水利信息化及自動(dòng)化設(shè)計(jì)分析

【摘要】本次設(shè)計(jì)的水利自動(dòng)化與信息化工程示范點(diǎn)為九門(mén)寨片區(qū)，試點(diǎn)區(qū)工程實(shí)施面積為2250畝?？刂茖?duì)象分別為灌溉管網(wǎng)的干管、分干管等重要分水處等。實(shí)現(xiàn)干管、分干管水量自動(dòng)計(jì)量、測(cè)壓及自動(dòng)輸配水、IC卡預(yù)付費(fèi)管理等功能。實(shí)施方式建議以省水利廳為技術(shù)指導(dǎo)單位，依托小型水利工程建管養(yǎng)用一體化實(shí)施方案，形成建管養(yǎng)用一體化的良性運(yùn)行管理機(jī)制，使其長(zhǎng)期發(fā)揮效益。

【關(guān)鍵詞】九門(mén)寨片區(qū)；水利工程；信息化；自動(dòng)化

1.試點(diǎn)區(qū)建設(shè)內(nèi)容

（1）試點(diǎn)區(qū)主要干管、分干管集成自動(dòng)測(cè)流、測(cè)壓及自動(dòng)輸配水功能于一體。試點(diǎn)區(qū)干管、分干管等重要管網(wǎng)分水處均自動(dòng)測(cè)流、監(jiān)測(cè)壓力。實(shí)現(xiàn)基于管網(wǎng)系統(tǒng)的水資源優(yōu)化配置，科學(xué)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)灌溉，達(dá)到節(jié)水節(jié)肥，保護(hù)環(huán)境等目的。

綜合貴州雨熱同期及采用低功耗控制設(shè)備等因素，系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)優(yōu)先考慮低功耗設(shè)備，采用大容量綠色太陽(yáng)能供電（太陽(yáng)能板130AH，太陽(yáng)能蓄電池100W），可確保系統(tǒng)在無(wú)光照惡劣天氣條件下，太陽(yáng)能蓄電池持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行20-30天。兼具先進(jìn)性與穩(wěn)定性，安裝使用和維護(hù)便捷，節(jié)能降耗，長(zhǎng)期運(yùn)行成本低的優(yōu)勢(shì)。

（2）便捷的控制和管理方式?？刂品脂F(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)控、展示廳（管理房）群控、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)片控三級(jí)進(jìn)行，用戶(hù)可自由選擇任何一種控制方式，還可采用手機(jī)短信的方式實(shí)現(xiàn)控制。管理方采用多級(jí)模式，可設(shè)置不同權(quán)限的訪問(wèn)模式，保護(hù)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)的安全。

（3）不同片區(qū)以土壤墑情為重要的灌溉指標(biāo)。同時(shí)兼具測(cè)流、自動(dòng)測(cè)壓及超限報(bào)警功能。能按預(yù)設(shè)需水量的限值要求定時(shí)、定量、按計(jì)劃進(jìn)行灌溉。并能根據(jù)作物不同生長(zhǎng)階段的需水量要求，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的智能灌溉，節(jié)水30%以上。

（4）C卡預(yù)付費(fèi)管理系統(tǒng)。1）利用 IC 卡的控制閥門(mén)的開(kāi)啟與關(guān)閉，來(lái)完成灌溉與否的功能。以一個(gè)用水會(huì)協(xié)會(huì)（分會(huì)）或水管單位為一個(gè)管理單位集中管理 IC 卡的充值、費(fèi)率計(jì)算和總量記錄等功能。2）先交錢(qián)后使用，可杜絕水費(fèi)遲繳、拖繳、漏繳等問(wèn)題。提高水管理的經(jīng)濟(jì)效益。3）采用IC卡灌溉管理系統(tǒng)，具有預(yù)先收費(fèi)、收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)公開(kāi)、收費(fèi)過(guò)程動(dòng)態(tài)可見(jiàn)、不需專(zhuān)人值守等特點(diǎn)，從而較好地解決稅費(fèi)拖欠的問(wèn)題，同時(shí)，可有效利用價(jià)格和費(fèi)率調(diào)節(jié)，引導(dǎo)用戶(hù)采用節(jié)水方式進(jìn)行灌溉，提高用水經(jīng)濟(jì)效益。4）無(wú)需管理人員參與，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉用水的準(zhǔn)確計(jì)量和智能化管理。5）緊密配合我省農(nóng)業(yè)綜合水價(jià)改革，可設(shè)定階梯水價(jià)、超定額累計(jì)加價(jià)等多種水價(jià)計(jì)費(fèi)方式。體現(xiàn)水的稀缺性和商品屬性。

2.試點(diǎn)區(qū)控制系統(tǒng)建設(shè)

試點(diǎn)區(qū)共6個(gè)控制單元（包括農(nóng)業(yè)IC卡預(yù)付費(fèi)控制系統(tǒng)）

水利自動(dòng)化與信息化建設(shè)實(shí)現(xiàn)土壤墑情監(jiān)測(cè)及自動(dòng)灌溉控制、IC預(yù)付費(fèi)管理系統(tǒng)，集遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)控制、壓力調(diào)節(jié)、流量調(diào)節(jié)為一體的綜合控制系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

根據(jù)管網(wǎng)布置圖，設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體框架圖如下：

（1）試點(diǎn)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)控制閘閥井分站安裝在現(xiàn)場(chǎng)干管處，共設(shè)置6個(gè)閘閥井分站，共控制6個(gè)大電磁閥，對(duì)應(yīng)采集分干管處流量、壓力、并通過(guò)大電磁閥的啟閉實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)輸配水。

1#閘閥井 控制 1#分干管灌片；2#閘閥井 控制 2#分干管灌片；

3#閘閥井 控制 2-1#支管灌片；4#閘閥井 控制 2-3#支管灌片；

5#閘閥井 控制 2-4#支管灌片；6#閘閥井 控制 3#分干管灌片；

（2）IC卡預(yù)付費(fèi)管理控制機(jī)，通過(guò)預(yù)先繳費(fèi)及農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革確定水價(jià)，進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)預(yù)先繳費(fèi)，用水量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，解決收費(fèi)難問(wèn)題；

（3）灌溉遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。軟件的安裝調(diào)試應(yīng)充分考慮二次開(kāi)發(fā)的要求，突破不同企業(yè)間的技術(shù)門(mén)檻，建議采用通用編程軟件開(kāi)發(fā)。

該控制系統(tǒng)目前已在我省多處示范園區(qū)、高效節(jié)水灌溉試點(diǎn)進(jìn)行安裝及成熟應(yīng)用，具有系統(tǒng)集成度較高、擴(kuò)展性能較強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單方便的特點(diǎn)。具體見(jiàn)圖3。

2.2 灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）灌溉系統(tǒng)說(shuō)明

①現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)以閘閥井為核心，安裝在干管分水處。共設(shè)置6個(gè)閘閥井分站，1個(gè)主站設(shè)置在自動(dòng)化展示廳，用于中心控制；

②分別控制6個(gè)dn110的大電磁閥獨(dú)立工作，實(shí)現(xiàn)按照不同灌溉方式的自動(dòng)灌溉。

③采用監(jiān)控管理級(jí)（主站PC+ internet+網(wǎng)關(guān)）、灌溉區(qū)現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)（分站+擴(kuò)展模塊）多級(jí)的分布式控制（DCS）方案。

④監(jiān)控管理級(jí)設(shè)在自動(dòng)化展示廳內(nèi)，灌溉區(qū)現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)分布在灌溉區(qū)，水泵房控制級(jí)設(shè)在水泵房?jī)?nèi)。

⑤現(xiàn)代農(nóng)業(yè)同時(shí)打造IC卡預(yù)付費(fèi)水費(fèi)征收管理系統(tǒng)6套，設(shè)置于干管、分干管處。

⑥灌溉區(qū)域所有電源均采用24V安全電壓，并具有良好的接地保護(hù)。

（2）灌溉區(qū)現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)（分站+擴(kuò)展模塊+GPRS）

布置在試點(diǎn)區(qū)的6個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)，通過(guò)干管對(duì)片區(qū)控制進(jìn)行控制，具有根據(jù)作物需水狀況自適應(yīng)灌溉的功能，并兼具手動(dòng)、自動(dòng)灌溉、定時(shí)、定量，根據(jù)灌溉量（濕度差）、時(shí)間自動(dòng)計(jì)算和開(kāi)度調(diào)節(jié)及壓力調(diào)節(jié)等功能。

現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)除均能自動(dòng)監(jiān)測(cè)并動(dòng)態(tài)顯示流量、壓力、及其土壤濕度等參數(shù)， 并能控制現(xiàn)場(chǎng)的電磁閥和調(diào)節(jié)閥，能按預(yù)設(shè)的灌溉計(jì)劃要求定時(shí)、定量地按照作物不同生長(zhǎng)階段的需水量要求進(jìn)行灌溉。并能顯示現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和查看歷史數(shù)據(jù)和趨勢(shì)，設(shè)置報(bào)警和控制的上下限值和趨勢(shì)圖。灌溉區(qū)現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)界面采用5.7寸真彩界面，控制柜以閘閥井位基座進(jìn)行安裝。

布置在灌溉區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)，應(yīng)牢固安裝，設(shè)備箱表面應(yīng)有簡(jiǎn)單使用說(shuō)明、單位標(biāo)識(shí)、標(biāo)志、防雨、密閉性良好。

2.3 智能IC卡控制軟件設(shè)計(jì)

定義中斷0 為有效刷卡中斷事物，中斷1 為串行通訊中斷功能系統(tǒng)，可擴(kuò)展為遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表功能。上電復(fù)位后，單片機(jī)進(jìn)入初始化狀態(tài)，對(duì)系統(tǒng)外部中斷0、中斷1進(jìn)行掃描，當(dāng)掃描到有效刷卡，中斷0 有效，單片機(jī)讀寫(xiě)IC卡信息，若IC卡信息顯示有剩余水量存在，并通過(guò)驗(yàn)證為合法用戶(hù)，即打開(kāi)閥門(mén)，施行灌溉動(dòng)作，同時(shí)流量計(jì)對(duì)用水流量進(jìn)行計(jì)量，并采取相應(yīng)的扣水處理。若用戶(hù)想立即結(jié)束本次灌溉操作，需再次刷卡，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閥。若IC卡信息顯示剩余水量不足或?yàn)?，以及當(dāng)前用戶(hù)為非法用戶(hù)，則系統(tǒng)開(kāi)始報(bào)警，同時(shí)關(guān)閉電磁閥，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)采用uVision4集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，編程語(yǔ)言采用Keil C51，在可讀性、結(jié)構(gòu)性、功能上、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，簡(jiǎn)單易用，它是美國(guó)Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。Keil提供了一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，包括宏匯編、C編譯器、庫(kù)管理、連接器。充分利用C8051F310嵌入式操作系統(tǒng)RTX5l Tiny，RTX5l Tiny按某種調(diào)度策略使應(yīng)該運(yùn)行的任務(wù)占用CPU來(lái)進(jìn)行任務(wù)管理，同時(shí)要進(jìn)行保存各任務(wù)在切換時(shí)的地址，即壓棧，方便便下次運(yùn)行該任務(wù)時(shí)，能夠恢復(fù)運(yùn)行。RTX51 Tiny的用戶(hù)任務(wù)具有以下幾個(gè)狀態(tài)。RTX51 Tiny 的任務(wù)狀態(tài)具有運(yùn)行（RUNN- ING）、就緒（READY）、阻塞（BLOCKED）、休眠（SLEEPING）、超時(shí)（TIMEOUT）幾種；RTX51 Tiny內(nèi)核用超時(shí)（TIMEOUT）、間隔（INTERVAL）、信號(hào)（SIGNAL）等事件進(jìn)行任務(wù)間的通信與同步。IC卡控制軟件流程圖如圖5所示。

3.結(jié)束語(yǔ)

惠水漣江山區(qū)現(xiàn)代水利試點(diǎn)區(qū)灌溉二期工程，繼續(xù)秉承現(xiàn)代水利在惠水農(nóng)業(yè)示范園區(qū)發(fā)揮重要的引領(lǐng)作用，以自動(dòng)化和信息化技術(shù)為支撐，以水利的現(xiàn)代化推動(dòng)農(nóng)業(yè)示范園區(qū)的現(xiàn)代化，加速我省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展步伐。針對(duì)惠水特色蔬菜及水果開(kāi)展現(xiàn)代水利自動(dòng)化與信息化工程試點(diǎn)，成功應(yīng)用后向全省乃至全國(guó)類(lèi)似的農(nóng)業(yè)示范園區(qū)推廣，示范作用突出，意義重大，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。

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作者簡(jiǎn)介：王坤義（1965-5），男，惠水縣人，大專(zhuān)，工程師，主要從事小型水利工程建設(shè)與管理。