□莫 涵梁 君李光輝/.四川省機(jī)電排灌管理總站.四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計院

農(nóng)村小型泵站遠(yuǎn)程控制信息化技術(shù)研究及其應(yīng)用

□莫 涵1梁 君2李光輝2/1.四川省機(jī)電排灌管理總站2.四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計院

農(nóng)村機(jī)電提灌設(shè)施是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水利保障體系的重要組成部分，在農(nóng)業(yè)調(diào)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)方式、提質(zhì)增效和農(nóng)村生活中發(fā)揮著重要作用。四川省小型泵站量大、面廣且分散，2016年全省共修復(fù)提灌機(jī)械7.70萬臺次/85.45萬kW，改造提灌站2 337座/7.44萬kW；新建提灌站684座/2.13萬kW。超過31 500座泵站信息和5 000座泵站坐標(biāo)（GPS）錄入省級平臺數(shù)據(jù)庫。

當(dāng)前，農(nóng)村剩余勞動力大量轉(zhuǎn)移，四川部分地區(qū)青壯年勞動力缺乏，農(nóng)村小型泵站等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“重建輕管”的建、管、用矛盾突出。農(nóng)村小型泵站年久失修現(xiàn)象普遍；采用傳統(tǒng)的管理和操作方式，手動控制機(jī)組，人工監(jiān)控機(jī)電設(shè)備，人工統(tǒng)計水位、揚(yáng)程、開機(jī)時長等數(shù)據(jù)；管理方式粗放，管護(hù)人員勞動強(qiáng)度大，安全系數(shù)低，效率差。

四川省積極探索農(nóng)村小型泵站信息化改造，在6個機(jī)電灌溉重點(diǎn)區(qū)（市、縣）（瀘縣、長寧縣、合江縣、蒼溪縣、江油市、雁江區(qū)）進(jìn)行了30處信息化泵站改造。通過遠(yuǎn)程無線與本地近程無線通信的無縫連接，建立了基于服務(wù)器、泵站無線終端、智能手機(jī)遠(yuǎn)程無線測控平臺、中間件以及智能手機(jī)客戶端的提灌站遠(yuǎn)程控制管理系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了對設(shè)備和泵站的現(xiàn)場監(jiān)控、泵站的自動啟停、泵站提水參數(shù)的采集和處理，有效地提升了灌區(qū)泵站運(yùn)行、維護(hù)和管理水平，建立了四川省機(jī)電提灌運(yùn)行數(shù)據(jù)抽樣采集和泵站信息化示范系統(tǒng)，為行業(yè)的管理者和使用泵站的基層群眾提供了“扁平式”的專業(yè)服務(wù)。

1 項目研究背景

在“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃的推動下，農(nóng)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將成為促進(jìn)集約化經(jīng)營、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營效率的重要抓手。通過嫁接互聯(lián)網(wǎng)，對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)進(jìn)行改造，可有效減少行業(yè)中間環(huán)節(jié)，使信息更加透明化，有助于保障糧食安全，提高農(nóng)資產(chǎn)品使用效率，現(xiàn)實(shí)信息化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化深度融合。在“四化”深度融合同步發(fā)展的過程中，在云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、4G等新技術(shù)加快推廣的背景下，用信息化手段推進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級和轉(zhuǎn)型，已成為四川省農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必經(jīng)之路。

北京、黑龍江、江蘇等省市承擔(dān)的國家物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范工程和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)區(qū)域試驗(yàn)工程先后啟動實(shí)施，經(jīng)各地推薦和專家論證，全國共篩選出310項農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)成果，涉及農(nóng)作物“四情”監(jiān)測、設(shè)施農(nóng)業(yè)、畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)機(jī)作業(yè)調(diào)度、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全等行業(yè)和領(lǐng)域。

泵站遠(yuǎn)程控制信息化是農(nóng)業(yè)信息化的重要內(nèi)容，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)工程管理、調(diào)度、優(yōu)化的基礎(chǔ)。本文針對泵站運(yùn)行維護(hù)管理的信息化技術(shù)應(yīng)用需求，研究了一套農(nóng)村小型泵站遠(yuǎn)程控制信息化系統(tǒng)。本系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分，已成功應(yīng)用于瀘縣、長寧縣、合江縣、蒼溪縣、江油市、雁江區(qū)6個縣（市、區(qū)），可對30個泵站進(jìn)行遠(yuǎn)程信息化控制。

2 泵站無線控制終端信息化改造實(shí)施

2.1 泵站遠(yuǎn)程控制信息化系統(tǒng)的構(gòu)成

本項目組開發(fā)了一套泵站遠(yuǎn)程控制信息化系統(tǒng)，以智能通訊設(shè)備為平臺，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)村泵站的自動化控制和監(jiān)控。系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。

硬件系統(tǒng)：泵站無線控制終端（含無線遠(yuǎn)程控制單元、GPRS傳輸系統(tǒng)、中心數(shù)據(jù)控制終端、檢測單元等）、電動閥、電磁閥、傳感器、攝像頭、管道及管件、線纜等。

軟件系統(tǒng)：基于智能手機(jī)操作系統(tǒng)下（Android系統(tǒng)和iOS系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)了泵站管理組的組員管理、泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的監(jiān)控信息展現(xiàn)，以及泵站的遠(yuǎn)程控制等功能，目前實(shí)現(xiàn)了Android系統(tǒng)下的應(yīng)用。

2.2 泵站遠(yuǎn)程控制信息化系統(tǒng)的主要功能和特點(diǎn)

2.2.1 主要功能

實(shí)現(xiàn)對泵站機(jī)電設(shè)備的自動化監(jiān)控，對泵站機(jī)組的遠(yuǎn)程操控，以及對機(jī)房的視頻監(jiān)控；通過對前端泵站監(jiān)控，實(shí)時觀測泵站內(nèi)設(shè)備和機(jī)組的運(yùn)行狀況及指標(biāo)，并提供圖像信息，改善工作環(huán)境、減少值守人員，真正實(shí)現(xiàn)泵站科學(xué)化、現(xiàn)代化、自動化管理；提高泵站運(yùn)行管理的實(shí)效性。

2.2.2 主要特點(diǎn)

全程無線連接，省去布線的投資、施工的時間和線路維護(hù)的煩惱；操控界面全中文，傻瓜化，操作簡單；遙控距離不受限制，只要有手機(jī)信號的地方就可以控制；進(jìn)入操控界面時，自動偵測并顯示當(dāng)前泵站機(jī)組狀態(tài)；發(fā)生報警時，提醒信息自動定時重發(fā)，直到得到報警處理的響應(yīng)，保證報警及時得到處理；完全保留傳統(tǒng)操控方式，在智能控制系統(tǒng)發(fā)生故障時，還可使用傳統(tǒng)手工方式控制；具備全自動控制模式，在此模式下系統(tǒng)無需人工干預(yù)。

2.3 泵站遠(yuǎn)程控制信息化系統(tǒng)可適用的主要引水方式

應(yīng)用泵站遠(yuǎn)程控制信息化系統(tǒng)可以對4種引水方式進(jìn)行控制：真空引水裝置，適用于引水管徑200mm以下的泵站；真空泵，適用于引水條件較好的泵站；前置潛水泵，適用于大落差取水位的泵站；潛水泵，適用于水泵機(jī)組水下安裝的泵站。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

地址：瀘縣福集鎮(zhèn)耿石橋。名稱：瀘縣福集鎮(zhèn)耿石橋提灌站。等級：?。?）型-B。類別：電力提灌站。實(shí)用范圍：為瀘縣福集鎮(zhèn)的5個村民小組的40 hm2旱地、1 500余人口提供生產(chǎn)生活用水保障。運(yùn)行基礎(chǔ)：泵站提水高峰期為每年1～5月枯水季節(jié)和其他干旱時期。主要運(yùn)行時段：枯水期大約每星期提水3次，每次工作8 h。外部條件：泵房外圍環(huán)境良好，交通方便，有移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋；泵房結(jié)構(gòu)完好，只需簡單裝飾，泵站房屋基礎(chǔ)良好；有電力變壓器等電力設(shè)施。內(nèi)部條件：管道泵（流量190m3/h，揚(yáng)程50m，功率45 kW），啟動柜為45 kW軟啟動控制柜。

3.2 無線泵站終端信息化改造實(shí)施

3.2.1 泵站結(jié)構(gòu)形式

該站為整裝泵站，采用“真空罐”引水方式。

信息化改造主要是通過“泵站無線終端”構(gòu)建泵站雙向信息通道?！氨谜緹o線終端”的控制信號經(jīng)調(diào)理后與泵站原有電控柜主電機(jī)啟?？刂苹芈愤B接；泵站原有主管路手動閘閥和真空罐補(bǔ)水、排氣閥改造為電動球閥和電磁閥，由“泵站無線終端”直接驅(qū)動。安裝水位傳感器、環(huán)境溫度傳感器、電機(jī)溫度傳感器，壓力開關(guān)信號由電接點(diǎn)壓力（真空）表輸出，與門禁和USB攝像頭、訊響器相同，信號回路直接接入“泵站無線終端”。泵站啟停由原電控柜主令按鈕或手機(jī)APP操作，由“泵站無線終端”進(jìn)行控制。開機(jī)時，吸水檢測成功后，主電機(jī)啟動，電動球閥通過約15 s，完全打開閥門，進(jìn)入提水工況；停機(jī)時，在電動球閥關(guān)閉后，切斷主電機(jī)電源，并控制電磁閥利用電動球閥后的管道高位水向真空罐補(bǔ)水。

3.2.2 泵站信息化改造主要內(nèi)容

對該站進(jìn)行信息化改造，安裝泵站終端、傳感器和執(zhí)行器等，建成泵站遠(yuǎn)程控制信息化示范泵站。根據(jù)四川省泵站信息化的需求分析，泵站信息化改造要形成泵站數(shù)據(jù)采集和自動控制功能。能夠?qū)Ρ谜镜墓ぷ鳁l件（進(jìn)水水位、電源狀態(tài)、環(huán)境溫度、流道壓力、設(shè)備狀態(tài)等）、工作狀態(tài)（電流、電壓、電量、電機(jī)溫升、流道壓力等）和值守信息（門禁（觸點(diǎn)）、震動（音響）、掉電（失聯(lián)）等）進(jìn)行檢測和記錄，對故障和非法進(jìn)入進(jìn)行判斷、提示，實(shí)現(xiàn)“無人值守”工作狀態(tài)。

3.2.3 遠(yuǎn)程控制信息化泵站技術(shù)說明

3.2.3.1 控制箱

1）狀態(tài)指示和“本地/遠(yuǎn)程”管理

控制箱安裝電源開關(guān)和電源指示燈。系統(tǒng)通過斷電重新上電進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位。系統(tǒng)設(shè)“系統(tǒng)狀態(tài)”指示燈、“故障報警”指示燈、“主機(jī)啟動”指示燈和“水源狀態(tài)”指示燈。“系統(tǒng)狀態(tài)”指示燈為雙色LED指示燈，指示“本地/遠(yuǎn)程”和GPRS工作狀態(tài)。“本地/遠(yuǎn)程”狀態(tài)由原控制柜增加的“本地/遠(yuǎn)程”開關(guān)提供狀態(tài)信號，高電平為本地，低電平為遠(yuǎn)程。轉(zhuǎn)換開關(guān)通過控制箱輸入端子。

2）電源接入和控制電源輸出

控制箱接入電源為AC 220 V 1 A?？刂葡涮峁〢C 24V 25W（1A）電源輸出，作為輸入開關(guān)量傳感器和輸出中間繼電器驅(qū)動電源。

3）獲取泵站電參數(shù)

控制箱采用“電參數(shù)模塊”獲取泵站電參數(shù)，它安裝在原泵站電控箱內(nèi)，采用三相三線接入，要求接入三相線電壓（380 V）和A相、C相互感器次級電流（5 A），由MODBUS總線與控制箱MODBUS總線端口連接。

4）輸入、輸出端子

輸入由12個開關(guān)量組成，輸入電壓為AC（DC）24 V，電流10mA。12個開關(guān)量狀態(tài)可分別被系統(tǒng)讀取，0號端子為公共端子。輸出由5個繼電器的常開觸點(diǎn)組成，觸點(diǎn)最大電壓AC 220 V，電流5A。5個繼電器可分別控制。

3.2.3.2 攝像頭

攝像頭為網(wǎng)絡(luò)紅外攝像頭，可根據(jù)光線情況自動啟動紅外照明。攝像頭為室內(nèi)安裝金屬殼體半球機(jī)，采用網(wǎng)線（20m內(nèi)）與控制箱主控板網(wǎng)口連接。攝像頭供電為12 V/2 A專用電源，電源由220 V供電，靠近攝像頭布置。相關(guān)線路穿管安裝。

3.2.3.3 泵站預(yù)置參數(shù)和控制邏輯

泵站預(yù)置參數(shù)主要有泵站（排灌總站信息系統(tǒng)）IP號、泵站電流互感器比值、泵站組長賬戶手機(jī)號等。泵站控制邏輯采用水參數(shù)（壓力、水位）控制邏輯和電參數(shù)（電壓、電流）控制邏輯組合，實(shí)現(xiàn)泵站工作邏輯和異常處理。電參數(shù)控制邏輯以選定的基準(zhǔn)電流數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，分為正常、欠載、過載、超載4種狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)行和異常處理。按照泵站實(shí)際工況，確定泵站工作基準(zhǔn)電流數(shù)。泵站工作基準(zhǔn)電流數(shù)可在控制箱內(nèi)控制主板的DIP撥碼開關(guān)用8位2進(jìn)制碼設(shè)定，有效值為0～255A（基本型控制板）。

3.3.4 泵站遠(yuǎn)程控制子系統(tǒng)軟件手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制終端

3.3.4.1 硬件配置要求

處理器：1 GHz以上。內(nèi)存：1 GB或以上。屏幕：分辨率1 280×720以上。

3.2.4.2 操作系統(tǒng)要求

Android系統(tǒng)4.0版本以上。

3.2.4.3 功能描述

1）系統(tǒng)登陸

泵站遠(yuǎn)程控制子系統(tǒng)是基于Android和iOS系統(tǒng)下的移動端定制應(yīng)用（APP），在進(jìn)入系統(tǒng)的時候需要手機(jī)號碼進(jìn)行登錄。

2）系統(tǒng)消息

接收管理員從泵站屬性信息管理平臺上發(fā)給手機(jī)APP用戶的消息。消息主要分為兩大類：系統(tǒng)消息和我的消息。

3）系統(tǒng)監(jiān)控

分為機(jī)組運(yùn)行控制、告警控制、機(jī)組控制、視頻圖片展示四大板塊。機(jī)組運(yùn)行控制通過硬件監(jiān)控終端可以獲取到機(jī)組的運(yùn)行電流、電壓、水位、運(yùn)行溫度等相關(guān)參數(shù)，通過移動公司M2M網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控端，數(shù)據(jù)解析后存儲到數(shù)據(jù)庫中，通過手機(jī)APP進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和展示；告警控制通過泵站硬件監(jiān)控終端監(jiān)控機(jī)組離線、運(yùn)行告警、門禁告警等三大類告警信息，并以短信的方式通知手機(jī)APP端；機(jī)組控制是通過手機(jī)APP應(yīng)用端對機(jī)組的開關(guān)機(jī)以及所在泵站站房的門禁進(jìn)行遠(yuǎn)程開啟或者關(guān)閉控制；視頻圖片展示是監(jiān)控攝像頭所拍攝的圖片，每一次刷新都可以看到最新拍攝的圖片。

4）用戶管理

分為普通用戶管理、用戶升級、用戶使用時間申請、用戶使用時間確實(shí)四大板塊。普通用戶管理：泵站管理組長可以通過手機(jī)APP，直接增加和刪除該組下的普通手機(jī)用戶。用戶升級：普通手機(jī)用戶只能在所申請的時間范圍內(nèi)控制和查看泵站的相關(guān)信息，而超級用戶可以在任何時候查看泵站的監(jiān)控信息。用戶使用時間申請：普通用戶需要到用戶管理界面申請使用時間，只有在組長審核通過以后，用戶才能查看該泵站的參數(shù)以及遠(yuǎn)程控制。用戶使用時間：泵站管理組長可以在用戶列表中查看到申請使用時間的普通用戶，對于這些申請，只有組長通過“確認(rèn)”按鈕確認(rèn)后，用戶才具有操作控制泵站的權(quán)限。