設(shè)計(jì)既可以有效防止閥門結(jié)垢、卡死，又不會(huì)對(duì)電池的容量產(chǎn)生影響。
2、到位檢測(cè)開關(guān)的故障：
檢測(cè)開關(guān)是傳動(dòng)系統(tǒng)中另外一個(gè)易出故障的地方，如開關(guān)受潮、開關(guān)短路、開關(guān)斷路，這些都是智能水表到位開關(guān)最常見的故障，而這些現(xiàn)象都會(huì)造成閥門不能正常工作，我們可在智能水表的設(shè)計(jì)中預(yù)設(shè)功能分別加以控制，以保證智能水表正常使用。
（1）開關(guān)受潮：降低閥門到位檢測(cè)電路中的開關(guān)上拉電阻，并且只有在閥門系統(tǒng)啟動(dòng)后才對(duì)到位開關(guān)電路進(jìn)行供電，這樣可有效降低智能水表的整體功耗且保證在開關(guān)受潮的情況下能正常判斷閥門的狀態(tài)。
（2）開關(guān)短路、開關(guān)斷路：智能水表在啟動(dòng)開關(guān)閥門程序時(shí)，應(yīng)定時(shí)監(jiān)控兩個(gè)閥門到位開關(guān)的狀態(tài)，閥門由開至關(guān)時(shí)，約5～6S后，檢測(cè)到位開關(guān)的狀態(tài)，開到位開關(guān)應(yīng)斷開，關(guān)到位開關(guān)也應(yīng)斷開；閥門由關(guān)至開時(shí)，約5～6S后，檢測(cè)到位開關(guān)的狀態(tài)，關(guān)到位開關(guān)應(yīng)斷開，開到位開關(guān)也應(yīng)斷開；如不符，智能水表應(yīng)建立相應(yīng)的故障標(biāo)志（如：1、閥門由開至關(guān)時(shí)，5～6S后，檢測(cè)到開到位開關(guān)閉合，而關(guān)到位開關(guān)也閉合，智能水表應(yīng)判斷關(guān)到位開關(guān)已壞，若檢測(cè)到開到位開關(guān)閉合，而關(guān)到位開關(guān)斷開，智能水表應(yīng)判斷開到位開關(guān)已壞，同時(shí)建立相應(yīng)到位開關(guān)的故障標(biāo)志，此后，系統(tǒng)認(rèn)為該到位開關(guān)不存在，在故障標(biāo)志未清除前不再檢測(cè)該開關(guān)，強(qiáng)行啟動(dòng)開、關(guān)閥程序且調(diào)用閥門堵轉(zhuǎn)保護(hù)程序；如下次動(dòng)作正常，則自動(dòng)清除故障標(biāo)志，否則一直保留故障標(biāo)志待維修；2、閥門由關(guān)至開則按上述辦法一樣處理）。
智能水表經(jīng)過十幾年的發(fā)展，積累了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)，但仍存在一些問題，一些可靠性差的產(chǎn)品逐漸被淘汰，市場(chǎng)對(duì)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的渴求不斷激勵(lì)著企業(yè)進(jìn)行新的探索與嘗試。有理由相信，未來的幾年是智能水表蓬勃發(fā)展、走向成熟的機(jī)遇年。江西三川水表股份有限公司作為智能水表的生產(chǎn)企業(yè)之一，愿與同行一道切磋，設(shè)計(jì)、生產(chǎn)更好的產(chǎn)品回報(bào)各位水司的朋友。如有不妥之處，不賜指教！
