小型灌溉泵站群監(jiān)控管理系統(tǒng)設計與研究

劉 洋，蔡守華，曹曉林

(1.江西省農業(yè)科學院農業(yè)工程研究所，南昌 330200；2.揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225127)

小型灌溉泵站是農業(yè)生產中重要的水利基礎設施。根據第一次全國水利普查公報，我國共建不同規(guī)模泵站有42萬余座，其中裝機流量小于1 m3/s的泵站共有33萬余座，占有比例達79%以上[1,2]?，F有農村灌溉泵站裝備落后，管理水平不高，自動化程度也較低[3]；這其中的大部分是小型泵站，數量多，位置分散，設計標準較低，不便管理，缺乏專職管理人員，運行效率較低，運行故障較多，自動化監(jiān)控與聯(lián)網基本缺失[4-6]。

根據小型灌溉泵站的分布特點及管理現狀，以及實現農村水利現代化的要求，開發(fā)設計小型灌溉泵站自動控制與管理系統(tǒng)，具有一定的現實意義。

1 系統(tǒng)總體結構

根據農村小型灌溉泵站群分布特點，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個部分：現場控制單元、數據轉發(fā)平臺和上位機。一個泵站對應一個現場控制單元，現場控制單元中的單片機不僅能自動控制現場泵站的開機停機、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數據，同時也能實現對泵站進水池以及出水池的水位讀取，保障泵站運行安全。系統(tǒng)一般包含有一個上位機和多個現場控制單元，為保障信息的及時傳輸以及安全，需要數據轉發(fā)平臺對數據進行存儲以及轉發(fā)，數據轉發(fā)平臺主要包括數據庫服務器等設備。上位機主要包括兩個部分，一是位于管理部門的PC客戶端，用于數據處理及總體監(jiān)控；二是與每個現場控制單元對應的手機客戶端，用于對單個泵站的狀態(tài)監(jiān)測與運行控制。

該系統(tǒng)上位機軟件人機界面設計簡單易懂，主管部門管理人員可通過上位機PC端軟件對各個泵站進行控制以及實時監(jiān)控，也可以對泵站進行數據處理；普通用戶即泵站操作人員可通過短信指令遠程控制泵站開啟閉合，接收泵站安全警告信息等。

2 系統(tǒng)硬件設計

根據泵站評價指標與小型泵站特點以及綜合考慮到成本、精度、可靠性等因素，本系統(tǒng)的現場控制單元硬件分別以RS-485、以太網等有線、無線通信方式對泵站系統(tǒng)進行控制、數據采集，實現智能灌溉。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，一般在實際應用中根據需求將兩類通信方式結合考慮更為適宜[7]。智能流量計、智能液位計和智能電表內部分別采用RS-485有線通信方式，微控制單元(MCU)通過GPRS網絡無線通信方式與遠程服務器連接。

現場控制單元核心部分是包含有一個STM32F103C8T6的單片機，64KB的FLASH、20KB的片內SRAM，預留有20個外接IO口，2個USART口，1個RS485串口，2個3.3 V供電口，2個5 V供電口；繼電器供電電壓是5 V，可以由單片機直接供電，能控制交流與直流信號，最大控制電壓是240 V，最大電流30 A；智能液位計測量范圍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USR-GPRS232-701-2，內置電話卡槽、RS232接口和外接天線，供電為5～28V，支持的網絡包括GSM/GPRS/EDGE 網絡，采用GSM07.07 AT 指令集；水位開關、霍爾傳感器和集線器選擇的型號分別是LFS-SS2-A1、NJK-5002C和宇寧YN5204等。

圖1 系統(tǒng)結構圖Fig.1 System architecture diagram

2.1 泵站信息采集整體架構設計

水泵流量、電機電流和電壓是反映水泵運行情況，判斷泵站故障的重要因素；進水池、出水池水位是水泵運行效率以及安全的重要參數。流量采用電磁流量計采集，型號為ZJJ-50，量程0.3～1 m/s，精準度±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，電壓量程AC220 V～450 V，RS485通訊接口；進水池水位采集使用智能液位測量儀，帶數碼管顯示，重量輕，體積小，將檢測液體的壓力與液位等參數轉換成電信號，輸出485信號。RS485集線器為宇寧科技的YN5204型隔離型RS232/RS485轉四口RS485集線器，支持傳輸速率最高達到115.2 kbps，采用光電隔離技術。

本系統(tǒng)泵站信息采集部分的設計思路是控制層與數據采集層之間以MODBUS-RTU協(xié)議進行數據傳送，通過RS485線進行連接，控制層發(fā)送相關采集指令，采集層返回相關數據。在灌溉泵站啟動時，系統(tǒng)根據收到的上位機的相關信息，控制層開始根據指令指定的時間段以及所需采集的信息向數據采集層按時間段以及相應目標發(fā)出指令，數據采集層返回數據后，控制層向上位機發(fā)送所采集的數據，上位機將所感知的實時數據進行分析、處理，并按著需求下達相應指令，實現泵站的自動控制以及故障判斷。其數據采集部分網絡拓撲結構如圖2所示。

圖2 數據采集部分結構圖Fig.2 The data acquisition unit of the system architecture diagram

2.2 硬件主程序設計

現場控制單元的程序采用單片機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現場控制單元后，單片機串口及外圍電路進行初始化，如單片機內部定時器、串口擴展芯片、外部接入的水位開關與霍爾傳感器等；之后初始化GPRS模塊并連接到GPRS網絡，隨后通過GPRS網絡與相關遠端服務器的地址信息發(fā)送連接請求，建立與遠端服務器的通信通道。在主程序中，首先接受兩個開關量的數據信息，即水位開關和霍爾傳感器開關的信號，并發(fā)送相關警告信息給服務器端。接收服務器端發(fā)來的命令，如果接收的是控制命令，單片機向繼電器發(fā)出相關信號，控制繼電器的開與關，無需向服務器返回數據；如果是數據采集命令，按照相應的命令向通過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，接收到相關數據后通過GPRS模塊發(fā)送給遠端服務器；如果是圖片采集命令，就通過與攝像頭連接的串口發(fā)送相關圖片采集指令，接收到二進制的圖片數據后通過GPRS模塊發(fā)送給遠端服務器；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)軟件設計

3.1 上位機調度管理軟件

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)控各泵站的運行情況，根據一段時間中收集的各個泵站的運行數據，對各個泵站管理做出相應評價。本系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境為Visual Basic6，采用SQL Server數據庫管理系統(tǒng)。根據本系統(tǒng)需完成的目標，本系統(tǒng)開發(fā)軟件主要分為五大模塊，主要是實時監(jiān)測模塊、安全警報模塊、數據管理模塊、數據分析模塊和管理評價模塊。上位機人機界面管理平臺功能結構如圖4所示。

圖4 上位機端功能圖Fig.4 Function diagram of host computer client

實時監(jiān)測模塊可以實時觀看各個泵站運行狀態(tài)參數，如實時流量、累計流量、電機電壓電流數據、累計用電量和進水池水位等；安全警報模塊主要監(jiān)測泵站出水池水位是否達到上限、泵房是否被外人入侵等信息，觸發(fā)這兩個信息均會向PC端以及指定手機端發(fā)出警報信息，并自動拍照；數據管理模塊主要是系統(tǒng)能夠自動存儲每條指令和數據，并提供查詢和打印，實現數據和故障回溯功能；數據分析模塊可以選擇一段時間內監(jiān)測數據信息的變化曲線，可對不同時間段數據進行比較。

3.2 系統(tǒng)管理評價分析法

本系統(tǒng)內的管理評價模塊主要是指對泵站管理水平進行評價，在泵站運行一段時間后，就能夠進行簡單評價，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。參考國家標準規(guī)范《泵站技術管理規(guī)范》(GB/T30948-2014)以及本系統(tǒng)所監(jiān)測內容，確定4個評價指標，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e表示，單位為kWh/(kt·m)。根據泵站經濟管理標準，我國的機電灌溉站的能源單耗不應該超過5 kWh/(kt·m)[10,11]。能源單耗的計算公式如下：

式中：∑E為段時間內泵站抽水的耗電總量，kWh；∑V為一段時間內泵站提水總量，t；H實為泵站實際的凈揚程，m。

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

式中：ρ為水的密度，kg/m3；V為一段時間內泵站提水總量，t；H實為泵站實際的凈揚程，m；∑P為泵站裝機功率，kW。

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

式中：Q總為泵站一段時間內總的抽水量，m3；A為泵站實際控制灌溉面積，hm2。

本系統(tǒng)管理評價采用的方法是分級評價法，現將選出得到4個主要的評價指標的標準值和相應評分標準，再將所要評價泵站的各項實際指標數據與標準值相比較得出評分，然后再將各項指標的評分相加，綜合得到泵站管理水平等級。能源單耗以國標規(guī)定為標準值；毛灌溉定額不同作物不同地區(qū)有所不同，可將當地作物一般平均值為標準值，表2中的8 250 m3/hm2是以江蘇揚州地區(qū)水稻的毛灌溉定額作為示例。單位功率效益由于各個泵站的灌溉面積與設計揚程各不相同，沒有統(tǒng)一具體的限定值，一般以泵站設計值計算為準。故障率以次數計算，發(fā)生零故障為標準。每個參數有5個等級，每個等級評分各不相同，具體的泵站管理水平的評價標準表如表1所示；得出泵站管理評價指標得分再相加可得最終評價得分Mi，再參照泵站管理評價分級表(見表2)最終確定泵站管理評價的等級。

4 系統(tǒng)測試

在揚州大學農水實驗室經過一段時間測試，小型灌溉泵站群管理系統(tǒng)運行穩(wěn)定，在網絡正常情況下，系統(tǒng)訪問速度快，操作簡單，測量精確，控制靈敏。系統(tǒng)設計以用戶為出發(fā)點，界面友好，各功能模塊操作流程設計符合邏輯，不管是在監(jiān)測上，還是操作上，都能夠讓用戶易于領會掌握，能夠滿足農村小型灌溉泵站群控制信息化與自動化管理的要求。系統(tǒng)硬件和上位機軟件如圖5所示。

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

表2 泵站管理評價分級表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 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，以小型單片機為控制模塊，以各類傳感器為和智能儀器為監(jiān)測設備，以GPRS DTU模塊為通信設備，以C語言為程序開發(fā)語言；在PC端管理平臺方面，以VB語言開發(fā)了小型灌溉泵站群實時監(jiān)控、監(jiān)控數據存儲與評價管理軟件。該系統(tǒng)具有對泵站遠程控制、實時監(jiān)控、安全警戒、歷史數據管理分析和管理水平評價分析等實用功能，既適宜于上級管理部門(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行監(jiān)控管理，對提高農村小型泵站管理水平具有一定的現實意義。