電力提灌水利工程泵站信息化技術的應用分析

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、機電動力、提水機等設備，將低處的水引到高處，以此滿足灌溉要求，多用于農田水利工程中，對農田的水源補給起到重要作用。基于此，本文以泵站提灌為例，以泵站信息化關鍵技術為研究對象，分析泵站信息化系統的組成結構，總結系統設計應用，為相關工作者提供可借鑒性經驗，從而充分發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，中國全面打贏了農村飲水安全脫貧攻堅戰，農村水利水電工作持續向好，基本完成了規劃內大型灌區節水改造任務。積極實施重點大中型灌區提灌技術，可以有效緩解水資源供給不足問題，逐步加強農村節水灌溉項目與現代化信息配套技術的銜接，加快農村水利工程泵站信息化步伐。尤其是高揚程電力提灌項目，可以有效緩解供水與農業需水之間的矛盾，提升農田抗御自然災害的能力，泵站信息化綜合保護功能的作用逐漸發揮出來。

2 提灌水利泵站系統的組成

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

圖1 提灌泵站信息系統的基本結構圖

從圖1中可以看出，提灌泵站信息系統的現地控制級包括PLC測控、微機綜合保護這2個部分，主要負責水位、工作電壓、輔助設備、機組功率、水量、揚程等參數的采集和處理，并且PLC測控由S7-300 PLC構成，泵站微機綜合保護由電機保護、電容保護、進線保護構成，并在主控計算機的輔助下，做好事故報警、數據分析計算、數據庫管理、發布控制指令、視頻監控等工作。

3 提灌泵站信息系統的關鍵技術

3.1 通信技術（Communication）

通信技術的主要功能就是實現多功能電量表、泵組保護裝置之間的通信，確保泵站網絡內設備之間的數據傳輸，安全可靠性高，傳播速度快，一般采用Modbus通信規約，遵循開放系統規則，LCU與系統內各工作站之間形成通信網絡，向上一層發送數據采集和事件信息，最終通過RS232/RS485接口對泵站內各智能裝置進行通信。

3.2 智能控制技術（Intelligent control）

智能控制技術就是指通過智能分析，對流量泵的規格進行選擇，根據管道壓力、用水量變化、泵組效率分析在提灌過程中是否會出現泵房積水、管道運行受阻、盤根漏水、管道滲漏等情況，利用遠程控制技術，實現遠程控制權限的切換，控制水泵的啟停和流量，通過站級實現泵組與控制對象的保護系統相配合，最終實現系統異樣監測。

3.3 信號處理技術（Signal processing）

信號處理技術主要包括以下2個方面：模擬信號處理、數字量和數字參數信號處理[2]。其中模擬信號處理就是指對泵組的真空系統真空度、進出水壓力、泵組轉速、引渠水位進行計量和計算，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+電動閥門開度傳感器）→經過PLC模擬量采集模塊→利用以太網進行傳輸，之后通過計算機軟件，實現語音報警，并且報警點可以利用報警系統對報警位置進行測定，技術人員之后對報警原因進行分析。其次，信號處理技術也可以應用到溫度查詢和電、水流量的查詢，其中溫度查詢流程為：測定電機線圈溫度+水泵軸承溫度+室內外溫度+電機軸承溫度，之后利用RS485溫度巡檢儀，通過計算機軟件，實現語音報警。在數字量和數字參數信號處理中，該項信息化系統可以對泵站的狀態進行監測，比如各閘閥的開閉狀態、泵站輔機設備的狀態、機組運行狀態等，利用計算機系統進行以太網通訊，最后通過報警點識別播放報警位置及報警原因。

3.4 故障診斷技術（Fault diagnosis）

在提灌泵站信息系統建設過程中，系統已經對泵組運行時的參數進行調整和控制，比如蓄水池水位的越限報警閾值、水渠水位閾值等。通過信息化和自動化技術，系統可以定時掃描檢查各故障狀態信號，故障信息窗口直接彈出在網絡屏幕上。如果重要機電設備發生事故，技術人員可以調出事故前采樣數據，根據實際發生情況，對系統中的數據閾值進行改變和二次設置。

4 提灌水利泵站信息技術的應用

本文以景電灌區續建配套與節水改造項目為例，利用灌區智能信息化管理方法，設計提灌水利工程泵站信息化系統，灌區每年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功率大小不同，閘站數量、種類多，并且不能實現自動化和信息化提灌，因此在該地區實施泵站遠程監測方法，自動控制提灌水利工程，在信息技術的加持下，實現對閘門的遠程監測，可根據灌溉需求控制流量大小，計算出灌溉流量，大量節省人力，提高設備使用壽命。具體設計和應用方法如下。

4.1 系統設計

在提灌地區，由于農田覆蓋面較大，并且環境比較惡劣，利用GSM技術在一定程度上可以實現提灌的遠程設計和控制，技術人員利用CPU進行采集數據的處理和分析，當管理控制中心發送指令時，經過GSM模塊。對采集數據和設備運行狀態進行及時顯示。在硬件設計中，經外圍電路與數據存儲模塊，電力提灌水利工程泵站將LPC2132作為主要控制核心，并通過傳感檢測模塊，直接進行泵站管控，在EEPROM存儲電路設計過程中，技術人員應該以ARM7內核芯片運行相適應的供電電壓為主，經三端穩定源LM7812，直接進行泵站管控。將+24 V轉換為振動傳感器工作電壓+12 V，并選擇+12 V鋰電池，將I2C接口的CAT1025芯片作為外部存儲裝置[3]。當主電源無法供電時，技術人員可以選擇功耗較低的LPC2132（32位單片機），進行數據處理核心模塊設計，順利保存多級控制號碼；也可以采用外部11.059 2 MHz晶振，計算電機功率因數，利用可編程數字溫濕度傳感器對泵站內環境溫度進行測試，測溫范圍-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出水位進行監測。

在軟件設計過程中，選擇ARMDeveloper Suit開發環境，設計涵蓋前臺程序和后臺事態驅動的模塊，不間斷核查各任務是否與執行要求相符，利用JTAG仿真器，組建無線循環程序，將該種程序作為提灌水利工程泵站信息化系統的核心，以main函數作為C程序執行點，將新SMS編碼作為數據包，通過調度函數完成操作，保證數據監測和發送的速度。也可以將AD轉換器（LPC21 32特有的）作為基礎，讓數據在RS232.TC35i間傳遞，最終實現數據發送、接收過程的實時顯示。其次還應該做好現地監控層、網絡層、遠程監控層設置，其中，現地監控層主要包括智能三相電采集模塊設計、GPRS無線傳輸設計、可編程邏輯控制器（PLC）設計、觸摸屏模塊設計、模擬量采集模塊設計。管理人員通過遠程控制終端訪問數據，利用無線遠傳模塊，在網絡層將數據傳輸到服務器中，技術人員和相關管理者就可以實時了解泵站運行狀態。

4.2 調試應用

在系統調試過程中，主要是對信息系統和終端功能、現場運行進行測試，比如，技術人員對核心軟硬件設備進行調試，現場總線采用Profibus DP，結合智能馬達、智能化綜合保護裝置，對接配備Modbus現場總線，調度人員對系統中的噸水耗電、總供水量、總耗電量（泵站）、水泵啟停狀態與通信技術、傳感技術、LUC技術、遠程監控設備等進行自動檢測，最終得出變電站供電電流調度指令，分析當前提灌電能信息。終端功能就是指在信息化系統軟件設計完畢后，逐一測量傳感器模擬參數，確定輸出電壓與要求相符，之后通過電阻并聯與串聯，確定終端功能的使用是否正常，與對應輸出數據相對比，數據指標主要有出口壓力（kPa）、流量（m3/h）、輸出功率（W）、轉速（r/min）、效率（%）、揚程（m）、功率（W），之后對給出現場具體測試值，分析水泵性能的直線特征。現場單機測 定值如表1所示。

表1 現場系統調試測定值

除此之外，該提灌區信息化監控系統也可以對土壤墑情進行監測，設置泵船監測站，監控中心與監控站之間均采用GPRS通信，采集電機溫度、泵站運行狀態等信息，現場均為10 kV水泵機組，每個測點采集3層土壤濕度，并根據采集的溫度、濕度、光照度等數據信息，支持越限報警，實現自動化報警；有利于水池水情實時測報，實現了灌區供水遠程控制，達到灌溉用水目的，使得水資源得到優化配置。同時，技術人員和管理者還可以利用手機APP遠程訪問，通過監控軟件，當數據異常時系統可以自動發出警報，自動控制取水泵組運行。

4.3 相關啟示

從本次案例中可以看出，提灌水利工程泵站信息化技術的應用可以實現農業灌溉用水的科學化和集約化，在調水方面發揮著較大作用，因此在今后工作中，相關水利部門和農業部門應該進一步開展泵站自動化技術研究，提高自動化系統監測科學性和準確性。還要使用經濟適用性較強的泵站自動化監測技術，在必要時應該增加科技投入，提高泵站現代化管理水平，減少泵站自動化方面的維護支出，也可以與科研單位開展合作，加大宣傳力度，鼓勵自動化公司與項目負責單位合作，為提灌自動化項目提供技術人才與管理人才，尤其是技術人才。相關部門應該加大對大數據技術和云計算技術的學習和應用，做好對提灌泵站自動化系統中水文數據庫、水閘控制數據庫、辦公管理數據庫、遠程監控數據庫、故障信息數據庫的監測，優化各類設備的操作記錄。通過該種方式，實時接收數據，學會使用手機APP遠程訪問，對干渠視頻監控界面、泵站監控界面、明渠流量監測界面的歷史數據和實時數據進行分析，保證系統中數據可以實現共享，確保數據文檔能以圖、文字形式輸出，以此拓寬泵站自動化、信息化宣傳路徑和渠道，制定相關優惠政策，使灌排泵站更好地發揮效益。

5 結束語

綜上所述，利用泵站提灌信息技術，可以有效解決重點中型灌區水資源供給不足問題。因此相關技術人員應該做好現地監控層、網絡層、遠程監控層設置，通過遠程控制終端訪問數據，監控中心與監控站之間均通過GPRS通信技術，通過站級實現泵組，與控制對象的保護系統相配合，對盤根漏水、管道滲漏等情況進行實時監測，最終實現農業灌溉用水的科學化和集約化。