農村小型泵站遠程控制信息化技術研究及其應用

□莫 涵梁 君李光輝/.四川省機電排灌管理總站.四川省農業(yè)機械研究設計院

農村小型泵站遠程控制信息化技術研究及其應用

□莫 涵1梁 君2李光輝2/1.四川省機電排灌管理總站2.四川省農業(yè)機械研究設計院

農村機電提灌設施是農業(yè)生產水利保障體系的重要組成部分，在農業(yè)調結構轉方式、提質增效和農村生活中發(fā)揮著重要作用。四川省小型泵站量大、面廣且分散，2016年全省共修復提灌機械7.70萬臺次/85.45萬kW，改造提灌站2 337座/7.44萬kW；新建提灌站684座/2.13萬kW。超過31 500座泵站信息和5 000座泵站坐標（GPS）錄入省級平臺數據庫。

當前，農村剩余勞動力大量轉移，四川部分地區(qū)青壯年勞動力缺乏，農村小型泵站等基礎設施建設“重建輕管”的建、管、用矛盾突出。農村小型泵站年久失修現象普遍；采用傳統(tǒng)的管理和操作方式，手動控制機組，人工監(jiān)控機電設備，人工統(tǒng)計水位、揚程、開機時長等數據；管理方式粗放，管護人員勞動強度大，安全系數低，效率差。

四川省積極探索農村小型泵站信息化改造，在6個機電灌溉重點區(qū)（市、縣）（瀘縣、長寧縣、合江縣、蒼溪縣、江油市、雁江區(qū)）進行了30處信息化泵站改造。通過遠程無線與本地近程無線通信的無縫連接，建立了基于服務器、泵站無線終端、智能手機遠程無線測控平臺、中間件以及智能手機客戶端的提灌站遠程控制管理系統(tǒng)。實現了對設備和泵站的現場監(jiān)控、泵站的自動啟停、泵站提水參數的采集和處理，有效地提升了灌區(qū)泵站運行、維護和管理水平，建立了四川省機電提灌運行數據抽樣采集和泵站信息化示范系統(tǒng)，為行業(yè)的管理者和使用泵站的基層群眾提供了“扁平式”的專業(yè)服務。

1 項目研究背景

在“互聯(lián)網+”行動計劃的推動下，農業(yè)互聯(lián)網將成為促進集約化經營、提高農業(yè)生產經營效率的重要抓手。通過嫁接互聯(lián)網，對傳統(tǒng)農業(yè)進行改造，可有效減少行業(yè)中間環(huán)節(jié)，使信息更加透明化，有助于保障糧食安全，提高農資產品使用效率，現實信息化和農業(yè)現代化深度融合。在“四化”深度融合同步發(fā)展的過程中，在云計算、大數據、物聯(lián)網、4G等新技術加快推廣的背景下，用信息化手段推進現代農業(yè)發(fā)展，促進農業(yè)的產業(yè)升級和轉型，已成為四川省農業(yè)現代化的必經之路。

北京、黑龍江、江蘇等省市承擔的國家物聯(lián)網應用示范工程和農業(yè)物聯(lián)網區(qū)域試驗工程先后啟動實施，經各地推薦和專家論證，全國共篩選出310項農業(yè)物聯(lián)網成果，涉及農作物“四情”監(jiān)測、設施農業(yè)、畜禽水產養(yǎng)殖、農機作業(yè)調度、農產品質量安全等行業(yè)和領域。

泵站遠程控制信息化是農業(yè)信息化的重要內容，是實現農業(yè)基礎工程管理、調度、優(yōu)化的基礎。本文針對泵站運行維護管理的信息化技術應用需求，研究了一套農村小型泵站遠程控制信息化系統(tǒng)。本系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分，已成功應用于瀘縣、長寧縣、合江縣、蒼溪縣、江油市、雁江區(qū)6個縣（市、區(qū)），可對30個泵站進行遠程信息化控制。

2 泵站無線控制終端信息化改造實施

2.1 泵站遠程控制信息化系統(tǒng)的構成

本項目組開發(fā)了一套泵站遠程控制信息化系統(tǒng)，以智能通訊設備為平臺，實現對農村泵站的自動化控制和監(jiān)控。系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。

硬件系統(tǒng)：泵站無線控制終端（含無線遠程控制單元、GPRS傳輸系統(tǒng)、中心數據控制終端、檢測單元等）、電動閥、電磁閥、傳感器、攝像頭、管道及管件、線纜等。

軟件系統(tǒng)：基于智能手機操作系統(tǒng)下（Android系統(tǒng)和iOS系統(tǒng)）實現了泵站管理組的組員管理、泵站遠程監(jiān)控終端的監(jiān)控信息展現，以及泵站的遠程控制等功能，目前實現了Android系統(tǒng)下的應用。

2.2 泵站遠程控制信息化系統(tǒng)的主要功能和特點

2.2.1 主要功能

實現對泵站機電設備的自動化監(jiān)控，對泵站機組的遠程操控，以及對機房的視頻監(jiān)控；通過對前端泵站監(jiān)控，實時觀測泵站內設備和機組的運行狀況及指標，并提供圖像信息，改善工作環(huán)境、減少值守人員，真正實現泵站科學化、現代化、自動化管理；提高泵站運行管理的實效性。

2.2.2 主要特點

全程無線連接，省去布線的投資、施工的時間和線路維護的煩惱；操控界面全中文，傻瓜化，操作簡單；遙控距離不受限制，只要有手機信號的地方就可以控制；進入操控界面時，自動偵測并顯示當前泵站機組狀態(tài)；發(fā)生報警時，提醒信息自動定時重發(fā)，直到得到報警處理的響應，保證報警及時得到處理；完全保留傳統(tǒng)操控方式，在智能控制系統(tǒng)發(fā)生故障時，還可使用傳統(tǒng)手工方式控制；具備全自動控制模式，在此模式下系統(tǒng)無需人工干預。

2.3 泵站遠程控制信息化系統(tǒng)可適用的主要引水方式

應用泵站遠程控制信息化系統(tǒng)可以對4種引水方式進行控制：真空引水裝置，適用于引水管徑200mm以下的泵站；真空泵，適用于引水條件較好的泵站；前置潛水泵，適用于大落差取水位的泵站；潛水泵，適用于水泵機組水下安裝的泵站。

3 工程實例

3.1 工程概況

地址：瀘縣福集鎮(zhèn)耿石橋。名稱：瀘縣福集鎮(zhèn)耿石橋提灌站。等級：?。?）型-B。類別：電力提灌站。實用范圍：為瀘縣福集鎮(zhèn)的5個村民小組的40 hm2旱地、1 500余人口提供生產生活用水保障。運行基礎：泵站提水高峰期為每年1～5月枯水季節(jié)和其他干旱時期。主要運行時段：枯水期大約每星期提水3次，每次工作8 h。外部條件：泵房外圍環(huán)境良好，交通方便，有移動網絡覆蓋；泵房結構完好，只需簡單裝飾，泵站房屋基礎良好；有電力變壓器等電力設施。內部條件：管道泵（流量190m3/h，揚程50m，功率45 kW），啟動柜為45 kW軟啟動控制柜。

3.2 無線泵站終端信息化改造實施

3.2.1 泵站結構形式

該站為整裝泵站，采用“真空罐”引水方式。

信息化改造主要是通過“泵站無線終端”構建泵站雙向信息通道。“泵站無線終端”的控制信號經調理后與泵站原有電控柜主電機啟?？刂苹芈愤B接；泵站原有主管路手動閘閥和真空罐補水、排氣閥改造為電動球閥和電磁閥，由“泵站無線終端”直接驅動。安裝水位傳感器、環(huán)境溫度傳感器、電機溫度傳感器，壓力開關信號由電接點壓力（真空）表輸出，與門禁和USB攝像頭、訊響器相同，信號回路直接接入“泵站無線終端”。泵站啟停由原電控柜主令按鈕或手機APP操作，由“泵站無線終端”進行控制。開機時，吸水檢測成功后，主電機啟動，電動球閥通過約15 s，完全打開閥門，進入提水工況；停機時，在電動球閥關閉后，切斷主電機電源，并控制電磁閥利用電動球閥后的管道高位水向真空罐補水。

3.2.2 泵站信息化改造主要內容

對該站進行信息化改造，安裝泵站終端、傳感器和執(zhí)行器等，建成泵站遠程控制信息化示范泵站。根據四川省泵站信息化的需求分析，泵站信息化改造要形成泵站數據采集和自動控制功能。能夠對泵站的工作條件（進水水位、電源狀態(tài)、環(huán)境溫度、流道壓力、設備狀態(tài)等）、工作狀態(tài)（電流、電壓、電量、電機溫升、流道壓力等）和值守信息（門禁（觸點）、震動（音響）、掉電（失聯(lián)）等）進行檢測和記錄，對故障和非法進入進行判斷、提示，實現“無人值守”工作狀態(tài)。

3.2.3 遠程控制信息化泵站技術說明

3.2.3.1 控制箱

1）狀態(tài)指示和“本地/遠程”管理

控制箱安裝電源開關和電源指示燈。系統(tǒng)通過斷電重新上電進行系統(tǒng)復位。系統(tǒng)設“系統(tǒng)狀態(tài)”指示燈、“故障報警”指示燈、“主機啟動”指示燈和“水源狀態(tài)”指示燈?！跋到y(tǒng)狀態(tài)”指示燈為雙色LED指示燈，指示“本地/遠程”和GPRS工作狀態(tài)?！氨镜?遠程”狀態(tài)由原控制柜增加的“本地/遠程”開關提供狀態(tài)信號，高電平為本地，低電平為遠程。轉換開關通過控制箱輸入端子。

2）電源接入和控制電源輸出

控制箱接入電源為AC 220 V 1 A。控制箱提供AC 24V 25W（1A）電源輸出，作為輸入開關量傳感器和輸出中間繼電器驅動電源。

3）獲取泵站電參數

控制箱采用“電參數模塊”獲取泵站電參數，它安裝在原泵站電控箱內，采用三相三線接入，要求接入三相線電壓（380 V）和A相、C相互感器次級電流（5 A），由MODBUS總線與控制箱MODBUS總線端口連接。

4）輸入、輸出端子

輸入由12個開關量組成，輸入電壓為AC（DC）24 V，電流10mA。12個開關量狀態(tài)可分別被系統(tǒng)讀取，0號端子為公共端子。輸出由5個繼電器的常開觸點組成，觸點最大電壓AC 220 V，電流5A。5個繼電器可分別控制。

3.2.3.2 攝像頭

攝像頭為網絡紅外攝像頭，可根據光線情況自動啟動紅外照明。攝像頭為室內安裝金屬殼體半球機，采用網線（20m內）與控制箱主控板網口連接。攝像頭供電為12 V/2 A專用電源，電源由220 V供電，靠近攝像頭布置。相關線路穿管安裝。

3.2.3.3 泵站預置參數和控制邏輯

泵站預置參數主要有泵站（排灌總站信息系統(tǒng)）IP號、泵站電流互感器比值、泵站組長賬戶手機號等。泵站控制邏輯采用水參數（壓力、水位）控制邏輯和電參數（電壓、電流）控制邏輯組合，實現泵站工作邏輯和異常處理。電參數控制邏輯以選定的基準電流數為標準，分為正常、欠載、過載、超載4種狀態(tài)進行運行和異常處理。按照泵站實際工況，確定泵站工作基準電流數。泵站工作基準電流數可在控制箱內控制主板的DIP撥碼開關用8位2進制碼設定，有效值為0～255A（基本型控制板）。

3.3.4 泵站遠程控制子系統(tǒng)軟件手機APP遠程控制終端

3.3.4.1 硬件配置要求

處理器：1 GHz以上。內存：1 GB或以上。屏幕：分辨率1 280×720以上。

3.2.4.2 操作系統(tǒng)要求

Android系統(tǒng)4.0版本以上。

3.2.4.3 功能描述

1）系統(tǒng)登陸

泵站遠程控制子系統(tǒng)是基于Android和iOS系統(tǒng)下的移動端定制應用（APP），在進入系統(tǒng)的時候需要手機號碼進行登錄。

2）系統(tǒng)消息

接收管理員從泵站屬性信息管理平臺上發(fā)給手機APP用戶的消息。消息主要分為兩大類：系統(tǒng)消息和我的消息。

3）系統(tǒng)監(jiān)控

分為機組運行控制、告警控制、機組控制、視頻圖片展示四大板塊。機組運行控制通過硬件監(jiān)控終端可以獲取到機組的運行電流、電壓、水位、運行溫度等相關參數，通過移動公司M2M網絡將數據上傳到監(jiān)控端，數據解析后存儲到數據庫中，通過手機APP進行數據讀取和展示；告警控制通過泵站硬件監(jiān)控終端監(jiān)控機組離線、運行告警、門禁告警等三大類告警信息，并以短信的方式通知手機APP端；機組控制是通過手機APP應用端對機組的開關機以及所在泵站站房的門禁進行遠程開啟或者關閉控制；視頻圖片展示是監(jiān)控攝像頭所拍攝的圖片，每一次刷新都可以看到最新拍攝的圖片。

4）用戶管理

分為普通用戶管理、用戶升級、用戶使用時間申請、用戶使用時間確實四大板塊。普通用戶管理：泵站管理組長可以通過手機APP，直接增加和刪除該組下的普通手機用戶。用戶升級：普通手機用戶只能在所申請的時間范圍內控制和查看泵站的相關信息，而超級用戶可以在任何時候查看泵站的監(jiān)控信息。用戶使用時間申請：普通用戶需要到用戶管理界面申請使用時間，只有在組長審核通過以后，用戶才能查看該泵站的參數以及遠程控制。用戶使用時間：泵站管理組長可以在用戶列表中查看到申請使用時間的普通用戶，對于這些申請，只有組長通過“確認”按鈕確認后，用戶才具有操作控制泵站的權限。