劉 洋，蔡守華，曹曉林

(1.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程研究所，南昌 330200；2.揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

小型灌溉泵站是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的水利基礎(chǔ)設(shè)施。根據(jù)第一次全國水利普查公報(bào)，我國共建不同規(guī)模泵站有42萬余座，其中裝機(jī)流量小于1 m3/s的泵站共有33萬余座，占有比例達(dá)79%以上[1,2]。現(xiàn)有農(nóng)村灌溉泵站裝備落后，管理水平不高，自動(dòng)化程度也較低[3]；這其中的大部分是小型泵站，數(shù)量多，位置分散，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低，不便管理，缺乏專職管理人員，運(yùn)行效率較低，運(yùn)行故障較多，自動(dòng)化監(jiān)控與聯(lián)網(wǎng)基本缺失[4-6]。

根據(jù)小型灌溉泵站的分布特點(diǎn)及管理現(xiàn)狀，以及實(shí)現(xiàn)農(nóng)村水利現(xiàn)代化的要求，開發(fā)設(shè)計(jì)小型灌溉泵站自動(dòng)控制與管理系統(tǒng)，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)農(nóng)村小型灌溉泵站群分布特點(diǎn)，確定小型灌溉泵站群監(jiān)控管理系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)主要包括3個(gè)部分：現(xiàn)場控制單元、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平臺(tái)和上位機(jī)。一個(gè)泵站對應(yīng)一個(gè)現(xiàn)場控制單元，現(xiàn)場控制單元中的單片機(jī)不僅能自動(dòng)控制現(xiàn)場泵站的開機(jī)停機(jī)、監(jiān)控泵房是否有人入侵及發(fā)出警告信息，而且能采集水泵的電流、電壓以及流量等相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)對泵站進(jìn)水池以及出水池的水位讀取，保障泵站運(yùn)行安全。系統(tǒng)一般包含有一個(gè)上位機(jī)和多個(gè)現(xiàn)場控制單元，為保障信息的及時(shí)傳輸以及安全，需要數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平臺(tái)對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)以及轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平臺(tái)主要包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等設(shè)備。上位機(jī)主要包括兩個(gè)部分，一是位于管理部門的PC客戶端，用于數(shù)據(jù)處理及總體監(jiān)控；二是與每個(gè)現(xiàn)場控制單元對應(yīng)的手機(jī)客戶端，用于對單個(gè)泵站的狀態(tài)監(jiān)測與運(yùn)行控制。

該系統(tǒng)上位機(jī)軟件人機(jī)界面設(shè)計(jì)簡單易懂，主管部門管理人員可通過上位機(jī)PC端軟件對各個(gè)泵站進(jìn)行控制以及實(shí)時(shí)監(jiān)控，也可以對泵站進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；普通用戶即泵站操作人員可通過短信指令遠(yuǎn)程控制泵站開啟閉合，接收泵站安全警告信息等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)泵站評價(jià)指標(biāo)與小型泵站特點(diǎn)以及綜合考慮到成本、精度、可靠性等因素，本系統(tǒng)的現(xiàn)場控制單元硬件分別以RS-485、以太網(wǎng)等有線、無線通信方式對泵站系統(tǒng)進(jìn)行控制、數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)智能灌溉。系統(tǒng)采用了兩種通信方式----無線與有線通信，兩類通信方式各有利弊，一般在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)需求將兩類通信方式結(jié)合考慮更為適宜[7]。智能流量計(jì)、智能液位計(jì)和智能電表內(nèi)部分別采用RS-485有線通信方式，微控制單元(MCU)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)無線通信方式與遠(yuǎn)程服務(wù)器連接。

現(xiàn)場控制單元核心部分是包含有一個(gè)STM32F103C8T6的單片機(jī)，64KB的FLASH、20KB的片內(nèi)SRAM，預(yù)留有20個(gè)外接IO口，2個(gè)USART口，1個(gè)RS485串口，2個(gè)3.3 V供電口，2個(gè)5 V供電口；繼電器供電電壓是5 V，可以由單片機(jī)直接供電，能控制交流與直流信號(hào)，最大控制電壓是240 V，最大電流30 A；智能液位計(jì)測量范圍0～100 m，供電電壓24 VDC±10%，測量精度±0.2%；GPRS模塊采用的是有人集團(tuán)USR-GPRS232-701-2，內(nèi)置電話卡槽、RS232接口和外接天線，供電為5～28V，支持的網(wǎng)絡(luò)包括GSM/GPRS/EDGE 網(wǎng)絡(luò)，采用GSM07.07 AT 指令集；水位開關(guān)、霍爾傳感器和集線器選擇的型號(hào)分別是LFS-SS2-A1、NJK-5002C和宇寧YN5204等。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System architecture diagram

2.1 泵站信息采集整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

水泵流量、電機(jī)電流和電壓是反映水泵運(yùn)行情況，判斷泵站故障的重要因素；進(jìn)水池、出水池水位是水泵運(yùn)行效率以及安全的重要參數(shù)。流量采用電磁流量計(jì)采集，型號(hào)為ZJJ-50，量程0.3～1 m/s，精準(zhǔn)度±0.5%R，使用R485通信；電流電壓采集采用鑫宇194E-9S1智能電表，測量精度是0.5級(jí)，電壓量程AC220 V～450 V，RS485通訊接口；進(jìn)水池水位采集使用智能液位測量儀，帶數(shù)碼管顯示，重量輕，體積小，將檢測液體的壓力與液位等參數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，輸出485信號(hào)。RS485集線器為宇寧科技的YN5204型隔離型RS232/RS485轉(zhuǎn)四口RS485集線器，支持傳輸速率最高達(dá)到115.2 kbps，采用光電隔離技術(shù)。

本系統(tǒng)泵站信息采集部分的設(shè)計(jì)思路是控制層與數(shù)據(jù)采集層之間以MODBUS-RTU協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，通過RS485線進(jìn)行連接，控制層發(fā)送相關(guān)采集指令，采集層返回相關(guān)數(shù)據(jù)。在灌溉泵站啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)收到的上位機(jī)的相關(guān)信息，控制層開始根據(jù)指令指定的時(shí)間段以及所需采集的信息向數(shù)據(jù)采集層按時(shí)間段以及相應(yīng)目標(biāo)發(fā)出指令，數(shù)據(jù)采集層返回?cái)?shù)據(jù)后，控制層向上位機(jī)發(fā)送所采集的數(shù)據(jù)，上位機(jī)將所感知的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，并按著需求下達(dá)相應(yīng)指令，實(shí)現(xiàn)泵站的自動(dòng)控制以及故障判斷。其數(shù)據(jù)采集部分網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集部分結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The data acquisition unit of the system architecture diagram

2.2 硬件主程序設(shè)計(jì)

現(xiàn)場控制單元的程序采用單片機(jī)C語言編寫，開發(fā)環(huán)境是keil uVision4。主程序的主要流程是啟動(dòng)現(xiàn)場控制單元后，單片機(jī)串口及外圍電路進(jìn)行初始化，如單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器、串口擴(kuò)展芯片、外部接入的水位開關(guān)與霍爾傳感器等；之后初始化GPRS模塊并連接到GPRS網(wǎng)絡(luò)，隨后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與相關(guān)遠(yuǎn)端服務(wù)器的地址信息發(fā)送連接請求，建立與遠(yuǎn)端服務(wù)器的通信通道。在主程序中，首先接受兩個(gè)開關(guān)量的數(shù)據(jù)信息，即水位開關(guān)和霍爾傳感器開關(guān)的信號(hào)，并發(fā)送相關(guān)警告信息給服務(wù)器端。接收服務(wù)器端發(fā)來的命令，如果接收的是控制命令，單片機(jī)向繼電器發(fā)出相關(guān)信號(hào)，控制繼電器的開與關(guān)，無需向服務(wù)器返回?cái)?shù)據(jù)；如果是數(shù)據(jù)采集命令，按照相應(yīng)的命令向通過RS485線連接的各智能采集儀器發(fā)出符合modbus通信協(xié)議的采集指令，接收到相關(guān)數(shù)據(jù)后通過GPRS模塊發(fā)送給遠(yuǎn)端服務(wù)器；如果是圖片采集命令，就通過與攝像頭連接的串口發(fā)送相關(guān)圖片采集指令，接收到二進(jìn)制的圖片數(shù)據(jù)后通過GPRS模塊發(fā)送給遠(yuǎn)端服務(wù)器；流程圖如圖3所示。

圖3 硬件程序總體流程Fig.3 Flow chart of hardware programs

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)調(diào)度管理軟件

小型灌溉泵站群監(jiān)控管理系統(tǒng)主要是通過上位機(jī)控制管理小型灌溉泵站群，讓人足不出戶就可以控制監(jiān)控各泵站的運(yùn)行情況，根據(jù)一段時(shí)間中收集的各個(gè)泵站的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對各個(gè)泵站管理做出相應(yīng)評價(jià)。本系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境為Visual Basic6，采用SQL Server數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。根據(jù)本系統(tǒng)需完成的目標(biāo)，本系統(tǒng)開發(fā)軟件主要分為五大模塊，主要是實(shí)時(shí)監(jiān)測模塊、安全警報(bào)模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和管理評價(jià)模塊。上位機(jī)人機(jī)界面管理平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 上位機(jī)端功能圖Fig.4 Function diagram of host computer client

實(shí)時(shí)監(jiān)測模塊可以實(shí)時(shí)觀看各個(gè)泵站運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，如實(shí)時(shí)流量、累計(jì)流量、電機(jī)電壓電流數(shù)據(jù)、累計(jì)用電量和進(jìn)水池水位等；安全警報(bào)模塊主要監(jiān)測泵站出水池水位是否達(dá)到上限、泵房是否被外人入侵等信息，觸發(fā)這兩個(gè)信息均會(huì)向PC端以及指定手機(jī)端發(fā)出警報(bào)信息，并自動(dòng)拍照；數(shù)據(jù)管理模塊主要是系統(tǒng)能夠自動(dòng)存儲(chǔ)每條指令和數(shù)據(jù)，并提供查詢和打印，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和故障回溯功能；數(shù)據(jù)分析模塊可以選擇一段時(shí)間內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的變化曲線，可對不同時(shí)間段數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

3.2 系統(tǒng)管理評價(jià)分析法

本系統(tǒng)內(nèi)的管理評價(jià)模塊主要是指對泵站管理水平進(jìn)行評價(jià)，在泵站運(yùn)行一段時(shí)間后，就能夠進(jìn)行簡單評價(jià)，分析水泵效率和管理狀況，供水泵管理部門作為，是系統(tǒng)重要的組成部分。參考國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范《泵站技術(shù)管理規(guī)范》(GB/T30948-2014)以及本系統(tǒng)所監(jiān)測內(nèi)容，確定4個(gè)評價(jià)指標(biāo)，即能源單耗、單位功率效益、毛灌溉定額和故障率[8,9]。

能源單耗是指把1 000 t的水提高1 m所需要消耗的電量，一般使用符號(hào)e表示，單位為kWh/(kt·m)。根據(jù)泵站經(jīng)濟(jì)管理標(biāo)準(zhǔn)，我國的機(jī)電灌溉站的能源單耗不應(yīng)該超過5 kWh/(kt·m)[10,11]。能源單耗的計(jì)算公式如下：

式中：∑E為段時(shí)間內(nèi)泵站抽水的耗電總量，kWh；∑V為一段時(shí)間內(nèi)泵站提水總量，t；H實(shí)為泵站實(shí)際的凈揚(yáng)程，m。

單位功率效益是指灌溉泵站裝機(jī)功率綜合考慮灌溉水量和泵站揚(yáng)程的指標(biāo)，采用符號(hào)a表示，單位是kt·m/kW。其計(jì)算公式如下：

式中：ρ為水的密度，kg/m3；V為一段時(shí)間內(nèi)泵站提水總量，t；H實(shí)為泵站實(shí)際的凈揚(yáng)程，m；∑P為泵站裝機(jī)功率，kW。

毛灌溉定額是指在整個(gè)作物生長期內(nèi)，泵站控制的灌溉面積內(nèi)的平均灌水量[12,13]，采用符號(hào)m毛表示，單位是m3/hm2。其計(jì)算公式如下：

式中：Q總為泵站一段時(shí)間內(nèi)總的抽水量，m3；A為泵站實(shí)際控制灌溉面積，hm2。

本系統(tǒng)管理評價(jià)采用的方法是分級(jí)評價(jià)法，現(xiàn)將選出得到4個(gè)主要的評價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值和相應(yīng)評分標(biāo)準(zhǔn)，再將所要評價(jià)泵站的各項(xiàng)實(shí)際指標(biāo)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值相比較得出評分，然后再將各項(xiàng)指標(biāo)的評分相加，綜合得到泵站管理水平等級(jí)。能源單耗以國標(biāo)規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)值；毛灌溉定額不同作物不同地區(qū)有所不同，可將當(dāng)?shù)刈魑镆话闫骄禐闃?biāo)準(zhǔn)值，表2中的8 250 m3/hm2是以江蘇揚(yáng)州地區(qū)水稻的毛灌溉定額作為示例。單位功率效益由于各個(gè)泵站的灌溉面積與設(shè)計(jì)揚(yáng)程各不相同，沒有統(tǒng)一具體的限定值，一般以泵站設(shè)計(jì)值計(jì)算為準(zhǔn)。故障率以次數(shù)計(jì)算，發(fā)生零故障為標(biāo)準(zhǔn)。每個(gè)參數(shù)有5個(gè)等級(jí)，每個(gè)等級(jí)評分各不相同，具體的泵站管理水平的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表如表1所示；得出泵站管理評價(jià)指標(biāo)得分再相加可得最終評價(jià)得分Mi，再參照泵站管理評價(jià)分級(jí)表(見表2)最終確定泵站管理評價(jià)的等級(jí)。

4 系統(tǒng)測試

在揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)水實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過一段時(shí)間測試，小型灌溉泵站群管理系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，在網(wǎng)絡(luò)正常情況下，系統(tǒng)訪問速度快，操作簡單，測量精確，控制靈敏。系統(tǒng)設(shè)計(jì)以用戶為出發(fā)點(diǎn)，界面友好，各功能模塊操作流程設(shè)計(jì)符合邏輯，不管是在監(jiān)測上，還是操作上，都能夠讓用戶易于領(lǐng)會(huì)掌握，能夠滿足農(nóng)村小型灌溉泵站群控制信息化與自動(dòng)化管理的要求。系統(tǒng)硬件和上位機(jī)軟件如圖5所示。

表1 泵站管理水平評價(jià)表Tab.1 the pumping stations management level evaluation form

表2 泵站管理評價(jià)分級(jí)表Tab.2 the pumping stations management level classification form

圖5 系統(tǒng)硬件與軟件界面圖Fig.5 The hardware and software interface diagram

5 結(jié) 語

本文研究開發(fā)了一套以小型灌溉泵站為對象的監(jiān)控管理系統(tǒng)。在硬件方面，以小型單片機(jī)為控制模塊，以各類傳感器為和智能儀器為監(jiān)測設(shè)備，以GPRS DTU模塊為通信設(shè)備，以C語言為程序開發(fā)語言；在PC端管理平臺(tái)方面，以VB語言開發(fā)了小型灌溉泵站群實(shí)時(shí)監(jiān)控、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)與評價(jià)管理軟件。該系統(tǒng)具有對泵站遠(yuǎn)程控制、實(shí)時(shí)監(jiān)控、安全警戒、歷史數(shù)據(jù)管理分析和管理水平評價(jià)分析等實(shí)用功能，既適宜于上級(jí)管理部門(如鄉(xiāng)鎮(zhèn)水利站)對本區(qū)域小型灌溉泵站群的綜合管理，也適用泵站操作人員對自己管轄的單一泵站進(jìn)行監(jiān)控管理，對提高農(nóng)村小型泵站管理水平具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。