基于4G物聯(lián)網(wǎng)遙測技術的干渠水泵的遠程授權控制應用

［關鍵詞］4G 遙測終端；遠程授權控制；干渠水泵

［中圖分類號］TN929.5 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）10–0147–03

1背景

寧夏西干渠于1959年11月開工，1960年5月建成通水，是寧夏回族自治區(qū)成立后開鑿的第一條干渠，渠道沿西夏昊王渠和明朝靖虜渠古渠遺跡修建，部分渠道沿用古渠舊址。干渠自青銅峽河西總干渠引水，沿賀蘭山東麓蜿蜒北上，全長112.7km，建有閘涵等各類控水、引水建筑物222座，引水能力71m³/s，年引水量5.3億m³，承擔著青銅峽、永寧、金鳳、西夏、賀蘭、平羅6縣（市、區(qū)）的15個鄉(xiāng)鎮(zhèn)（場）和8個國營農場7.31萬公頃的農田灌溉供水和典農河、金波湖等7處湖泊濕地的補水任務。灌區(qū)種植釀酒葡萄2.27萬公頃，分布著葡萄酒莊近200家，是賀蘭山東麓葡萄酒的核心產(chǎn)區(qū)。西干渠還是銀川市防御賀蘭山洪水的重要屏障，成功抵御賀蘭山較大洪水60余次，14次被沖斷決口，為確保銀川市防汛安全作出了積極貢獻。

2干渠泵站管理現(xiàn)狀及需求

目前西干渠干沿線直接在干渠抽水的泵站有56座，2019年加裝了計量設備，但未對泵站進行控制方面的工程改造，因此管理處無法實時有效掌握揚水泵站的用水情況，無法對各泵站抽水用水進行嚴格有效的管控。自2022年以來，隨著對用水控制精細化管理要求的提升，亟需通過簡單的技術改造，在不更換水泵房現(xiàn)有主要設備的前提下，將渠道水泵增加遠程授權控制模塊[1]，實現(xiàn)授權狀態(tài)下水泵的啟動操作、運行時長監(jiān)測，并通過水泵額定流量計算抽水量?？紤]業(yè)務應用場景的特殊性，改造還應滿足以下需求。

2.1具備遠程監(jiān)測與授權控制

渠干沿線泵站分布多且間隔距離遠，對于水泵的控制要通過遠程方式實現(xiàn)。因很多水泵所屬權不在管理處，所以對水泵的啟動管控最好是遠程授權方式，同時能滿足對水泵工作時長、抽水量的監(jiān)測和統(tǒng)計分析功能。另外，考慮到傳統(tǒng)光纖網(wǎng)絡搭建成本高且通信鏈路要有保障，因此采用4G無線APN專線，實現(xiàn)點對點數(shù)據(jù)通信，保證低成本和高可靠通信方式。

2.2易于建設

渠干沿線各泵站建設有一定差異，隸屬權限也不盡相同，因此工程改造要求簡化難度，易于實現(xiàn)。改造中使用的硬件和軟件產(chǎn)品在實施過程中要相對簡單、操作便捷、工程量小，無需過多的人力、物力和時間資源。

2.3改造成本低

投資有限的情況下，盡量降低工程改造成本，既要達到預期目標，又要實現(xiàn)節(jié)約成本，選擇經(jīng)濟有效的工程技術實現(xiàn)方式。

34G物聯(lián)網(wǎng)遙測遠程授權控制技術應用

3.1研究現(xiàn)狀

4G物聯(lián)網(wǎng)遙測遠程控制技術是一種高速、高效的無線通信遠程控制技術，具有覆蓋范圍廣、傳輸速率快、延遲低等特點，已經(jīng)廣泛應用于各種領域，如數(shù)據(jù)采集、物流運輸、工業(yè)自動化等。

在水利工程自動化方面，基于4G物聯(lián)網(wǎng)遙測遠程控制技術可以實現(xiàn)對水泵設備的遠程監(jiān)測和控制，具體應用在以下幾個方面。

（1）遠程監(jiān)測。通過4G物聯(lián)網(wǎng)連接水泵設備，可以實時監(jiān)測水泵的運行狀態(tài)。管理人員可以通過手機、電腦等終端設備隨時查看水泵的工作情況，及時發(fā)現(xiàn)異常。

（2）遠程控制。通過4G物聯(lián)網(wǎng)，管理人員可以遠程控制水泵的啟停、調速等操作。這樣不僅提高了操作的便捷性，還可以節(jié)省時間和人力資源成本。

（3）故障診斷與維修。4G物聯(lián)網(wǎng)遠程控制技術可以實現(xiàn)對水泵設備的故障診斷，通過遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，快速定位故障原因，并采取相應的維修措施。這大幅縮短了故障排除的時間，提高了設備的可靠性和生產(chǎn)效率。

（4）運維管理。通過4G物聯(lián)網(wǎng)遠程控制技術，可以實現(xiàn)對水泵設備的運行數(shù)據(jù)進行遠程記錄和管理。運維人員可以隨時查看歷史數(shù)據(jù)，分析設備的運行情況和趨勢，為設備的維護保養(yǎng)提供科學依據(jù)。

3.2方案設計

寧夏西干渠沿線泵站的供水在農業(yè)灌溉中起著至關重要的作用，然而傳統(tǒng)的水泵控制方式存在著許多不便之處，如管理人員少、無法全泵站覆蓋管理、無法實時監(jiān)測水泵的工作狀態(tài)、難以遠程控制水泵的供電等。為了解決這些問題，文章提出了利用4G物聯(lián)網(wǎng)遙測技術對西干渠沿線水泵進行遠程監(jiān)測和控制，以提高水泵站的運行效率和管理水平。

按照“安全性、可靠性、先進性”的思路，聚焦4G物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)西干渠沿線直接在干渠抽水泵站的遠程監(jiān)測與授權控制應用需求，以低成本、高可靠、易實現(xiàn)為目標，實現(xiàn)對80多個泵站設備的遠程授權和監(jiān)測，提高管理水平和管理效率。

本次4G物聯(lián)網(wǎng)遙測技術應用方案組網(wǎng)架構如圖1所示。各個泵站通過4G遙測終端對水泵機電進行開關量控制和運行時長監(jiān)測，實現(xiàn)對水泵啟停狀態(tài)、抽水時長、抽水量的統(tǒng)計分析；各個遙測終端通過4G無線APN專線將數(shù)據(jù)傳送到云資源池，保證采集信息上傳和控制命令下放雙向通信穩(wěn)定可靠；云端布署B(yǎng)/S架構的業(yè)務應用系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫，西干渠管理處及各管理所通過PC電腦或移動終端按授權訪問各泵站數(shù)據(jù)，了解轄區(qū)內泵站水泵使用情況、抽水量及周/月歷史數(shù)據(jù)。

3.3技術目標

在不改變原有水泵控制電路及控制邏輯的前提下，在水泵啟動繼電器控制回路串接電壓開關量控制實現(xiàn)遠程授權。這種改造方法的優(yōu)點是原有電器系統(tǒng)不做大的改動，只需引開關量信號到新增加的4G遙測終端，通過開關量信號控制繼電器開閉狀態(tài)；同時，4G遙測終端接入每一臺水泵控制主電路的AC220V電流信號進行檢測，根據(jù)通電電流累計時長判斷水泵的運行狀態(tài)，實現(xiàn)水泵運行計時監(jiān)測。遙測終端水泵監(jiān)測如圖2所示。

綜上，可實現(xiàn)對水泵的遠程限制授權，只有遠程授權水泵開啟權限，現(xiàn)場才能人工啟動；可實現(xiàn)對水泵運行時長的計時，根據(jù)系統(tǒng)中模型換算抽水量，對抽水用水超時、超量的行為，電話通知現(xiàn)場管理人員關停水泵，通知無效則可直接遠程關停水泵。

3.4業(yè)務系統(tǒng)功能

系統(tǒng)B/S架構在云端資源池布署，管理人員通過電腦瀏覽器、手機App遠程授權各水泵的啟動權限；能查詢各個泵站水泵的實時運行數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)；可按日、月、年生成統(tǒng)計報表等，具備導出功能；支持用戶權限劃分。

3.5遙測采集終端

工業(yè)級嵌入式4G遙測采集終端如圖3所示，支持移動/聯(lián)通/電信4G，具備APN網(wǎng)絡接入；提供DI通道AC 220V輸入、DO通道繼電器輸出、AI通道0～5A交流互感器輸入、RS485串行通訊口，同時嵌入DI、DO、AI、Modbus RTU采集協(xié)議，并能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)加密、通信加密，保證與云端服務側交互數(shù)據(jù)的安全；遙測終端支持遠程管理功能，管理平臺可以實現(xiàn)遠程對終端模塊的配置、升級等，便于維護。

3.6效果

（1）按系統(tǒng)權限，各管理所管理人員可實現(xiàn)對管轄范圍內的水泵進行遠程授權管理。抽水用戶在獲得通電授權后才能進行水泵啟動操作，徹底摒棄了原水泵啟動無法落實精細化運行監(jiān)管問題，進一步規(guī)范了用水和供水管理，管理所只做供水授權管理，用水保持原有方式不變，權責分明。

（2）通過遙測終端采集水泵電流信號，實現(xiàn)對各泵站水泵的運行狀態(tài)監(jiān)測和累計時長統(tǒng)計，各管理所通過監(jiān)測數(shù)據(jù)，對超時、超量抽水用戶給予通知警告。西干渠管理處通過歷史數(shù)據(jù)分析，能夠精確掌握各管理所、各水泵月度或年度抽水時長或抽水量，為供水用水提供科學的決策依據(jù)。在保障沿線供水需求的同時，嚴格控制總量，推進水資源節(jié)約集約利用，全面落實“四水四定”工作。

4結束語

采用4G物聯(lián)網(wǎng)遙測終端實現(xiàn)對管理處轄區(qū)內水泵的遠程授權管理后，有效克服了傳統(tǒng)人工巡查方式的精力不足、缺少24h智能化監(jiān)測手段等問題。4G物聯(lián)網(wǎng)遙測終端配合云端和管理端的業(yè)務系統(tǒng)，以技術成熟、工程改造量小、易布署、成本低等優(yōu)勢，為管理處對直接在干渠抽水的泵站管理，搭建了一個便捷高效、安全可靠、低成本的智能化監(jiān)測方式，降低了人工管理成本，提高了管理效率，確保了灌區(qū)用水精細化管控，保障了水資源節(jié)約集約利用。