水利信息化及自動化設計分析

【摘要】本次設計的水利自動化與信息化工程示范點為九門寨片區，試點區工程實施面積為2250畝。控制對象分別為灌溉管網的干管、分干管等重要分水處等。實現干管、分干管水量自動計量、測壓及自動輸配水、IC卡預付費管理等功能。實施方式建議以省水利廳為技術指導單位，依托小型水利工程建管養用一體化實施方案，形成建管養用一體化的良性運行管理機制，使其長期發揮效益。

【關鍵詞】九門寨片區；水利工程；信息化；自動化

1.試點區建設內容

（1）試點區主要干管、分干管集成自動測流、測壓及自動輸配水功能于一體。試點區干管、分干管等重要管網分水處均自動測流、監測壓力。實現基于管網系統的水資源優化配置，科學指導農業灌溉，達到節水節肥，保護環境等目的。

綜合貴州雨熱同期及采用低功耗控制設備等因素，系統建設應優先考慮低功耗設備，采用大容量綠色太陽能供電（太陽能板130AH，太陽能蓄電池100W），可確保系統在無光照惡劣天氣條件下，太陽能蓄電池持續穩定運行20-30天。兼具先進性與穩定性，安裝使用和維護便捷，節能降耗，長期運行成本低的優勢。

（2）便捷的控制和管理方式。控制分現場點控、展示廳（管理房）群控、遠程網絡片控三級進行，用戶可自由選擇任何一種控制方式，還可采用手機短信的方式實現控制。管理方采用多級模式，可設置不同權限的訪問模式，保護系統和數據庫的安全。

（3）不同片區以土壤墑情為重要的灌溉指標。同時兼具測流、自動測壓及超限報警功能。能按預設需水量的限值要求定時、定量、按計劃進行灌溉。并能根據作物不同生長階段的需水量要求，實現無人值守的智能灌溉，節水30%以上。

（4）C卡預付費管理系統。1）利用 IC 卡的控制閥門的開啟與關閉，來完成灌溉與否的功能。以一個用水會協會（分會）或水管單位為一個管理單位集中管理 IC 卡的充值、費率計算和總量記錄等功能。2）先交錢后使用，可杜絕水費遲繳、拖繳、漏繳等問題。提高水管理的經濟效益。3）采用IC卡灌溉管理系統，具有預先收費、收費標準公開、收費過程動態可見、不需專人值守等特點，從而較好地解決稅費拖欠的問題，同時，可有效利用價格和費率調節，引導用戶采用節水方式進行灌溉，提高用水經濟效益。4）無需管理人員參與，可實現農業灌溉用水的準確計量和智能化管理。5）緊密配合我省農業綜合水價改革，可設定階梯水價、超定額累計加價等多種水價計費方式。體現水的稀缺性和商品屬性。

2.試點區控制系統建設

試點區共6個控制單元（包括農業IC卡預付費控制系統）

水利自動化與信息化建設實現土壤墑情監測及自動灌溉控制、IC預付費管理系統，集遠程數據采集、自動控制、壓力調節、流量調節為一體的綜合控制系統。

2.1 系統框架設計

根據管網布置圖，設計系統總體框架圖如下：

（1）試點區現場控制閘閥井分站安裝在現場干管處，共設置6個閘閥井分站，共控制6個大電磁閥，對應采集分干管處流量、壓力、并通過大電磁閥的啟閉實現管網輸配水。

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卡預付費管理控制機，通過預先繳費及農業水價綜合改革確定水價，進行調節，實現預先繳費，用水量動態監測，解決收費難問題；

（3）灌溉遠程控制系統。軟件的安裝調試應充分考慮二次開發的要求，突破不同企業間的技術門檻，建議采用通用編程軟件開發。

該控制系統目前已在我省多處示范園區、高效節水灌溉試點進行安裝及成熟應用，具有系統集成度較高、擴展性能較強，運行穩定，操作簡單方便的特點。具體見圖3。

2.2 灌溉控制系統設計

（1）灌溉系統說明

①現場控制級以閘閥井為核心，安裝在干管分水處。共設置6個閘閥井分站，1個主站設置在自動化展示廳，用于中心控制；

②分別控制6個dn110的大電磁閥獨立工作，實現按照不同灌溉方式的自動灌溉。

③采用監控管理級（主站PC+ internet+網關）、灌溉區現場控制級（分站+擴展模塊）多級的分布式控制（DCS）方案。

④監控管理級設在自動化展示廳內，灌溉區現場控制級分布在灌溉區，水泵房控制級設在水泵房內。

⑤現代農業同時打造IC卡預付費水費征收管理系統6套，設置于干管、分干管處。

⑥灌溉區域所有電源均采用24V安全電壓，并具有良好的接地保護。

（2）灌溉區現場控制級（分站+擴展模塊+GPRS）

布置在試點區的6個現場控制級，通過干管對片區控制進行控制，具有根據作物需水狀況自適應灌溉的功能，并兼具手動、自動灌溉、定時、定量，根據灌溉量（濕度差）、時間自動計算和開度調節及壓力調節等功能。

現場控制級除均能自動監測并動態顯示流量、壓力、及其土壤濕度等參數， 并能控制現場的電磁閥和調節閥，能按預設的灌溉計劃要求定時、定量地按照作物不同生長階段的需水量要求進行灌溉。并能顯示現場的實時數據和查看歷史數據和趨勢，設置報警和控制的上下限值和趨勢圖。灌溉區現場控制級界面采用5.7寸真彩界面，控制柜以閘閥井位基座進行安裝。

布置在灌溉區的現場控制級，應牢固安裝，設備箱表面應有簡單使用說明、單位標識、標志、防雨、密閉性良好。

2.3 智能IC卡控制軟件設計

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，可擴展為遠程自動抄表功能。上電復位后，單片機進入初始化狀態，對系統外部中斷0、中斷1進行掃描，當掃描到有效刷卡，中斷0 有效，單片機讀寫IC卡信息，若IC卡信息顯示有剩余水量存在，并通過驗證為合法用戶，即打開閥門，施行灌溉動作，同時流量計對用水流量進行計量，并采取相應的扣水處理。若用戶想立即結束本次灌溉操作，需再次刷卡，系統自動關閥。若IC卡信息顯示剩余水量不足或為0，以及當前用戶為非法用戶，則系統開始報警，同時關閉電磁閥，系統進入待機狀態?？刂葡到y軟件開發采用uVision4集成開發環境，編程語言采用Keil C51，在可讀性、結構性、功能上、可維護性上有明顯的優勢，簡單易用，它是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發系統。Keil提供了一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發方案，包括宏匯編、C編譯器、庫管理、連接器。充分利用C8051F310嵌入式操作系統RTX5l Tiny，RTX5l Tiny按某種調度策略使應該運行的任務占用CPU來進行任務管理，同時要進行保存各任務在切換時的地址，即壓棧，方便便下次運行該任務時，能夠恢復運行。RTX51 Tiny的用戶任務具有以下幾個狀態。RTX51 Tiny 的任務狀態具有運行（RUNN- ING）、就緒（READY）、阻塞（BLOCKED）、休眠（SLEEPING）、超時（TIMEOUT）幾種；RTX51 Tiny內核用超時（TIMEOUT）、間隔（INTERVAL）、信號（SIGNAL）等事件進行任務間的通信與同步。IC卡控制軟件流程圖如圖5所示。

3.結束語

惠水漣江山區現代水利試點區灌溉二期工程，繼續秉承現代水利在惠水農業示范園區發揮重要的引領作用，以自動化和信息化技術為支撐，以水利的現代化推動農業示范園區的現代化，加速我省現代農業發展步伐。針對惠水特色蔬菜及水果開展現代水利自動化與信息化工程試點，成功應用后向全省乃至全國類似的農業示范園區推廣，示范作用突出，意義重大，經濟和社會效益顯著。

參考文獻：

[1]周祿琴. 貴州山區現代水利信息化及自動化建設探索[J]. 興義民族師范學院學報，2015，02：104-109.

[2]蔣斌，黃海田，王朝俊. 江蘇水利信息化與自動化的現狀及其發展方向[J]. 水利水文自動化，2010，01：19-23.

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