農(nóng)業(yè)提灌工程信息化技術(shù)研究與應(yīng)用

馮海軍

(甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 景泰 730400)

我國(guó)作為世界水利大國(guó)，要想更好地發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)就要重點(diǎn)發(fā)展水利工程。水利工程中一個(gè)重要的組成部分是農(nóng)業(yè)提灌工程。我國(guó)大部分農(nóng)業(yè)提灌工程都設(shè)置在偏遠(yuǎn)的地區(qū)，以往都是采用人工管理，這樣的管理方式具有明顯的缺陷，如工作人員需要面對(duì)較大的作業(yè)壓力、自動(dòng)化程度不高、安全性和平穩(wěn)性差、不能可持續(xù)性的利用資源等問(wèn)題，不能滿足現(xiàn)階段水利工程發(fā)展的實(shí)際需求。因此，在農(nóng)業(yè)提灌工程中應(yīng)用信息化技術(shù)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 我國(guó)現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)提灌工程的現(xiàn)狀

1.1 機(jī)電設(shè)備存在的問(wèn)題

據(jù)調(diào)查，我國(guó)農(nóng)業(yè)提灌工程所用的水泵機(jī)組大多還是20世紀(jì)后期的產(chǎn)品，這些水泵機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，很多泵殼都受到嚴(yán)重的磨損，葉輪嚴(yán)重縮短，導(dǎo)致泵的出水壓力大幅度降低，耗電量上升，葉輪吸水片汽蝕，具有極大的噪聲，即使提高深度（淹沒(méi)前池進(jìn)水管口），還是會(huì)出現(xiàn)汽蝕，經(jīng)維護(hù)后勉強(qiáng)運(yùn)行，但是運(yùn)行效率不足泵的60%。和水泵組配套的電機(jī)大多也是和水泵同時(shí)代的產(chǎn)品，電機(jī)也有明顯的缺陷如漏磁大、起動(dòng)特性差、絕緣等級(jí)（定子繞組）不合格等。我國(guó)大部分農(nóng)業(yè)提灌工程所使用的電機(jī)只是勉強(qiáng)運(yùn)行，可靠性較低。電氣和控制設(shè)備存在絕緣老化、嚴(yán)重發(fā)熱、噪聲大的問(wèn)題。電纜大多是油浸式電纜，由于使用時(shí)間長(zhǎng)、運(yùn)行條件差等原因?qū)е码娎|的絕緣性能?chē)?yán)重降低，對(duì)設(shè)備和人身安全都有著重大的威脅。中控室沒(méi)有控制保護(hù)設(shè)備，將保護(hù)設(shè)備安裝到一次屏柜上，操作極易出現(xiàn)失誤，且振動(dòng)大。進(jìn)出口閘閥由于頻繁操作，再加上使用的時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致閥體和閘板密封圈嚴(yán)重破損，止水效果大幅度降低。引道輪、軸、軸窩（閘閥板上）嚴(yán)重磨損，在運(yùn)行過(guò)程中極易出現(xiàn)脫落閘板的問(wèn)題。由于閘閥（出水）不能自動(dòng)止回和消弱水錘，一旦由于事故導(dǎo)致停機(jī)，就極易導(dǎo)致管道和管道附件破裂，破壞水泵和電機(jī)。

1.2 金屬結(jié)構(gòu)方面存在的問(wèn)題

我國(guó)農(nóng)業(yè)提灌工程的進(jìn)出水管大多已經(jīng)使用30多年，經(jīng)過(guò)磨蝕（泥沙）和銹蝕（氧化）的累積影響，極易發(fā)生破裂的事故。20世紀(jì)70年代還沒(méi)有對(duì)壓力出水管設(shè)計(jì)造型，泵站管道不僅有混凝土的，還有鑄鐵的，一些埋入地下，一些是明管。鑄鐵管道嚴(yán)重銹蝕，密封裝置（混凝土管道）老化，密封圈止水效果降低，經(jīng)常出現(xiàn)泄露問(wèn)題，造成管坡下沉和管道脫節(jié)等問(wèn)題，雖然能夠勉強(qiáng)運(yùn)行，但是具有較大的安全隱患。前池?cái)r污柵嚴(yán)重銹蝕，柵條斷裂，不能發(fā)揮攔污的作用，導(dǎo)致水泵的吸水口堵塞，機(jī)組不能平穩(wěn)正常運(yùn)行。

1.3 通訊設(shè)備存在的問(wèn)題

農(nóng)業(yè)提灌工程的通訊設(shè)備老舊，通信使用電話方式，電話串接分機(jī)情況嚴(yán)重，不僅通訊混亂，通訊質(zhì)量還低下，導(dǎo)致不能順利的傳達(dá)生產(chǎn)調(diào)度任務(wù)。

2 農(nóng)業(yè)提灌工程應(yīng)用信息化技術(shù)的總體方案

農(nóng)業(yè)提灌工程中所使用的信息化系統(tǒng)屬于實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，具有諸多功能，如監(jiān)控生產(chǎn)、采集數(shù)據(jù)、采集微機(jī)保護(hù)設(shè)備信息、優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行、支持管理決策、處理應(yīng)急預(yù)案等。信息化技術(shù)應(yīng)用總體方案的基本原則是實(shí)用功能、可靠運(yùn)行、價(jià)格適中、技術(shù)過(guò)硬、方便維護(hù)、推廣簡(jiǎn)單等，可以使用分布式結(jié)構(gòu)，分為控制層、中心監(jiān)控層和執(zhí)行層3層結(jié)構(gòu)。泵站所使用監(jiān)控設(shè)備通過(guò)光纜連接監(jiān)控層進(jìn)行連接，數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)以太網(wǎng)。另外監(jiān)控設(shè)備還能夠通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)連接現(xiàn)場(chǎng)其他設(shè)備，具有較高的穩(wěn)定性。

3 農(nóng)業(yè)提灌工程中應(yīng)用信息化系統(tǒng)的硬軟件設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

控制核心為L(zhǎng)PC2132，外圍電路連接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、控制電路（繼電器）、檢測(cè)模塊（傳感）、人機(jī)對(duì)話接口、GSM模塊，對(duì)泵站的電源、存儲(chǔ)電路（EEPROM）、核心模塊（處理數(shù)據(jù)）、監(jiān)測(cè)模塊（泵站信息）等直接管控。首先設(shè)計(jì)電源、存儲(chǔ)電路（EEPROM），技術(shù)人員設(shè)計(jì)與運(yùn)行內(nèi)核芯片（ARM7）相適應(yīng)的主電源電路、輔助電源電路。裝置（外部存儲(chǔ)）記錄累積抽水時(shí)間、時(shí)間（當(dāng)前抽水）等信息。其次，設(shè)計(jì)核心模塊（數(shù)據(jù)處理），技術(shù)人員可以選擇單片機(jī)（32位、LPC2132），該模塊的優(yōu)點(diǎn)是功耗低、 運(yùn)行平穩(wěn)、控制終端結(jié)構(gòu)緊湊性高、成本低等。最后，設(shè)計(jì)信息監(jiān)測(cè)模塊，電氣參數(shù)監(jiān)測(cè)對(duì)象為三相交流電流、三相交流電壓，對(duì)電機(jī)功率因數(shù)進(jìn)行計(jì)算，判斷電機(jī)情況。技術(shù)人員測(cè)量溫度、濕度（泵站內(nèi)環(huán)境）的時(shí)候使用SHT11；監(jiān)測(cè)集水池液位、進(jìn)出水口水壓使用投入式液位傳感器、數(shù)字電接點(diǎn)壓力表。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)提灌工程信息化系統(tǒng)使用ARMDeveloper Suit開(kāi)發(fā)環(huán)境、JTAG仿真器以建立新工程的方式設(shè)計(jì)軟件，主要內(nèi)容是RS232串口通訊程序、應(yīng)用程序模塊、LCD顯示程序、GSM程序、主程序、AD轉(zhuǎn)換模塊程序等。設(shè)計(jì)應(yīng)用程序模塊喲啊包括前后臺(tái)程序、無(wú)線循環(huán)程序。農(nóng)業(yè)提灌工程系統(tǒng)軟件（信息化）的核心是主程序，能夠監(jiān)測(cè)和調(diào)度三相電壓，置標(biāo)準(zhǔn)位A=0時(shí)啟動(dòng)電機(jī)。泵站信息化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通訊的關(guān)鍵是GSM程序及RS232串口通訊程序。設(shè)計(jì)程序（LCD顯示及AD轉(zhuǎn)換模塊）的基礎(chǔ)是AD轉(zhuǎn)換器（LPC2132），A/D轉(zhuǎn)換時(shí)鐘的獲得是通過(guò)給bit0-bit7差異化賦值。數(shù)據(jù)發(fā)送、接收過(guò)程通過(guò)LCD設(shè)備實(shí)時(shí)顯示，這個(gè)過(guò)程的基礎(chǔ)是16×16點(diǎn)漢字、16×8點(diǎn)ASCII字符集（CMD12864內(nèi)含簡(jiǎn)體中文字庫(kù)）。

4 農(nóng)業(yè)提灌工程使用信息化系統(tǒng)的測(cè)試工作

4.1 測(cè)試終端功能

設(shè)計(jì)完成農(nóng)業(yè)提灌工程信息化系統(tǒng)的軟件以后，組裝顯示模塊（LCD）、控制核心板、GSM模塊，完成農(nóng)業(yè)提灌工程信息化系統(tǒng)，對(duì)傳感器模擬參數(shù)進(jìn)行逐一測(cè)量，連接AD轉(zhuǎn)換器，對(duì)模擬參數(shù)值（液壓檢測(cè)、電量參數(shù)檢測(cè)等）進(jìn)行計(jì)算。確保輸出電壓滿足相關(guān)要求，把電阻（155Ω）串聯(lián)在輸出引腳（傳感器信號(hào)）、蓄電池負(fù)極間，利用萬(wàn)用表測(cè)量?jī)啥穗妷海ù?lián)電阻）。確定終端功能正常后連接信號(hào)和遠(yuǎn)程控制箱。

4.2 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試基地選擇一個(gè)農(nóng)業(yè)提灌工程，連接電動(dòng)球閥開(kāi)關(guān)和控制器，檢測(cè)相關(guān)參數(shù)，判斷電機(jī)運(yùn)行情況。然后把監(jiān)測(cè)參數(shù)以?xún)煞N方式（主動(dòng)上報(bào)、被動(dòng)查詢(xún)）發(fā)送至主機(jī)。電機(jī)工作正常運(yùn)行狀態(tài)下抽水：UA（216V）、IA（56A）、UB（221V）、IB（52A）、UC（222V）、IC（52A）、電機(jī)溫度（64.5℃）。管理人員能夠遠(yuǎn)距離監(jiān)控這些運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)管理泵站，操作簡(jiǎn)單、方便、效率高。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)信息化系統(tǒng)（農(nóng)業(yè)提灌工程）進(jìn)行測(cè)試（現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行）證實(shí)，在農(nóng)業(yè)提灌工程中合理的應(yīng)用信息化技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人值守泵站的目標(biāo)。因此，相關(guān)技術(shù)人員要對(duì)泵站終端功能、規(guī)格（接口）、原則（組成）進(jìn)行科學(xué)的分析，搭建核心為L(zhǎng)PC2132芯片（ARM7內(nèi)核）的、采集接口為集成多路AD模擬量、串口為UART、接口為I2C的外圍芯片電路，最大程度降低終端控制器空間尺寸，從而提高泵站的效益。