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)

我國作為世界水利大國，要想更好地發(fā)展國民經(jīng)濟就要重點發(fā)展水利工程。水利工程中一個重要的組成部分是農(nóng)業(yè)提灌工程。我國大部分農(nóng)業(yè)提灌工程都設(shè)置在偏遠的地區(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較大的作業(yè)壓力、自動化程度不高、安全性和平穩(wěn)性差、不能可持續(xù)性的利用資源等問題，不能滿足現(xiàn)階段水利工程發(fā)展的實際需求。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)實意義。

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

1.1 機電設(shè)備存在的問題

據(jù)調(diào)查，我國農(nóng)業(yè)提灌工程所用的水泵機組大多還是20世紀(jì)后期的產(chǎn)品，這些水泵機組長時間的運行，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（淹沒前池進水管口），還是會出現(xiàn)汽蝕，經(jīng)維護后勉強運行，但是運行效率不足泵的60%。和水泵組配套的電機大多也是和水泵同時代的產(chǎn)品，電機也有明顯的缺陷如漏磁大、起動特性差、絕緣等級（定子繞組）不合格等。我國大部分農(nóng)業(yè)提灌工程所使用的電機只是勉強運行，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、噪聲大的問題。電纜大多是油浸式電纜，由于使用時間長、運行條件差等原因?qū)е码娎|的絕緣性能嚴(yán)重降低，對設(shè)備和人身安全都有著重大的威脅。中控室沒有控制保護設(shè)備，將保護設(shè)備安裝到一次屏柜上，操作極易出現(xiàn)失誤，且振動大。進出口閘閥由于頻繁操作，再加上使用的時間較長，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，在運行過程中極易出現(xiàn)脫落閘板的問題。由于閘閥（出水）不能自動止回和消弱水錘，一旦由于事故導(dǎo)致停機，就極易導(dǎo)致管道和管道附件破裂，破壞水泵和電機。

1.2 金屬結(jié)構(gòu)方面存在的問題

我國農(nóng)業(yè)提灌工程的進出水管大多已經(jīng)使用30多年，經(jīng)過磨蝕（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年代還沒有對壓力出水管設(shè)計造型，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)泄露問題，造成管坡下沉和管道脫節(jié)等問題，雖然能夠勉強運行，但是具有較大的安全隱患。前池攔污柵嚴(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，機組不能平穩(wěn)正常運行。

1.3 通訊設(shè)備存在的問題

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)屬于實時監(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)、采集微機保護設(shè)備信息、優(yōu)化調(diào)度運行、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用功能、可靠運行、價格適中、技術(shù)過硬、方便維護、推廣簡單等，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)備通過光纜連接監(jiān)控層進行連接，數(shù)據(jù)傳輸通過以太網(wǎng)。另外監(jiān)控設(shè)備還能夠通過現(xiàn)場總線技術(shù)連接現(xiàn)場其他設(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

3.1 硬件設(shè)計

控制核心為LPC2132，外圍電路連接數(shù)據(jù)存儲模塊、控制電路（繼電器）、檢測模塊（傳感）、人機對話接口、GSM模塊，對泵站的電源、存儲電路（EEPROM）、核心模塊（處理數(shù)據(jù)）、監(jiān)測模塊（泵站信息）等直接管控。首先設(shè)計電源、存儲電路（EEPROM），技術(shù)人員設(shè)計與運行內(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）記錄累積抽水時間、時間（當(dāng)前抽水）等信息。其次，設(shè)計核心模塊（數(shù)據(jù)處理），技術(shù)人員可以選擇單片機（32位、LPC2132），該模塊的優(yōu)點是功耗低、 運行平穩(wěn)、控制終端結(jié)構(gòu)緊湊性高、成本低等。最后，設(shè)計信息監(jiān)測模塊，電氣參數(shù)監(jiān)測對象為三相交流電流、三相交流電壓，對電機功率因數(shù)進行計算，判斷電機情況。技術(shù)人員測量溫度、濕度（泵站內(nèi)環(huán)境）的時候使用SHT11；監(jiān)測集水池液位、進出水口水壓使用投入式液位傳感器、數(shù)字電接點壓力表。

3.2 軟件設(shè)計

農(nóng)業(yè)提灌工程信息化系統(tǒng)使用ARMDeveloper Suit開發(fā)環(huán)境、JTAG仿真器以建立新工程的方式設(shè)計軟件，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)計應(yīng)用程序模塊喲啊包括前后臺程序、無線循環(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)測和調(diào)度三相電壓，置標(biāo)準(zhǔn)位A=0時啟動電機。泵站信息化系統(tǒng)實現(xiàn)通訊的關(guān)鍵是GSM程序及RS232串口通訊程序。設(shè)計程序（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)換時鐘的獲得是通過給bit0-bit7差異化賦值。數(shù)據(jù)發(fā)送、接收過程通過LCD設(shè)備實時顯示，這個過程的基礎(chǔ)是16×16點漢字、16×8點ASCII字符集（CMD12864內(nèi)含簡體中文字庫）。

4 農(nóng)業(yè)提灌工程使用信息化系統(tǒng)的測試工作

4.1 測試終端功能

設(shè)計完成農(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)，對傳感器模擬參數(shù)進行逐一測量，連接AD轉(zhuǎn)換器，對模擬參數(shù)值（液壓檢測、電量參數(shù)檢測等）進行計算。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）、蓄電池負(fù)極間，利用萬用表測量兩端電壓（串聯(lián)電阻）。確定終端功能正常后連接信號和遠程控制箱。

4.2 測試現(xiàn)場運行情況

現(xiàn)場測試基地選擇一個農(nóng)業(yè)提灌工程，連接電動球閥開關(guān)和控制器，檢測相關(guān)參數(shù)，判斷電機運行情況。然后把監(jiān)測參數(shù)以兩種方式（主動上報、被動查詢）發(fā)送至主機。電機工作正常運行狀態(tài)下抽水：UA（216V）、IA（56A）、UB（221V）、IB（52A）、UC（222V）、IC（52A）、電機溫度（64.5℃）。管理人員能夠遠距離監(jiān)控這些運行狀態(tài)參數(shù)管理泵站，操作簡單、方便、效率高。

5 結(jié)束語

通過對信息化系統(tǒng)（農(nóng)業(yè)提灌工程）進行測試（現(xiàn)場運行）證實，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)無人值守泵站的目標(biāo)。因此，相關(guān)技術(shù)人員要對泵站終端功能、規(guī)格（接口）、原則（組成）進行科學(xué)的分析，搭建核心為LPC2132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。