泵站信息化技術(shù)在農(nóng)田電力提灌工程中的運(yùn)用研究

摘要：隨著科技的飛速發(fā)展，信息化技術(shù)已經(jīng)滲透到各行各業(yè)，電力提灌工程領(lǐng)域也不例外。電力提灌工程作為農(nóng)田灌溉等領(lǐng)域的重要組成部分，其運(yùn)行效率和管理水平直接關(guān)系到水資源的有效利用和經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展。然而，傳統(tǒng)的泵站管理方式存在諸多不足，設(shè)備監(jiān)測不及時、運(yùn)行效率低下、故障診斷困難等，這些問題嚴(yán)重制約了農(nóng)田電力提灌工程的可持續(xù)發(fā)展。因此，將泵站信息化技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)田電力提灌工程，實(shí)現(xiàn)泵站的智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，已成為提升農(nóng)田電力提灌工程管理水平的關(guān)鍵途徑。基于此，本文立足于泵站信息化技術(shù)，對農(nóng)田電力提灌工程的運(yùn)用進(jìn)行探究，以供參考。

關(guān)鍵詞：泵站；信息化技術(shù)；農(nóng)田；電力；提灌工程

農(nóng)田電力提灌工程建設(shè)在推動國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有舉足輕重的作用，其建設(shè)和運(yùn)營水平直接影響到水資源的合理配置和高效利用。傳統(tǒng)的泵站管理方式已難以滿足現(xiàn)代農(nóng)田電力提灌工程的需求，信息化技術(shù)的引入為泵站管理帶來新的變革，通過信息化手段，可以實(shí)現(xiàn)對泵站設(shè)備的實(shí)時監(jiān)測、智能控制、故障診斷與預(yù)測維護(hù)等功能，從而大幅提升泵站的運(yùn)行效率和管理水平。

1 提灌泵站系統(tǒng)概述

電力提灌泵站信息監(jiān)控系統(tǒng)主要由現(xiàn)場控制級

（1級）和集中控制級（2級）構(gòu)成[1]。基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過圖1可見，在現(xiàn)場提灌泵站信息系統(tǒng)的主體部分為PLC測控單元和微機(jī)綜合保護(hù)單元，這兩個單元共同承擔(dān)著采集及計(jì)算水位、工作電壓、輔機(jī)、機(jī)組功率、供水量、供水揚(yáng)程等數(shù)據(jù)。其中，

S7-300PLC單元是PLC測控單元；在泵站微機(jī)綜合保護(hù)單元中由電機(jī)保護(hù)、電容保護(hù)、進(jìn)線保護(hù)組成，通過主控機(jī)來完成事故報(bào)警、數(shù)據(jù)分析計(jì)算、數(shù)據(jù)庫管理、命令執(zhí)行、視頻監(jiān)控等工作。

2 農(nóng)田電力提灌泵站系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 通信技術(shù)

主要利用通信技術(shù)來完成各類電力計(jì)量儀表與水泵保護(hù)系統(tǒng)間的交流，以確保水泵站內(nèi)的各類電子器件間資料流通的穩(wěn)定性與可信性都達(dá)到極致，其傳遞的速度也迅速無比，通常是利用Modbus的通訊協(xié)議，并遵守開源體系的規(guī)則[2]。LCU以及整系統(tǒng)當(dāng)中的各類站點(diǎn)完成溝通的網(wǎng)絡(luò)，把各種搜集的數(shù)據(jù)與事件的信息傳遞給上級，最終經(jīng)過RS232/RS485端口實(shí)現(xiàn)水泵站當(dāng)中各種智能化設(shè)備的通訊作用。

2.2 智能控制技術(shù)

智能化管理技巧是基于智能分析，選取合適的流量泵型號，并根據(jù)管路壓力、用水流量變化、泵組效率評定選擇出提高灌溉過程中可能出現(xiàn)的泵站蓄水、管路工作堵塞、盤根泄漏、管路泄漏等工況。采用遠(yuǎn)距離控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制授權(quán)切換，調(diào)控水泵啟停及流量，通過站點(diǎn)級別完成泵組與控制系統(tǒng)及安全保護(hù)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)管理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)異常監(jiān)測功能。

2.3 信號處理技術(shù)

信號處理技術(shù)分為兩種，一是模擬量數(shù)據(jù)處理，二是數(shù)字量處理的參數(shù)數(shù)字化[3]。其具體指的是對泵組真空系統(tǒng)中的真空、水泵進(jìn)口水壓、水泵出口水壓、泵組轉(zhuǎn)速、引渠道水位等信息進(jìn)行測量和處理。該操作首先要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、電機(jī)電動閥門開度傳感器）來接收信息，然后通過PLC的模擬量輸入模塊將其轉(zhuǎn)成數(shù)字，再通過以太網(wǎng)傳到電腦中，產(chǎn)生聲音報(bào)警。與此同時，此技術(shù)也可以通過溫度變化監(jiān)測水泵線圈溫度、水泵軸承溫度、內(nèi)外室溫差、電機(jī)軸承的溫度變化和對流量、電流量、水流量的記錄。在對溫度進(jìn)行監(jiān)測時，主要是測量電機(jī)線圈溫度、水泵軸承溫度、室內(nèi)室外的溫差、電機(jī)軸承的溫度，最后通過RS485溫度巡檢儀來完成溫度監(jiān)測，并在電腦中顯示數(shù)值的同時發(fā)出聲音警示。該信息化系統(tǒng)在對泵站數(shù)字量、數(shù)字參數(shù)信號進(jìn)行處理時，能監(jiān)控泵站各種閥門的開關(guān)狀態(tài)、泵站各類輔助設(shè)備狀況、機(jī)組工作狀態(tài)等，同時經(jīng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以太網(wǎng)進(jìn)行連接最終通過報(bào)警點(diǎn)以顯示并語音播報(bào)報(bào)警位置及報(bào)警原因[4]。

2.4 故障診斷技術(shù)

在進(jìn)行泵站信息化管理系統(tǒng)建設(shè)過程中，系統(tǒng)能夠?qū)崟r調(diào)度、控制水泵機(jī)組工作狀態(tài)的各項(xiàng)指標(biāo)，水庫超水位警戒線、渠道水位預(yù)警警戒值等，通過自動化、智能化的工作方式，定期檢查各類故障狀態(tài)信號，并在網(wǎng)屏中及時呈現(xiàn)出來[5-6]。在進(jìn)行關(guān)鍵設(shè)備、機(jī)電設(shè)備故障的時候，可以及時參考故障發(fā)生前的樣本信息，以觀察實(shí)際情況為基礎(chǔ)，修改、設(shè)定系統(tǒng)數(shù)值，限值范圍。

3 泵站信息化技術(shù)在農(nóng)田電力提灌工程中的運(yùn)用策略

3.1 實(shí)時監(jiān)測與遠(yuǎn)程控制

在農(nóng)田電力灌溉工作中，實(shí)時監(jiān)測與遠(yuǎn)程控制技術(shù)是泵站信息技術(shù)應(yīng)用中的關(guān)鍵和重要的應(yīng)用方式，由此可見，泵站對農(nóng)業(yè)灌溉的必要性和重要性。為了滿足準(zhǔn)確全面信息的搜集功能，技術(shù)人員在泵站關(guān)鍵區(qū)域以及農(nóng)田中各個區(qū)域設(shè)置有針對性且科學(xué)合理的一系列精密檢測儀器，其中，包括壓力檢測儀、流量檢測儀、農(nóng)田濕度檢測儀等精密儀器。這些敏感的檢測儀器就相當(dāng)于人的敏銳感覺器官，可以及時準(zhǔn)確地將泵站的具體工況，水壓變化、水流流速變化、農(nóng)田濕度等主要環(huán)境數(shù)據(jù)反映出來。

與此同時，基于先進(jìn)的4G物聯(lián)網(wǎng)將所搜集的大數(shù)據(jù)迅速及時安全地傳輸至互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺上，管理者可以隨時隨地啟動手機(jī)微信APP或者登錄計(jì)算機(jī)平臺，在第一時間獲得相關(guān)數(shù)據(jù)情況。通過直接的數(shù)據(jù)表達(dá)，管理者能全面、深刻地了解水泵和農(nóng)業(yè)園區(qū)的現(xiàn)況，及時發(fā)現(xiàn)異常，并適時做出正確的決策。

利用計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)，能有效地提升農(nóng)田電力灌溉泵站運(yùn)行管理水平和管理上的靈活性，進(jìn)而促使對泵站運(yùn)行操作方式從遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)變?yōu)榻嚯x精準(zhǔn)操作，進(jìn)行泵站泵水的開關(guān)、閥門的大小等操作，減少工作勞動力的配置，減輕人力支出。

3.2 精準(zhǔn)灌溉與節(jié)水管理

第一，進(jìn)行農(nóng)田精準(zhǔn)灌溉。優(yōu)化管理水資源、實(shí)行精準(zhǔn)灌溉與節(jié)約灌溉水資源管理措施的有效方法，其中一個重要的因素就是智能化技術(shù)的應(yīng)用，將農(nóng)田水分傳感器讀取的農(nóng)田水分信息和氣象部門提供的天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)相結(jié)合，科學(xué)有效地確定田間需要量。

第二，進(jìn)行農(nóng)田節(jié)水管理。節(jié)約用水管理開展的一個很重要的內(nèi)容，便是要建立完善的水資源管理體系，能全方位地了解到整個灌溉的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，渠道灌溉的用水率、田間灌溉的用水率等數(shù)據(jù)指標(biāo)。通過大量數(shù)據(jù)信息去了解、研究這些數(shù)據(jù)指標(biāo)，利用當(dāng)前最新的技術(shù)去實(shí)現(xiàn)對渠道用水率的動態(tài)監(jiān)測，并發(fā)現(xiàn)漏水的地方后及時進(jìn)行修補(bǔ)。

3.3 智能調(diào)度與決策支持

智能調(diào)度是泵站信息化系統(tǒng)的重要組成，也是農(nóng)田灌溉對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的最為重要的指導(dǎo)作用，基于大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的應(yīng)用，系統(tǒng)能夠?qū)Υ罅抗喔葦?shù)據(jù)信息進(jìn)行深層次分析，通過對以往灌溉、天氣、農(nóng)田等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，繪制出確切的蒸發(fā)曲線，給出詳細(xì)的用水?dāng)?shù)據(jù)，既給出水分的縱向分析，也為管理者對下一階段水分趨勢進(jìn)行預(yù)測提供依據(jù)。

該系統(tǒng)基于深度的歷史數(shù)據(jù)挖掘與分析，可以實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)灌溉模式或者切換備用方案，具有自我智能應(yīng)對突發(fā)事件的能力。當(dāng)發(fā)生暴雨、干旱等極端天氣時，可根據(jù)當(dāng)前氣象數(shù)據(jù)及農(nóng)田含水程度，重新制定灌溉方案。暴雨前適當(dāng)減少灌溉量避免農(nóng)田積水，干旱期迅速增加灌溉量確保農(nóng)作物正常生長。當(dāng)出現(xiàn)泵站故障后，亦可自動切換到備用方案，選擇可正常運(yùn)行的其他泵站或設(shè)備執(zhí)行灌溉任務(wù)，以確保灌溉系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。該種智能應(yīng)對災(zāi)變的應(yīng)對辦法使得灌溉工程有了更強(qiáng)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力，保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定開展。

基于數(shù)字孿生模型，可以為智能調(diào)度提供更多技術(shù)支撐。基于此，構(gòu)建農(nóng)田灌溉及排水過程仿真模型，進(jìn)而構(gòu)建農(nóng)田灌溉和灌溉數(shù)字孿生模型，管理者可以在虛擬空間中檢驗(yàn)不同灌溉方案產(chǎn)生的效果。在需要制定新一輪灌溉方案的過程中，將灌溉時長、灌溉量、灌溉方式等不同類型的灌溉變量作為參數(shù)導(dǎo)入到數(shù)字孿生模型中，并對模型結(jié)果進(jìn)行分析，從而更加客觀地選擇最優(yōu)方案實(shí)施。這是一種基于數(shù)字孿生的智能調(diào)度決策模型，也可以進(jìn)一步提升灌溉工程建設(shè)智能化水平，提升管理的效率性和科學(xué)性決策能力，為我們進(jìn)行智能化農(nóng)灌進(jìn)入更高層級管理開創(chuàng)了一個新途徑。

3.4 故障預(yù)警與維護(hù)管理

為保證泵站正常運(yùn)行，對設(shè)備在運(yùn)行中出現(xiàn)的問題及時進(jìn)行提醒，采用制定標(biāo)準(zhǔn)然后由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動激活警報(bào)的模式，在出現(xiàn)農(nóng)田灌溉泵站壓力過高、泵損壞以及閥門失靈的情況時，立即將相關(guān)信息通過短信、微信等方式及時提醒管理者，若在水泵運(yùn)行的壓力超標(biāo)的情況下，立即發(fā)出預(yù)警并提供包括水泵編號、壓力異常值以及異常發(fā)生的時間等及時的準(zhǔn)確信息給管理者。這種預(yù)警方式能第一時間發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行中的風(fēng)險(xiǎn)，以盡可能地避免因設(shè)備出現(xiàn)問題而造成的灌區(qū)損失。

在維保和運(yùn)維管理上也實(shí)現(xiàn)了建立運(yùn)維巡查管理系統(tǒng)，將維護(hù)管理變得智能化和高效化的管理方法。工作人員可通過維保手機(jī)應(yīng)用程序連接上維保巡查和保養(yǎng)、管理設(shè)備、監(jiān)控狀態(tài)等工作內(nèi)容，在巡查的過程中，可以通過應(yīng)用程序?qū)崟r記錄設(shè)備狀態(tài)、故障等信息，將該信息傳遞給維保巡查管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)對該信息進(jìn)行處理和分類以及分析，向工作人員呈現(xiàn)完整的設(shè)備運(yùn)行情況報(bào)告。而系統(tǒng)也根據(jù)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)、過去的運(yùn)行維修記錄，提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)指導(dǎo)工作人員完成精準(zhǔn)化的維保巡查工作，根據(jù)農(nóng)田灌溉水泵運(yùn)行的時間長度和磨損程度，系統(tǒng)可提前檢測水泵可能產(chǎn)生的故障，并向工作人員提示相應(yīng)的檢修計(jì)劃。該系統(tǒng)也可以進(jìn)行一鍵式提出檢修需求，若設(shè)備損壞，工作人員可使用維保手機(jī)應(yīng)用程序快速提出檢修要求，管理人員也可以即刻安排檢修計(jì)劃，加快了設(shè)備檢修的進(jìn)度和提高了服務(wù)質(zhì)量。智能化的維保工作方式不但可以延長設(shè)備的使用壽命，降低維護(hù)成本，同時還提高管理水平和維保服務(wù)品質(zhì)，保證泵站的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.5 一體化泵站與智能硬件

第一，一體化泵站是泵站信息化的主要組成部分，應(yīng)用在農(nóng)田灌溉中非常重要，從進(jìn)水和出水建筑物著手，應(yīng)用新的水力模型與結(jié)構(gòu)，大大降低水力損失，同時，改善水流動態(tài)，提高水泵運(yùn)行效率。新型的導(dǎo)向板和消能設(shè)施能減弱泵站水流形成的回流，進(jìn)而造成的水泵效率損失。

第二，通過利用現(xiàn)有通信技術(shù)建立起信息采集網(wǎng)絡(luò)與專家決策支持系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)泵站管理信息化與自動化。其中信息采集網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)時采集泵站的相關(guān)參數(shù)，水位、流速、壓力、電機(jī)溫度等參數(shù)，將它們傳輸至專家決策支持系統(tǒng)中。后者會根據(jù)事先定義的規(guī)則及算法對接收到的參數(shù)進(jìn)行分析、處理，然后反饋給泵站管理人員科學(xué)決策[7]。

第三，用智能傳感器設(shè)備構(gòu)建起來的智能硬體系提高了泵站自動化水平，其強(qiáng)大的傳感能力集中反映在監(jiān)測蓄水池的水池高程和泵房內(nèi)外的壓強(qiáng)、蓄水池的流量等方面，以監(jiān)測蓄水池內(nèi)高程、施肥罐的高程、灌水前和灌水后的壓強(qiáng)變化、灌水量等問題。智能傳感設(shè)備的優(yōu)勢是監(jiān)測的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性，以便把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、全面地反饋給控制系統(tǒng)，并且連接其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采取閘閥、水泵來控制灌溉行為過程的自動控制設(shè)備。此系統(tǒng)的運(yùn)用，可以當(dāng)蓄水池內(nèi)池水低于設(shè)定高程時切斷灌水管道，停止灌水作業(yè)；當(dāng)施肥裝置的高程大于設(shè)定值時自動開啟施肥裝置進(jìn)行行動。智能傳感設(shè)備能使農(nóng)業(yè)灌溉更精確地執(zhí)行灌溉任務(wù)，優(yōu)化灌溉成果，使農(nóng)田灌溉由傳統(tǒng)的手工向科技信息化、智能化方向發(fā)展。

4 結(jié)語

農(nóng)田電力提灌泵站信息監(jiān)控系統(tǒng)作為管理的重要組成部分，其在提高泵站運(yùn)行效率、保障供水安全、降低維修成本等方面發(fā)揮著重要作用。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的深入，未來的泵站管理將會更加智能化、自動化和集成化。同時，還應(yīng)呼吁各方加強(qiáng)合作與共享，共同利用這些數(shù)據(jù)和信息，以應(yīng)對突發(fā)事件，提高應(yīng)急反應(yīng)和協(xié)同作業(yè)的效率。

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