江西三川水表股份有限公司 宋财华 张志平 陆勇喜
传统的机械水表在我国已经历了几十年的发展，无论从功能上还是从外观上都没有太大的变化，而供水部门迫切需要新一代的水表产品以解决现存的各种用水矛盾。因此取代传统机械水表的智能化水表的需求迫在眉睫。
智能水表伴随着中国经济的发展而产生、发展，历时近15年，随着国内电子业的飞速进步，至今已基本达到实用阶段。
所谓智能水表是利用传统水表的优点，结合当今高速发展的电子技术，将传统水表的“机”加上微电子技术中的“电”组合而成的机电一体化水表。一般由水表基表、电动（磁）阀、微电脑、数据交换单元、信号采集单元、数据存储单元、显示单元等部件组成，由微电脑控制其他单元工作。
国内目前有相当多的企业生产的智能水表累计在市场销售30万台以上，且大部分为IC卡式智能水表（以下简称IC卡水表），吸取了许多经验和教训。同时，根据市场反馈信息来看，各生产厂家都有或多或少、或大或小的质量问题，究其原因，除了少数工艺质量问题，我认为大多数是设计缺陷，如安全系数的设计、抗环境设计、寿命设计、容错设计等等，从大量故障现象统计分析来看，目前，IC卡水表存在的主要技术问题有这么几种，采样的误差、电源的寿命、阀门系统的容错等。以下我们就这几个问题作一简单分析，以起抛砖引玉作用。
一、采样的误差：
90年代初，随着智能化住宅概念的兴起，远传水表（也叫发信水表）应运而生，当时，设计者最简单的理念就是单纯读取单个干簧管的断开与闭合，完全没考虑干簧管机械特性，即振动带来的误信号，最后导致“日计水量几万吨”。后虽增加了防抖软件设计，但又未考虑到水的正反脉动造成的误信号，导致“日自计水量几十吨”，同时由于干簧管本身劣质或选择了不宜用于水计量上的型号规格的干簧管，加之磁干扰、制作工艺不成熟等诸多原因导致几乎所有单干簧管采样的远传表抄表失败。后来发展了双干簧管采样，它的工作原理是两个干簧管交替工作，这样在做好干簧管消抖的同时，让双干簧管的工作状态类似于数字电路中的双稳态设计，则基本达到设计要求，现在问题是：因某种原因导致干簧管其中之一或两个坏，如产生其中任一故障，都将造成不采样，如何容错？我们可以这样分类：
1、两只不能吸合；
2、一只不能吸合，另一只正常；
3、一只不能断开，另一只正常；
4、两只不能断开。
根据江西三川水表股份有限公司生产的四百多万只带发信水表统计来看，上述分类中３类占此类故障的９5%左右，其它类占故障的5%左右，但仍需加以识别及容错设计。我们可以设计以下容错方案：
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A干簧管 |
B干簧管 |
状态 |
解决方案 |
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不能吸合 |
不能吸合 |
A、B管都坏 |
通过上位机管理软件中的“可疑用户查询”功能进行必要的处理 |
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不能吸合 |
正常 |
A管坏，B管正常 |
干簧管出现单只开路现象（即只有一只干簧管能正常工作），水表控制板每隔一定时间查询一次每只干簧管的状态，当连续检测到同一只干簧管通、断规定次数以上，转入单管计数状态，用户刷卡后将返回相应的故障代码。如故障消失，则水表恢复正常运行模式。 |
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正常 |
不能吸合 |
A管正常，B管坏 | |
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不能断开 |
正常 |
A管坏，B管正常 |
干簧管出现单只短路现象（即只有一只干簧管能正常工作），水表控制板按磁干扰原则处理（产生关阀动作），用户刷卡后可开阀，如该状态规定时间内连续出现规定次数以后将不产生关阀动作，水表将转入单管计数状态，用户刷卡后将返回相应的故障代码。如故障消失，则水表恢复正常运行模式。 |
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正常 |
不能断开 |
A管正常，B管坏 | |
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不能断开 |
不能断开 |
A、B管都坏 |
两只干簧管都出现短路现象，用户刷卡后可开阀，每次刷卡开阀规定时间内，两只干簧管若仍处于常闭状态，水表将视为磁攻击，水表关阀，用户刷卡也无法开阀，用户刷卡后将返回相应的故障代码。 |
我们的产品经过上述处理，因采样造成的故障率下降了95%以上，同时更有利于人性化的设计，故障预报警及处理的管理。
二、电源的寿命：
目前市场上的IC卡水表，绝大部分是使用电池作为水表控制器的工作电源，IC卡水表使用的电池大概有这么几种，锂亚（功率型）电池、锂锰电池、碱性电池等。既然使用电池供电，就要考虑电池的使用寿命，因为这直接关系到水表的使用寿命，有些智能表生产企业在设计之初，片面追求整机的低功耗以延长电池的使用期限，有些时候反而适得其反，这是因为IC卡水表在采用锂亚（功率型）电池供电时，设计人员往往疏忽了对这种锂电池的了解，锂亚（功率型）电池以其自放电小，便于长期贮存这一特性赢得了智能水表生产企业的广泛青睐，但锂亚（功率型）电池的这一特性是由于其电极表面形成了钝化膜而产生的，电极表面的钝化必然造成电池的瞬间负荷能力下降，此负荷能力的下降是无法驱动IC卡水表的阀门系统工作的，也会造成单片机“死机”，这就是所谓的电池“休眠”。如何解决这一矛盾，这就需要我们对电池进行“激活”，“激活”也就是定期以一定的大电流对电池进行放电，以达到电池电极表面的钝化膜还未很厚时就将其稀释的目的。现普遍通过软件每月二至三次“激活”，基本解决电池休眠问题。
目前随着法拉电容这种产品质量的不断完善，以锂亚（能量型）电池与法拉电容配合使用给IC卡水表供电，可以不考虑电池的“休眠”问题，是IC卡水表比较理想的工作电源，因为锂亚（能量型）电池与锂亚（功率型）电池相比，自放电更小，贮存时间更长（贮存期可达十年），而法拉电容则完全满足IC卡水表对功率的需求。锂亚（能量型）电池与法拉电容的配合使用也能保证IC卡水表满足国家对水表的寿命要求。
有些智能水表生产厂家采用外换电池加法拉电容的供电方式，用三至四节碱性电池供电，让水表用户自行解决水表电源问题，这样确实带来的好处，给管水部门大大减轻负担。但由于用户的素质参差不齐，水表的安装环境各不相同，由于劣质电池的变质造成电池盒的腐烂甚至水表故障，也给智能水表厂家造成了许多的麻烦。为此，我们设计碱性电池盒时要优先采用全密封结构，在使用需知中明确告知用户要用防腐烂电池。
三、阀门系统的容错
阀门出现故障是水表最常见、最麻烦的事情，一旦阀门出现故障，将直接影响到用户的用水或水管理部门的利益，所以提高阀门的容错能力，刻不容缓。
目前，国内智能水表的阀门结构绝大部分采用电动球阀结构，阀门的到位检测采用具有机械触点的开关进行到位检测。阀门出现故障可分为两种情况：电动球阀的故障与到位检测开关的故障。现在我们就这两种情况分别说明一下。
1、电动球阀的故障：
球阀出现故障如球芯表面结垢或其它原因造成卡紧而不能正常开关阀门。阀门的卡紧势必引起智能水表出现一个很大的电流（堵转电流）。因为阀门已不能正常到位，此电流如不加以控制，水表的电池将很快消耗殆尽。为防止这种意外的发生，我们可在水表中增加一控制程序，一旦超过报警电流，将自动控制传动系统的供电电流，限制大电流的出现，保证智能水表正常工作，同时智能水表将故障现象记录在案。另外，为防止球芯表面结垢，我们可专门为传动系统设计一套定时开关阀程序，且将开关阀时间及电流适当加大。假设：每月开关阀门四次，开关阀门的电流为60mA，开关阀门的时间为了15S，整机理论设计寿命为8年，则8年内开关阀门所需功耗：W=8（年）×12（月）×4（次）×2（正反各一次）×60（毫安）×15（秒）=0.192安·时；这对于拥有3.0安时的高能量锂电池来说只占其总容量的6.4%。所以，采用定时开关阀门的设计既可以有效防止阀门结垢、卡死，又不会对电池的容量产生影响。
2、到位检测开关的故障：
检测开关是传动系统中另外一个易出故障的地方，如开关受潮、开关短路、开关断路，这些都是智能水表到位开关最常见的故障，而这些现象都会造成阀门不能正常工作，我们可在智能水表的设计中预设功能分别加以控制，以保证智能水表正常使用。
（1）开关受潮：降低阀门到位检测电路中的开关上拉电阻，并且只有在阀门系统启动后才对到位开关电路进行供电，这样可有效降低智能水表的整体功耗且保证在开关受潮的情况下能正常判断阀门的状态。
（2）开关短路、开关断路：智能水表在启动开关阀门程序时，应定时监控两个阀门到位开关的状态，阀门由开至关时，约5～6S后，检测到位开关的状态，开到位开关应断开，关到位开关也应断开；阀门由关至开时，约5～6S后，检测到位开关的状态，关到位开关应断开，开到位开关也应断开；如不符，智能水表应建立相应的故障标志（如：1、阀门由开至关时，5～6S后，检测到开到位开关闭合，而关到位开关也闭合，智能水表应判断关到位开关已坏，若检测到开到位开关闭合，而关到位开关断开，智能水表应判断开到位开关已坏，同时建立相应到位开关的故障标志，此后，系统认为该到位开关不存在，在故障标志未清除前不再检测该开关，强行启动开、关阀程序且调用阀门堵转保护程序；如下次动作正常，则自动清除故障标志，否则一直保留故障标志待维修；2、阀门由关至开则按上述办法一样处理）。
智能水表经过十几年的发展，积累了许多宝贵的经验，但仍存在一些问题，一些可靠性差的产品逐渐被淘汰，市场对优质产品的渴求不断激励着企业进行新的探索与尝试。有理由相信，未来的几年是智能水表蓬勃发展、走向成熟的机遇年。江西三川水表股份有限公司作为智能水表的生产企业之一，愿与同行一道切磋，设计、生产更好的产品回报各位水司的朋友。如有不妥之处，不赐指教！
