一體化泵站在農(nóng)田灌溉排水中的應(yīng)用分析

鄒秋華　余敏　韓玲

摘 要 隨著我國水利灌溉排水、城市防洪的大力發(fā)展，在農(nóng)田灌溉排水中，傳統(tǒng)的中小型泵站由于無人管理和改造，水泵設(shè)備出現(xiàn)了老化、自動(dòng)化程度低、管理落后等問題，通過應(yīng)用泵站一體化控制技術(shù)，能夠?yàn)檗r(nóng)田水利管理提供一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 一體化泵站；農(nóng)田灌溉；排水

中圖分類號(hào)：TV675 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.26.067

1 研究背景

隨著我國政府對(duì)農(nóng)業(yè)的大力扶持，農(nóng)田水利設(shè)施得到了快速發(fā)展，其中農(nóng)田灌溉主要以中小型泵站為基建對(duì)象，中小型水泵對(duì)農(nóng)田的灌溉和排水起到了重要的作用[1-2]。然而現(xiàn)代農(nóng)業(yè)使用的中小型泵站大部分是在20世紀(jì)60年代建造的，由于長期工作，泵站設(shè)備的運(yùn)行性能下降，零部件加速老化，最終導(dǎo)致農(nóng)田的經(jīng)濟(jì)效益較低，阻礙了經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。

中小型泵站的電氣信息設(shè)計(jì)主要包含配電柜、電源箱、電容補(bǔ)償柜、LCU單元、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)工作站和數(shù)據(jù)服務(wù)器[3-4]。目前，在農(nóng)業(yè)快速發(fā)展的背景下，建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，對(duì)于優(yōu)化水利設(shè)備是很有必要的，尤其是設(shè)備的資源管理和運(yùn)行監(jiān)管，并且快速向信息化、數(shù)字化、智能化等方向邁進(jìn)。

對(duì)農(nóng)田灌溉和排水設(shè)備進(jìn)行升級(jí)、優(yōu)化，有助于泵站向一體化的方向邁進(jìn)，接下來介紹信息化、數(shù)字化、智能化的重要性[5-6]。1）實(shí)現(xiàn)信息化。通過利用多種渠道采集農(nóng)田生產(chǎn)的信息，多方位和多角度獲取當(dāng)?shù)貐^(qū)域或者周邊區(qū)域的雨水、天氣、用水量等信息，并將其輸送給管理人員，以此作為農(nóng)田灌溉和排水的數(shù)據(jù)，使該區(qū)域的農(nóng)田用水得到及時(shí)監(jiān)控和調(diào)配。2）實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。將農(nóng)業(yè)的灌溉與肥料、作物等學(xué)科進(jìn)行聯(lián)系，并利用信息化的優(yōu)勢(shì)，對(duì)不同的作物、土壤、氣候等外界環(huán)境建立合理的模型，以數(shù)字化作指導(dǎo)，用參數(shù)進(jìn)行量化，以此指導(dǎo)灌區(qū)的水資源調(diào)配，讓一體化泵站在農(nóng)田灌溉排水中發(fā)揮最大的作用。3）實(shí)現(xiàn)智能化。將獲得的農(nóng)田灌溉排水的相關(guān)參數(shù)作為依據(jù)建立科學(xué)的匹配模型，并通過編制軟件控制泵站的設(shè)備，使設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行，從而控制灌溉排水的正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化。

2 一體化技術(shù)的特點(diǎn)

一體化泵站主要利用“一體化”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械、電子和信息控制的融合，并將其應(yīng)用在泵站等各個(gè)領(lǐng)域。其中，一體化技術(shù)是指多個(gè)原來相互獨(dú)立的主權(quán)實(shí)體通過某種方式逐步在同一體系下彼此包容、相互合作，結(jié)合成為一個(gè)單一實(shí)體的過程。中小型泵站一體化建設(shè)具有結(jié)構(gòu)簡潔、操作方便、自動(dòng)化程度高、智能程度高和需要?jiǎng)趧?dòng)力少等特點(diǎn)。結(jié)合農(nóng)田灌溉和排水的實(shí)際環(huán)境要求，有必要將一體化技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)田灌溉和排水管理上，合理配置與布局每個(gè)部分的功能，使整個(gè)泵站控制系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)化。

一體化泵站由井筒、格柵、水泵、管道、閥門、傳感器、控制系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)等部分組成，一體化泵站前期由工人在工廠預(yù)制安裝，將組裝好的一體化設(shè)備運(yùn)輸?shù)奖谜具M(jìn)行固定安裝，從而能夠節(jié)省安裝的周期，也可以及時(shí)解決存在的問題。若采用一體化泵站用于農(nóng)田灌溉和排水，只需要少數(shù)或者單人進(jìn)行看護(hù)，可由操作人員進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，與此同時(shí)維護(hù)人員通過網(wǎng)絡(luò)掌握泵站的運(yùn)行情況，對(duì)于出現(xiàn)的異常可以進(jìn)行實(shí)時(shí)修改和調(diào)整，讓一體化泵站實(shí)現(xiàn)無人值守，有效地降低了泵站的投資成本和運(yùn)行費(fèi)用。

一體化泵站采用電氣信息化自動(dòng)控制裝置，采用機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)理念，高度集成了泵站電氣主回路、軟啟/軟?？刂?、變頻控制、主設(shè)備控制、泵站各種運(yùn)行參數(shù)檢測、輔助設(shè)備的控制及保護(hù)、人機(jī)界面操作、運(yùn)行參數(shù)信息的采集與處理、遠(yuǎn)程指令的接受及執(zhí)行、視頻監(jiān)視、安全防盜報(bào)警和無功功率因素補(bǔ)償?shù)炔糠帧?/p>

其中，水位和水壓傳感器采用的是4～20 mA的電流信號(hào)進(jìn)行傳輸和控制，獲取信號(hào)之后通過單片機(jī)內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，對(duì)部分功能進(jìn)行介紹分析如下。

2.1 泵站取水功能

啟動(dòng)泵站進(jìn)行取水主要分為，刷卡開泵網(wǎng)頁端遠(yuǎn)程控制開泵和手機(jī)APP端遠(yuǎn)程控制開泵。刷卡取水過程是模塊讀取卡上的信息，將信息反饋到計(jì)算機(jī)上，由計(jì)算機(jī)給出相應(yīng)的指令，對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。整個(gè)取水過程相對(duì)簡單方便、操作靈活。

2.2 電參數(shù)檢測

電參數(shù)檢測采用了電表和電參數(shù)芯片相結(jié)合的方案，對(duì)電表的計(jì)費(fèi)相對(duì)方便，由于電表可以提供電壓、電流、有功、無功功率等參數(shù)，但是不能對(duì)電機(jī)進(jìn)行異常保護(hù)，而電參數(shù)芯片彌補(bǔ)了電表的缺陷，較好地為一體化泵站提供了無功功率、功率因數(shù)和電網(wǎng)頻率等參數(shù)，將獲得的參數(shù)輸送給單片機(jī)，由單片機(jī)通過計(jì)算重新分配電參數(shù)，以此來檢測過壓故障、缺相故障、逆向序故障等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的安全保護(hù)。

2.3 圖像數(shù)據(jù)檢測

圖像數(shù)據(jù)檢測主要是用于泵站監(jiān)控，當(dāng)有人進(jìn)人供水室時(shí)，紅外傳感器獲取信號(hào)，并輸?shù)碗娖?，觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷，以此同時(shí)單片機(jī)調(diào)用攝像頭對(duì)其進(jìn)行拍照整理，將圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來，最后上傳到遠(yuǎn)端的云數(shù)據(jù)。當(dāng)需要時(shí)，可以隨時(shí)調(diào)用，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站進(jìn)行安全監(jiān)視。

2.4 通信電路實(shí)現(xiàn)

一體化泵站的控制核心是單片機(jī)，通過A/D轉(zhuǎn)換器獲取水位和水壓數(shù)據(jù)，通過TS-485接口完成對(duì)軟啟動(dòng)器參數(shù)、電參數(shù)、圖像數(shù)據(jù)和流量的數(shù)據(jù)采集。

一體化水泵采用STM32F407，其RS-485與單片機(jī)直接相連，單片機(jī)對(duì)采集到的信號(hào)經(jīng)過數(shù)字濾波，通過特定的協(xié)議與各種型號(hào)功能的傳感器進(jìn)行通信。該通信電路具有如下特點(diǎn)。1）采用多項(xiàng)控制技術(shù)，如機(jī)械動(dòng)力技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和傳感測控技術(shù)等，對(duì)水泵的測量、保護(hù)和控制監(jiān)控非常智能化和自動(dòng)化，標(biāo)準(zhǔn)化的通訊協(xié)議能夠提供多種通信接口。2）將電氣控制、智能保護(hù)、軟起動(dòng)/軟停機(jī)（變頻）控制、過程自動(dòng)化控制、信息化管理、視頻監(jiān)視、安全防盜報(bào)警和無功功率補(bǔ)償?shù)冗M(jìn)行有效結(jié)合。3）該模式操控簡單，普遍采用一鍵式操作，個(gè)性化的人機(jī)界面直觀、簡單、方便。

3 泵站一體化控制的發(fā)展趨勢(shì)

一體化泵站結(jié)合了多個(gè)學(xué)科，包含機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、信息和通信等各個(gè)方面，一體化泵站的發(fā)展必然向模塊化、智能化、節(jié)能化進(jìn)行拓展，帶動(dòng)更多的模式，相輔相成，讓一體化技術(shù)得到進(jìn)一步應(yīng)用。隨著國家大力扶持農(nóng)業(yè)發(fā)展，農(nóng)田灌溉排水必然會(huì)實(shí)行智能化。對(duì)于模塊的發(fā)展，是水泵的第一要求，換句話，水泵的研制發(fā)展，今后要朝著模塊化方向發(fā)展，根據(jù)使用情況和性能要求的不同，決定采用不同型號(hào)的模塊，以此組裝相應(yīng)的水泵和控制器件，有利于提高設(shè)備的制造速度，也能夠減少泵站的施工時(shí)間，為今后一體化泵站的優(yōu)化提供一定的理論依據(jù)。

智能化是新時(shí)期制造領(lǐng)域的新趨勢(shì)，一體化水泵也不例外，一體化水泵在農(nóng)田灌溉排水中，主要通過收集、整理、分析和量化各種農(nóng)田的指標(biāo)，并以智能化為依托，對(duì)農(nóng)田的灌溉和排水進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)一體化泵站的自動(dòng)檢測運(yùn)行。節(jié)能是指泵站的高效運(yùn)行，傳統(tǒng)的泵站建設(shè)僅僅是為了滿足灌溉排水的基本要求，對(duì)自動(dòng)控制基本處于空白，對(duì)泵站的運(yùn)行效率沒有進(jìn)行監(jiān)控，導(dǎo)致農(nóng)田中使用的中小型泵站效率處于25%～35%。由于傳統(tǒng)泵站存在性能差、運(yùn)行成本高、能耗大等缺陷，今后采用一體化泵站，對(duì)于提高泵站的使用效率具有重要的意義。

隨著國家對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉排水中使用中小型泵站的重視，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行升級(jí)和優(yōu)化成為必然。農(nóng)田的灌溉和排水采用一體化技術(shù)，能夠使一體化泵站向自動(dòng)化、智能化和信息化等多元化方向邁進(jìn)。在建設(shè)中小型泵站的過程中，要謹(jǐn)慎對(duì)待農(nóng)田灌溉和排水的實(shí)際情況，不能脫離實(shí)際環(huán)境，要根據(jù)農(nóng)業(yè)環(huán)境的實(shí)際需要進(jìn)行合理的規(guī)劃施工，讓一體化泵站在農(nóng)田灌溉和排水中發(fā)揮真正的作用。

4 結(jié)語

通過分析一體化泵站的應(yīng)用背景，對(duì)農(nóng)田灌溉排水中傳統(tǒng)中小型泵站存在的問題進(jìn)行對(duì)比分析，并提出一體化泵站在農(nóng)田灌溉排水中的發(fā)展趨勢(shì)，為一體化泵站的未來發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，使一體化泵站更加全面化和科學(xué)化。

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（責(zé)任編輯：劉昀）