電力提灌水利工程泵站信息化技術(shù)的應(yīng)用分析

安子玉

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 白銀 730400）

提灌就是指利用水泵、機(jī)電動(dòng)力、提水機(jī)等設(shè)備，將低處的水引到高處，以此滿足灌溉要求，多用于農(nóng)田水利工程中，對(duì)農(nóng)田的水源補(bǔ)給起到重要作用?；诖?，本文以泵站提灌為例，以泵站信息化關(guān)鍵技術(shù)為研究對(duì)象，分析泵站信息化系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，總結(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用，為相關(guān)工作者提供可借鑒性經(jīng)驗(yàn)，從而充分發(fā)揮水利工程提灌泵站的功能。

1 提灌水利工程的提出背景

“十三五”以來，中國全面打贏了農(nóng)村飲水安全脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)，農(nóng)村水利水電工作持續(xù)向好，基本完成了規(guī)劃內(nèi)大型灌區(qū)節(jié)水改造任務(wù)。積極實(shí)施重點(diǎn)大中型灌區(qū)提灌技術(shù)，可以有效緩解水資源供給不足問題，逐步加強(qiáng)農(nóng)村節(jié)水灌溉項(xiàng)目與現(xiàn)代化信息配套技術(shù)的銜接，加快農(nóng)村水利工程泵站信息化步伐。尤其是高揚(yáng)程電力提灌項(xiàng)目，可以有效緩解供水與農(nóng)業(yè)需水之間的矛盾，提升農(nóng)田抗御自然災(zāi)害的能力，泵站信息化綜合保護(hù)功能的作用逐漸發(fā)揮出來。

2 提灌水利泵站系統(tǒng)的組成

在電力提灌水利泵站信息系統(tǒng)中，主要由現(xiàn)地控制級(jí)（第一層）、集中控制級(jí)（第二層）組成[1]?；窘Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 提灌泵站信息系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖

從圖1中可以看出，提灌泵站信息系統(tǒng)的現(xiàn)地控制級(jí)包括PLC測(cè)控、微機(jī)綜合保護(hù)這2個(gè)部分，主要負(fù)責(zé)水位、工作電壓、輔助設(shè)備、機(jī)組功率、水量、揚(yáng)程等參數(shù)的采集和處理，并且PLC測(cè)控由S7-300 PLC構(gòu)成，泵站微機(jī)綜合保護(hù)由電機(jī)保護(hù)、電容保護(hù)、進(jìn)線保護(hù)構(gòu)成，并在主控計(jì)算機(jī)的輔助下，做好事故報(bào)警、數(shù)據(jù)分析計(jì)算、數(shù)據(jù)庫管理、發(fā)布控制指令、視頻監(jiān)控等工作。

3 提灌泵站信息系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 通信技術(shù)（Communication）

通信技術(shù)的主要功能就是實(shí)現(xiàn)多功能電量表、泵組保護(hù)裝置之間的通信，確保泵站網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，安全可靠性高，傳播速度快，一般采用Modbus通信規(guī)約，遵循開放系統(tǒng)規(guī)則，LCU與系統(tǒng)內(nèi)各工作站之間形成通信網(wǎng)絡(luò)，向上一層發(fā)送數(shù)據(jù)采集和事件信息，最終通過RS232/RS485接口對(duì)泵站內(nèi)各智能裝置進(jìn)行通信。

3.2 智能控制技術(shù)（Intelligent control）

智能控制技術(shù)就是指通過智能分析，對(duì)流量泵的規(guī)格進(jìn)行選擇，根據(jù)管道壓力、用水量變化、泵組效率分析在提灌過程中是否會(huì)出現(xiàn)泵房積水、管道運(yùn)行受阻、盤根漏水、管道滲漏等情況，利用遠(yuǎn)程控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制權(quán)限的切換，控制水泵的啟停和流量，通過站級(jí)實(shí)現(xiàn)泵組與控制對(duì)象的保護(hù)系統(tǒng)相配合，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)異樣監(jiān)測(cè)。

3.3 信號(hào)處理技術(shù)（Signal processing）

信號(hào)處理技術(shù)主要包括以下2個(gè)方面：模擬信號(hào)處理、數(shù)字量和數(shù)字參數(shù)信號(hào)處理[2]。其中模擬信號(hào)處理就是指對(duì)泵組的真空系統(tǒng)真空度、進(jìn)出水壓力、泵組轉(zhuǎn)速、引渠水位進(jìn)行計(jì)量和計(jì)算，處理流程為：通過變送器和傳感器（出水壓力變送器+前池水位超聲波變送器+引渠水位超聲波變送器+真空管壓力變送器+電動(dòng)閥門開度傳感器）→經(jīng)過PLC模擬量采集模塊→利用以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸，之后通過計(jì)算機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)語音報(bào)警，并且報(bào)警點(diǎn)可以利用報(bào)警系統(tǒng)對(duì)報(bào)警位置進(jìn)行測(cè)定，技術(shù)人員之后對(duì)報(bào)警原因進(jìn)行分析。其次，信號(hào)處理技術(shù)也可以應(yīng)用到溫度查詢和電、水流量的查詢，其中溫度查詢流程為：測(cè)定電機(jī)線圈溫度+水泵軸承溫度+室內(nèi)外溫度+電機(jī)軸承溫度，之后利用RS485溫度巡檢儀，通過計(jì)算機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)語音報(bào)警。在數(shù)字量和數(shù)字參數(shù)信號(hào)處理中，該項(xiàng)信息化系統(tǒng)可以對(duì)泵站的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，比如各閘閥的開閉狀態(tài)、泵站輔機(jī)設(shè)備的狀態(tài)、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)等，利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行以太網(wǎng)通訊，最后通過報(bào)警點(diǎn)識(shí)別播放報(bào)警位置及報(bào)警原因。

3.4 故障診斷技術(shù)（Fault diagnosis）

在提灌泵站信息系統(tǒng)建設(shè)過程中，系統(tǒng)已經(jīng)對(duì)泵組運(yùn)行時(shí)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和控制，比如蓄水池水位的越限報(bào)警閾值、水渠水位閾值等。通過信息化和自動(dòng)化技術(shù)，系統(tǒng)可以定時(shí)掃描檢查各故障狀態(tài)信號(hào)，故障信息窗口直接彈出在網(wǎng)絡(luò)屏幕上。如果重要機(jī)電設(shè)備發(fā)生事故，技術(shù)人員可以調(diào)出事故前采樣數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際發(fā)生情況，對(duì)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)閾值進(jìn)行改變和二次設(shè)置。

4 提灌水利泵站信息技術(shù)的應(yīng)用

本文以景電灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項(xiàng)目為例，利用灌區(qū)智能信息化管理方法，設(shè)計(jì)提灌水利工程泵站信息化系統(tǒng)，灌區(qū)每年10月到次年4月份降雨量很少，灌溉需要通過從黃河引水提升至灌溉明渠，各類泵站的水泵電機(jī)功率大小不同，閘站數(shù)量、種類多，并且不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和信息化提灌，因此在該地區(qū)實(shí)施泵站遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方法，自動(dòng)控制提灌水利工程，在信息技術(shù)的加持下，實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，可根據(jù)灌溉需求控制流量大小，計(jì)算出灌溉流量，大量節(jié)省人力，提高設(shè)備使用壽命。具體設(shè)計(jì)和應(yīng)用方法如下。

4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在提灌地區(qū)，由于農(nóng)田覆蓋面較大，并且環(huán)境比較惡劣，利用GSM技術(shù)在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)提灌的遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)和控制，技術(shù)人員利用CPU進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的處理和分析，當(dāng)管理控制中心發(fā)送指令時(shí)，經(jīng)過GSM模塊。對(duì)采集數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)顯示。在硬件設(shè)計(jì)中，經(jīng)外圍電路與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，電力提灌水利工程泵站將LPC2132作為主要控制核心，并通過傳感檢測(cè)模塊，直接進(jìn)行泵站管控，在EEPROM存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)過程中，技術(shù)人員應(yīng)該以ARM7內(nèi)核芯片運(yùn)行相適應(yīng)的供電電壓為主，經(jīng)三端穩(wěn)定源LM7812，直接進(jìn)行泵站管控。將+24 V轉(zhuǎn)換為振動(dòng)傳感器工作電壓+12 V，并選擇+12 V鋰電池，將I2C接口的CAT1025芯片作為外部存儲(chǔ)裝置[3]。當(dāng)主電源無法供電時(shí)，技術(shù)人員可以選擇功耗較低的LPC2132（32位單片機(jī)），進(jìn)行數(shù)據(jù)處理核心模塊設(shè)計(jì)，順利保存多級(jí)控制號(hào)碼；也可以采用外部11.059 2 MHz晶振，計(jì)算電機(jī)功率因數(shù)，利用可編程數(shù)字溫濕度傳感器對(duì)泵站內(nèi)環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)溫范圍-40.0～123.8℃，還可以利用HDP601投入式液位傳感器，在電力提灌水利工程中對(duì)出水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

在軟件設(shè)計(jì)過程中，選擇ARMDeveloper Suit開發(fā)環(huán)境，設(shè)計(jì)涵蓋前臺(tái)程序和后臺(tái)事態(tài)驅(qū)動(dòng)的模塊，不間斷核查各任務(wù)是否與執(zhí)行要求相符，利用JTAG仿真器，組建無線循環(huán)程序，將該種程序作為提灌水利工程泵站信息化系統(tǒng)的核心，以main函數(shù)作為C程序執(zhí)行點(diǎn)，將新SMS編碼作為數(shù)據(jù)包，通過調(diào)度函數(shù)完成操作，保證數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和發(fā)送的速度。也可以將AD轉(zhuǎn)換器（LPC21 32特有的）作為基礎(chǔ)，讓數(shù)據(jù)在RS232.TC35i間傳遞，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送、接收過程的實(shí)時(shí)顯示。其次還應(yīng)該做好現(xiàn)地監(jiān)控層、網(wǎng)絡(luò)層、遠(yuǎn)程監(jiān)控層設(shè)置，其中，現(xiàn)地監(jiān)控層主要包括智能三相電采集模塊設(shè)計(jì)、GPRS無線傳輸設(shè)計(jì)、可編程邏輯控制器（PLC）設(shè)計(jì)、觸摸屏模塊設(shè)計(jì)、模擬量采集模塊設(shè)計(jì)。管理人員通過遠(yuǎn)程控制終端訪問數(shù)據(jù)，利用無線遠(yuǎn)傳模塊，在網(wǎng)絡(luò)層將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器中，技術(shù)人員和相關(guān)管理者就可以實(shí)時(shí)了解泵站運(yùn)行狀態(tài)。

4.2 調(diào)試應(yīng)用

在系統(tǒng)調(diào)試過程中，主要是對(duì)信息系統(tǒng)和終端功能、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行進(jìn)行測(cè)試，比如，技術(shù)人員對(duì)核心軟硬件設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，現(xiàn)場(chǎng)總線采用Profibus DP，結(jié)合智能馬達(dá)、智能化綜合保護(hù)裝置，對(duì)接配備Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線，調(diào)度人員對(duì)系統(tǒng)中的噸水耗電、總供水量、總耗電量（泵站）、水泵啟停狀態(tài)與通信技術(shù)、傳感技術(shù)、LUC技術(shù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備等進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，最終得出變電站供電電流調(diào)度指令，分析當(dāng)前提灌電能信息。終端功能就是指在信息化系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)完畢后，逐一測(cè)量傳感器模擬參數(shù)，確定輸出電壓與要求相符，之后通過電阻并聯(lián)與串聯(lián)，確定終端功能的使用是否正常，與對(duì)應(yīng)輸出數(shù)據(jù)相對(duì)比，數(shù)據(jù)指標(biāo)主要有出口壓力（kPa）、流量（m3/h）、輸出功率（W）、轉(zhuǎn)速（r/min）、效率（%）、揚(yáng)程（m）、功率（W），之后對(duì)給出現(xiàn)場(chǎng)具體測(cè)試值，分析水泵性能的直線特征。現(xiàn)場(chǎng)單機(jī)測(cè) 定值如表1所示。

表1 現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)調(diào)試測(cè)定值

除此之外，該提灌區(qū)信息化監(jiān)控系統(tǒng)也可以對(duì)土壤墑情進(jìn)行監(jiān)測(cè)，設(shè)置泵船監(jiān)測(cè)站，監(jiān)控中心與監(jiān)控站之間均采用GPRS通信，采集電機(jī)溫度、泵站運(yùn)行狀態(tài)等信息，現(xiàn)場(chǎng)均為10 kV水泵機(jī)組，每個(gè)測(cè)點(diǎn)采集3層土壤濕度，并根據(jù)采集的溫度、濕度、光照度等數(shù)據(jù)信息，支持越限報(bào)警，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化報(bào)警；有利于水池水情實(shí)時(shí)測(cè)報(bào)，實(shí)現(xiàn)了灌區(qū)供水遠(yuǎn)程控制，達(dá)到灌溉用水目的，使得水資源得到優(yōu)化配置。同時(shí)，技術(shù)人員和管理者還可以利用手機(jī)APP遠(yuǎn)程訪問，通過監(jiān)控軟件，當(dāng)數(shù)據(jù)異常時(shí)系統(tǒng)可以自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，自動(dòng)控制取水泵組運(yùn)行。

4.3 相關(guān)啟示

從本次案例中可以看出，提灌水利工程泵站信息化技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉用水的科學(xué)化和集約化，在調(diào)水方面發(fā)揮著較大作用，因此在今后工作中，相關(guān)水利部門和農(nóng)業(yè)部門應(yīng)該進(jìn)一步開展泵站自動(dòng)化技術(shù)研究，提高自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)測(cè)科學(xué)性和準(zhǔn)確性。還要使用經(jīng)濟(jì)適用性較強(qiáng)的泵站自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)，在必要時(shí)應(yīng)該增加科技投入，提高泵站現(xiàn)代化管理水平，減少泵站自動(dòng)化方面的維護(hù)支出，也可以與科研單位開展合作，加大宣傳力度，鼓勵(lì)自動(dòng)化公司與項(xiàng)目負(fù)責(zé)單位合作，為提灌自動(dòng)化項(xiàng)目提供技術(shù)人才與管理人才，尤其是技術(shù)人才。相關(guān)部門應(yīng)該加大對(duì)大數(shù)據(jù)技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，做好對(duì)提灌泵站自動(dòng)化系統(tǒng)中水文數(shù)據(jù)庫、水閘控制數(shù)據(jù)庫、辦公管理數(shù)據(jù)庫、遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫、故障信息數(shù)據(jù)庫的監(jiān)測(cè)，優(yōu)化各類設(shè)備的操作記錄。通過該種方式，實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)，學(xué)會(huì)使用手機(jī)APP遠(yuǎn)程訪問，對(duì)干渠視頻監(jiān)控界面、泵站監(jiān)控界面、明渠流量監(jiān)測(cè)界面的歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，保證系統(tǒng)中數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)共享，確保數(shù)據(jù)文檔能以圖、文字形式輸出，以此拓寬泵站自動(dòng)化、信息化宣傳路徑和渠道，制定相關(guān)優(yōu)惠政策，使灌排泵站更好地發(fā)揮效益。

5 結(jié)束語

綜上所述，利用泵站提灌信息技術(shù)，可以有效解決重點(diǎn)中型灌區(qū)水資源供給不足問題。因此相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)該做好現(xiàn)地監(jiān)控層、網(wǎng)絡(luò)層、遠(yuǎn)程監(jiān)控層設(shè)置，通過遠(yuǎn)程控制終端訪問數(shù)據(jù)，監(jiān)控中心與監(jiān)控站之間均通過GPRS通信技術(shù)，通過站級(jí)實(shí)現(xiàn)泵組，與控制對(duì)象的保護(hù)系統(tǒng)相配合，對(duì)盤根漏水、管道滲漏等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，最終實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉用水的科學(xué)化和集約化。