農村泵站工程智能化技術的改造研究

何健偉

（江門市蓬江區棠下鎮農業綜合服務中心，廣東 江門 529000）

泵站是水利工程中的氣壓動力和液壓動力裝置站點，其運行具備一定的壓力和流量。泵站的主體是由電機、水泵、油箱等組成，還包括其他附屬設備，可以按照泵站的具體需要進行增減。而在傳統泵站的構建中，基于老舊的設備和落后的技術，泵站的運行效果不佳，因此，進行合理的升級改造，提升泵站的運行作用是勢在必行的舉措。本文分析了泵站改造的必要性、農村泵站存在的問題，提出了智能化技術的改造策略。

1 農村泵站智能化改造的必要性

1.1 農業生產和居民生活的需求

大多數農村泵站的主要功能是農業灌溉、排澇以及提供居民飲水，可以通過泵站強大的輸水功能，為灌溉以及村民生活提供安全、足量的水源，特別是在枯水期農田需要供水的情況下，泵站的工作效率會對農作物的產量造成直接的影響。在傳統的農村泵站中，多數是老舊的設備，性能減退嚴重，而且都是靠人工管理，費用高、效率低，嚴重影響農田灌溉的效率，因此對這些泵站進行智能化的技術改造具有重要的意義。農村泵站結構示意圖如圖1所示。

圖1 農村泵站結構示意圖

1.2 水利工程效益的需要

泵站是水利工程的重要設施，可以發揮調節水能的作用，提升水利工程的運行效益。但在傳統的泵站建設中，設計不夠嚴謹，技術水平低下，設備功能不全面，在運行中需要大量的人力、物力和財力，制約了水利工程的實際效益。對泵站進行智能化的升級改造，可以顯著優化泵站的功能，讓水利工程的價值大幅度提升。

1.3 節能減排目標的需要

目前，我國在經濟發展中要求節能減排，要發揮綠色生產效益。而傳統的泵站在工作效率、能源應用方面缺陷十分嚴重，在同等能源消耗的基礎上工作效率難以提升，所以，加強泵站的升級和改造是環保工作節能減排目標實現的根本需求[1]。

2 農村泵站工程存在的問題

2.1 環境問題

農村泵站的主要作用就是灌溉和居民飲水，但很多農村泵站都在復雜的自然環境中建設，不但距離村屯較遠，還道路崎嶇，同時泵站管理人員多數是老年人，在操作中效率低下。以上這些因素都導致泵站運行中的諸多問題發生，難以滿足新時期農村對水利工程的需求。

2.2 人員問題

因為農村的泵站工程資金不足，加之相關的管理人員素質不高，在設備更換的過程中技術含量極低，嚴重影響了農村泵站運行的工作效率，泵站的水利工程價值難以發揮。同時在檢查設備的時候，管理人員通常采用一般性的維護，缺乏故障隱患的針對性，造成泵站設備經常發生故障。

2.3 管理問題

“重建設，輕管理”現象一直是農村泵站管理中的問題，管理人員因為年齡大和素質的因素，只是按照自己的管理經驗進行設備維修，同時因為不斷地更換設備需要考慮資金投入問題，在泵站設備選擇上難以保證質量，不僅影響了泵站工程的運行效率，管理人員的作用也難以發揮。管理者在日常的管理工作中沒有參考依據，更不具備執行力，讓農村泵站的運行效果大打折扣[2]。

3 農村泵站工程智能化技術的改造措施

3.1 泵站動力機的選擇

3.1.1 泵站動力機的選型

泵站動力機通常分為兩種類型，即交流同步和交流異步電動機。同步電機可以確保工作的穩定性，也可以對電網無功功率進行補償，但缺點很明顯，不僅需要很多輔助設備而且控制環節也極其復雜，導致成本高、故障率也高，通常在大型泵站上應用。與同步電動機比較，異步電動機具備顯著的優勢，主要表現在結構和控制系統簡單、無需過多輔助設備、操作簡便且可靠性高、費用小等優勢，雖然異步電機也存在啟動需要大電流、偏低的功率因數，對啟動方式和電源容量要求較高的缺點，但其優勢明顯，正成為同步電動機的替代品廣泛應用在泵站的動力系統。所以，本研究選擇10kV的交流異步電機為泵站的動力機型。

3.1.2 選擇電動機的起動方式

通常電動機包括降壓啟動和直接啟動兩種方式。以不超過電源容量的30%作為電動機啟動的功率，降壓啟動一般會利用兩種模式，即Y/△變換軟起動和直接啟動。軟啟動器利用三相正反并聯晶閘管作為調壓器，通過對晶閘管上的觸發脈沖角位置的合理改變，逐漸增加晶閘管的輸出電壓，推動電動機的平滑啟動在平穩加速中實現，被迫降低啟動電流后，電機的轉數為額定狀態時，發揮旁路接觸器的作用，已經完成任務的晶閘管會被軟啟動器取代，電機的運轉在額定電壓下進行，轉數緩慢下降到零，可以完全杜絕自由停車帶來的轉矩沖擊。常規狀態下，都會選擇軟啟動模式作為電動機降壓啟動模式。

3.1.3 選擇電動機調速方式

通過兩類方式調節水泵變速：一是不改變電動機轉速的情況下，傳動裝置的調整可以利用水泵與動力機之間的傳動裝置完成，即傳動裝置輸出轉數改變水泵的工作轉速。二是利用改變動力機的自身轉速調節水泵的轉速。

3.2 應用泵站智能控制技術

該技術的應用要點是，水泵的工作啟動要按照河道水位的變化情況決定，通過智能式水位實時監測系統實時掌握水位情況，同時將水位的高度變電壓信號，以此管控電機的啟動和停止，實現泵站的智能化管理。電動機的控制可以通過智能和手動兩種模式。手動方式作為應急的工作模式，一般會在智能控制出現故障時應用。智能式水位實時監測系統主要包括上位機和下位機兩個部分。水位的高度是由下位機監測，構成電信信號與上位機的通信載體，而上位機則是負責采集、傳輸、處理信號。

3.3 安裝水泵智能控制柜

3.3.1 將水壓傳感器安裝在水泵出口

水泵開機120s后，水泵的出口壓力測試是由安裝在水泵出口的水壓傳感器實現，以水泵開機120s為參考，如果出口壓力不超過設定值，那么就可以判斷是泵發生故障，要及時停機；在水泵的整個運行中，如果出口壓力穩定在開機最大壓力的30%，就可以判斷水源和水位在逐漸下降，有可能產生干抽現象進而損壞水泵，要及時進行停機，同時向手機用戶推送故障消息，提醒相關人員及時到現場檢查故障。

3.3.2 檢測處理電壓與相序錯誤

無論是開泵時還是水泵運行過程中，網電電壓過低都會損壞水泵的電機，因此設計特別的保護程序，原理為：水泵沒有啟動之前，如果檢測到的網電電壓低于額定電壓的10%，那么就要等到電壓正常后再啟動，同時向相關用戶推送消息；在水泵的工作過程中，如果檢測網電電壓沒有超過額定電壓的10%，就要馬上停機，同時向相關用戶推送消息，確保因為低電壓損壞水泵的事故不會發生。

3.4 下位機程序改造

下位機軟件程序是由串口中斷服務程序和主程序組成。主程序的操作涵蓋VDD2的上電延時、水位數據采樣及處理、PCF8563時鐘信號讀取及貯存、I’CII8563定時計數啟動、掉電狀態進入程序、掉電狀態中斷等模塊所構成[3]。

3.5 人臉識別和無人值守

將人臉識別系統設置在泵站門口，員工進入泵房必須通過人臉識別，讓泵站的安全性大幅度提升。泵站內的電子屏幕上將不同角度的監控畫面實時地顯現出來，甚至水箱頂部的情況也顯示得一清二楚。所有的畫面都實時連接遠程監控終端，利用無死角的實時監控和自動化控制完成泵站的無人值守。而在本次泵站工程改造中，利用雙格不銹鋼水箱以及多臺可以交替使用的大流量水泵，引進高度智能化的變頻控制系統，實現智能化的恒壓供水。如果泵房內設備發生故障，會自動向監控平臺進行實時報警。同時，泵站內的備用設施也具備自動開啟功能，確保整個泵站在穩定狀態下供水。本次泵站智能化技術的改造，顯著提升了泵站的運行效率和管理效率，實現泵站的功能升級。

3.6 電動機電氣控制改造

泵站水泵操作水位標準通常按照水泵的排水流量、河道警戒流量以及水位進行確定，倘若是三臺機組參與，就要對最低兩臺機組水位條件以及全部水泵條件進行確定，以此為基礎，確定監測系統提供的電壓信號的大小，該電壓信號即為操作三臺機組啟閉的信號，在改造電機控制線路的過程中，控制電路能夠通過PLC促進監控信號組成，也可以通過控制電路合理改造不同電機開關操作控制裝置，即為并接和開啟線路中信號控制下的常開的繼電器觸電，并且與手動控制回路進行聯鎖，實現兩種控制模式的互相補充，以保證智能控制系統失靈時應用手動裝置[4]。

3.7 大數據在農村泵站的有效應用

3.7.1 應用大數據判斷供水管道破裂

在泵站供水系統中，供水管道從幾百米到幾公里不等，如果發生因為泥石流、施工等因素造成的管道破裂，異常狀態產生后能夠馬上將消息推送給用戶程序，針對水泵開啟后水池水位的升高程度，通過服務端程序進行詳細記錄，例如，水泵開始工作后30分鐘水池水位升高30cm，倘若現狀的水池水位比較歷史水位超過50%，就要向手機用戶及時推送消息，提醒相關人員到現場勘查[5]。

3.7.2 惡劣天氣的氣象大數據應用

本改造方案中的人工智能蓄水機器人智能云服務程序，有效對接了氣象網實時天氣預警大數據，針對所有的設備通電，都可以進行所處經緯度的自動檢測，向服務器上傳數據，并通過氣象網向用戶的手機推送信息，同時預警信息的推送需要提前2小時進行；提醒用戶制定科學合理的相關應對惡劣氣候的工作方案。

綜上所述，在農村的泵站工程改造過程中，必須從現有的基礎設施做起，從解決城鄉居民需要為出發點，根據量力而行、高效節能、因地制宜、安全運行、全面規劃、注重實效、突出重點、分期實施的原則，進行農村泵站的智能化技術改造工作。對年久失修的農村泵站進行科學合理的技術改造，針對那些性能差、能耗高的設備進行更新換代，并且合理拆除合并小的泵站，有效提高農村泵站的智能化水平。本文通過上述對泵站的智能化改造，實現了全天候的自動化管理的目標，真正做到了無人值班或者少人值班的效果。