高發(fā)磊

［摘 要］隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，電力提灌水利工程泵站也逐漸引入信息化技術(shù)以提升管理和運(yùn)行效率。本文介紹了電力提灌水利泵系統(tǒng)的現(xiàn)地控制級(jí)和集中控制級(jí)，并以某工程泵站項(xiàng)目為例，探討了電力提灌水利工程泵站信息化技術(shù)的實(shí)踐與應(yīng)用，主要包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測(cè)試應(yīng)用兩個(gè)方面。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，涵蓋了軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)；在測(cè)試應(yīng)用階段，主要進(jìn)行了終端功能測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行測(cè)試，旨在構(gòu)建一個(gè)完整的信息化系統(tǒng)，以驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，為提升泵站調(diào)控質(zhì)量提供保障。

［關(guān)鍵詞］信息化技術(shù)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；技術(shù)應(yīng)用；電力提灌水利工程；泵站

doi：10.3969/j.issn.1673-0194.2023.21.045

［中圖分類(lèi)號(hào)］TP315；F272.7 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A ［文章編號(hào)］1673-0194（2023）21-0151-04

0? ? ?引 言

電力提灌水利工程具有調(diào)水、抗旱、防洪防水等功能，對(duì)于保障工農(nóng)業(yè)和日常生活用水具有積極的促進(jìn)作用。為了更好地管理和控制電力提灌水利工程中的泵站設(shè)備，需要將信息技術(shù)合理運(yùn)用其中，實(shí)現(xiàn)泵閘自動(dòng)化集散控制，提升泵站運(yùn)行控制的質(zhì)量與效率。

1? ? ?電力提灌水利工程泵站信息系統(tǒng)

現(xiàn)地控制級(jí)和集中控制級(jí)作為電力提灌水利工程泵站信息系統(tǒng)中的重要組成部分，發(fā)揮著極其重要的作用。電力提灌水利工程泵站信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)的第一層現(xiàn)地控制級(jí)由兩部分組成，包括變電站及電機(jī)微機(jī)綜合保護(hù)和PLC測(cè)控級(jí)，其工作任務(wù)涵蓋了采集和處理?yè)P(yáng)程、水量、機(jī)組功率、輔助設(shè)備、工作電壓、水位等參數(shù)，而且PLC測(cè)控級(jí)的主要組成部分還包括S7-300 PLC，變電站及電機(jī)微機(jī)綜合保護(hù)包括線路保護(hù)、電容保護(hù)、電機(jī)保護(hù)，同時(shí)在計(jì)算機(jī)的控制之下，負(fù)責(zé)以下相關(guān)工作，其中包括視頻監(jiān)控、發(fā)布控制指令、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、數(shù)據(jù)分析計(jì)算等等［1］。

2? ? ?工程概況

以某電力提灌水利工程泵站項(xiàng)目為例，該工程設(shè)計(jì)提水流量為12m3/s，幾何揚(yáng)程為8.2m，泵站安裝了10臺(tái)立式軸流泵，且水泵的功率大小各不相同，由于之前無(wú)法實(shí)現(xiàn)信息化和自動(dòng)化提灌，在一定程度上影響了本泵站的工作效率和質(zhì)量，因此特將信息化技術(shù)應(yīng)用其中，對(duì)其進(jìn)行重新設(shè)計(jì)并采取遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方法，對(duì)提灌水利工程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。而且在有效運(yùn)用信息化技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)灌溉流量的合理計(jì)算，通過(guò)對(duì)流量的有效控制，滿(mǎn)足了灌溉需求，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

3? ? ?電力提灌水利工程泵站信息化技術(shù)的應(yīng)用

3.1? ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1? ?軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)階段，需要針對(duì)泵站的特點(diǎn)和需求，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的管理軟件。在軟件設(shè)計(jì)中以ARM為最佳的開(kāi)發(fā)環(huán)境，JTAG仿真裝置根據(jù)該工程的需要來(lái)完成程序模塊設(shè)計(jì)，其中包括GSM程序、LCD顯示程序、AD轉(zhuǎn)換裝置、主程序設(shè)計(jì)、程序化模塊、通信程序等設(shè)計(jì)要素［2］。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要根據(jù)該工程的管理需求合理運(yùn)用信息化技術(shù)，設(shè)計(jì)出建立在事態(tài)驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)上的無(wú)限循環(huán)程序，并確定執(zhí)行要求是否與相關(guān)任務(wù)一致，當(dāng)滿(mǎn)足執(zhí)行要求時(shí)，可以根據(jù)調(diào)度函數(shù)進(jìn)行相關(guān)操作；當(dāng)不滿(mǎn)足執(zhí)行要求時(shí)，就要重新審查和設(shè)計(jì)，直至其滿(mǎn)足執(zhí)行要求為止。

主程序序列作為該工程信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，通常在核心的C源程序文件中。在這個(gè)核心程序中，核心函數(shù)被視為C程序的基礎(chǔ)執(zhí)行點(diǎn)，通過(guò)這些函數(shù)實(shí)現(xiàn)了調(diào)度三相電壓、電壓對(duì)稱(chēng)、電機(jī)啟動(dòng)等相關(guān)程序模塊，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的操作。同時(shí)，GSM程序和RS232串口對(duì)應(yīng)的通信程序設(shè)計(jì)也是泵站信息化的關(guān)鍵部分，為確保泵站實(shí)現(xiàn)順暢的信息通信起到至關(guān)重要作用。在這一設(shè)計(jì)中，GSM程序負(fù)責(zé)與GSM通信模塊進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)與外部網(wǎng)絡(luò)的連接，一旦GSM程序順利連接到電源，主機(jī)就可以進(jìn)行程序初始化設(shè)置，為通信模塊的正常工作做好準(zhǔn)備。而RS232串口對(duì)應(yīng)通信程序設(shè)計(jì)則是為了與其他設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)信息的傳輸和共享。這種雙向通信能夠在泵站運(yùn)行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交流，從而為系統(tǒng)的監(jiān)控、管理和維護(hù)提供了便捷的途徑。之后借助TC35I通信模塊將新的短信編碼轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)包，并將這些數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在存儲(chǔ)卡中，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的全面存儲(chǔ)。串口通信程序在兩端創(chuàng)建了順暢的通信機(jī)制，確保了TC35I和RS232之間各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息的完整、快速傳遞。在設(shè)計(jì)LCD顯示程序和AD轉(zhuǎn)換模塊時(shí)，采用了一系列關(guān)鍵步驟來(lái)確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。一方面在AD轉(zhuǎn)換模塊方面，以AD轉(zhuǎn)換器為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)BIT0到BIT7進(jìn)行差異化賦值，獲得了A/D轉(zhuǎn)換時(shí)鐘；另一方面在LCD顯示程序的設(shè)計(jì)中，通過(guò)使用CMD內(nèi)字符集，對(duì)LCD進(jìn)行了合理配置，從而使得數(shù)據(jù)傳送階段實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)顯示［3］。整個(gè)過(guò)程中，TC35I通信模塊的運(yùn)用實(shí)現(xiàn)了短信信息的有效存儲(chǔ)，而串口通信程序的建立則保障了信息在不同設(shè)備間的順暢傳遞。AD轉(zhuǎn)換模塊和LCD顯示程序的設(shè)計(jì)進(jìn)一步完善了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，使得操作更加精準(zhǔn)、高效。

3.1.2? ? ?硬件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)階段，需要設(shè)計(jì)和選擇合適的硬件設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸和控制的功能。該工程涉及的硬件設(shè)計(jì)主要控制核心為L(zhǎng)PC2132，經(jīng)外圍電路與GSM模塊、繼電器控制電路、傳感檢測(cè)模塊以及人機(jī)對(duì)話(huà)接口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊進(jìn)行連接，對(duì)泵站進(jìn)行直接管控，其涵蓋了以下幾個(gè)模塊：電源及EEPROM存儲(chǔ)電路、數(shù)據(jù)處理核心模塊和泵站信息監(jiān)測(cè)模塊。

第一，在該工程信息化設(shè)計(jì)過(guò)程中，技術(shù)人員需要關(guān)注電源及EEPROM存儲(chǔ)電路的設(shè)計(jì)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定供電和數(shù)據(jù)的保存。主電源電路負(fù)責(zé)為整個(gè)系統(tǒng)提供正常運(yùn)行所需的電源，根據(jù)ARM7內(nèi)核芯片的運(yùn)行要求，設(shè)計(jì)合適的主電源電路，確保輸出穩(wěn)定的供電電壓。通常在正常運(yùn)行情況下，主電源模塊需要輸出+24V的直流電壓，且需要經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓源（如LM7812）進(jìn)行穩(wěn)定，以供給振動(dòng)傳感器等設(shè)備的+12V工作電壓。輔助電源電路通常作為備用電源，用于在主電源失效時(shí)提供終端電路的供電，并發(fā)出故障信號(hào)。一般情況下會(huì)選擇+12V鋰電池作為備用電源，確保在主電源故障時(shí)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行并進(jìn)行相應(yīng)報(bào)警。與此同時(shí)，為了滿(mǎn)足信息記錄的需求，如累計(jì)抽水時(shí)間、當(dāng)前抽水時(shí)間等，可以選擇具有I2C接口的外部存儲(chǔ)裝置，如CAT1025芯片，便于在信息化系統(tǒng)無(wú)電源供應(yīng)時(shí)，順利保存關(guān)鍵的控制參數(shù)和數(shù)據(jù)。

第二，在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理核心模塊時(shí)，技術(shù)人員在選擇單片機(jī)的過(guò)程中，應(yīng)考慮使用具有較高穩(wěn)定性和較低功耗的32位單片機(jī)，例如LPC2132，這樣的單片機(jī)能夠滿(mǎn)足處理需求，同時(shí)由于低功耗特性，也有助于降低整個(gè)系統(tǒng)的能耗，而且選用合適的單片機(jī)還可以降低外圍元件配置的數(shù)量，從而減少成本和空間占用。此外，技術(shù)人員還可以使用外部11.0592MHz晶振，并通過(guò)內(nèi)部PLL電路進(jìn)行倍頻，以此獲得更高的時(shí)鐘頻率，提高時(shí)鐘串口波特率的精確度和穩(wěn)定性，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

第三，在設(shè)計(jì)泵站信息監(jiān)測(cè)模塊時(shí)，需要特別考慮該工程所處環(huán)境帶來(lái)的影響。由于該泵站位于較為偏遠(yuǎn)的地區(qū)，可以將三相交流電流和三相交流電壓作為監(jiān)測(cè)的主要電氣參數(shù)，通過(guò)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以實(shí)時(shí)了解電機(jī)的工作狀態(tài)，從而判斷是否存在電機(jī)過(guò)載、缺相等問(wèn)題，以便及時(shí)采取措施，避免潛在的設(shè)備故障。除了監(jiān)測(cè)基本電氣參數(shù)外，還可以通過(guò)計(jì)算電機(jī)的功率因數(shù)來(lái)評(píng)估電機(jī)的工作狀態(tài)，電機(jī)功率因數(shù)是一個(gè)重要的電氣參數(shù)，可以幫助判斷電機(jī)的效率和性能，及時(shí)識(shí)別潛在的問(wèn)題?？紤]到該工程泵站內(nèi)部環(huán)境可能會(huì)受到該地區(qū)氣候條件的影響，需利用可編程數(shù)字溫濕度傳感器SHT11對(duì)泵站內(nèi)部的溫度和濕度進(jìn)行測(cè)量，從而實(shí)時(shí)了解泵站內(nèi)部環(huán)境的情況，確保設(shè)備在適宜的環(huán)境條件下運(yùn)行。

除此之外，該工程還可以將HDP601傳感器安裝在集水池內(nèi)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)集水池液位的變化，從而掌握水源的儲(chǔ)量情況，以便合理調(diào)度泵站的工作。另外，BD-801K數(shù)字電接點(diǎn)壓力表適用于液體壓力的測(cè)量，該工程將BD-801K傳感器安裝在進(jìn)出水口，監(jiān)測(cè)水壓的變化，通過(guò)這種方式來(lái)判斷泵站的工作狀態(tài)以及系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

3.2? ?測(cè)試應(yīng)用

3.2.1? ?終端功能測(cè)試

在該工程泵站信息化技術(shù)的測(cè)試階段，終端功能測(cè)試是至關(guān)重要的一部分，這個(gè)階段旨在確保開(kāi)發(fā)的管理軟件和硬件設(shè)備能夠正常運(yùn)行，并且各項(xiàng)功能能夠達(dá)到預(yù)期的效果。該工程泵站在完成信息化系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)之后，可以按照以下步驟進(jìn)行系統(tǒng)的組裝和測(cè)試：在組裝LCD顯示模塊、控制核心板和GSM模塊的時(shí)候，可以將LCD顯示模塊、控制核心板和GSM模塊按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M裝，確保它們之間的連接正確并牢固。然后逐一測(cè)量連接到系統(tǒng)的傳感器的模擬參數(shù)，其中模擬參數(shù)包括液壓檢測(cè)、電量參數(shù)檢測(cè)等，將傳感器的模擬輸出與AD轉(zhuǎn)換器相連接，通過(guò)模擬信號(hào)的連接方式將傳感器與AD轉(zhuǎn)換器連接起來(lái)，以便將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)［4］。在連接好的傳感器和AD轉(zhuǎn)換器之間，使用程序計(jì)算模擬參數(shù)值，如液壓、電量參數(shù)等，根據(jù)計(jì)算得到的模擬參數(shù)值，調(diào)整輸出電壓，使其與系統(tǒng)要求相符，確保輸出電壓在合適的范圍內(nèi)，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。完成上述工作之后，將傳感器信號(hào)輸出引腳與蓄電池負(fù)極間進(jìn)行電阻串聯(lián)，通常是一個(gè)固定的電阻值，如155.0Ω，通過(guò)使用萬(wàn)用表等測(cè)試工具，對(duì)串聯(lián)電阻兩端的電壓進(jìn)行測(cè)量，確保電壓值在預(yù)期范圍內(nèi)，以驗(yàn)證電路的正確性。如果電壓值獲取的實(shí)際信號(hào)與輸出信號(hào)相對(duì)應(yīng)，均保持在3～4.5V之間，便可以將傳感器信號(hào)與遠(yuǎn)程控制箱相連接，以實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制系統(tǒng)的集成。通過(guò)以上步驟，可以逐步驗(yàn)證信息化系統(tǒng)的功能和穩(wěn)定性，確保各個(gè)組件之間的連接正確，模擬參數(shù)的測(cè)量和計(jì)算準(zhǔn)確，以及系統(tǒng)能夠正常輸出和傳輸數(shù)據(jù)，這些測(cè)試步驟有助于確保電力提灌水利工程泵站信息化系統(tǒng)的可靠性和高性能。

3.2.2? ?現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行測(cè)試是電力提灌水利工程泵站信息化技術(shù)應(yīng)用中的重要一環(huán)，在這個(gè)階段，設(shè)計(jì)的信息化系統(tǒng)需要對(duì)實(shí)際的泵站進(jìn)行測(cè)試，以模擬真實(shí)工作環(huán)境，驗(yàn)證系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中的表現(xiàn)。將設(shè)計(jì)完成的管理軟件和硬件設(shè)備部署到目標(biāo)泵站中，確保系統(tǒng)能夠與實(shí)際的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行良好的集成。將該工程泵站作為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試基地，可以通過(guò)以下步驟測(cè)試和驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的信息化系統(tǒng)是否達(dá)到泵站運(yùn)行需求。首先，將控制器和電動(dòng)球閥進(jìn)行連接，確保閥門(mén)的開(kāi)關(guān)能夠通過(guò)控制器進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，安裝相關(guān)傳感器（如壓力傳感器、電流電壓傳感器、溫濕度傳感器等）和實(shí)時(shí)時(shí)鐘，用于監(jiān)測(cè)不同參數(shù)的變化并對(duì)泵站的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，涉及的參數(shù)包括溫濕度、電流電壓、進(jìn)出水口壓力、累計(jì)抽水時(shí)間等，通過(guò)這些參數(shù)判斷電機(jī)和泵站的工作狀態(tài)是否正常，同時(shí)根據(jù)檢測(cè)到的參數(shù)，判斷電機(jī)是否存在故障，例如可以通過(guò)電流電壓的值判斷電機(jī)的工作情況，通過(guò)溫濕度傳感器判斷環(huán)境條件。其次，通過(guò)主動(dòng)上報(bào)和被動(dòng)查詢(xún)兩種方式將監(jiān)測(cè)參數(shù)發(fā)送至主機(jī)上。其中主動(dòng)上報(bào)可以定期將參數(shù)發(fā)送給主機(jī)，而被動(dòng)查詢(xún)可以在主機(jī)請(qǐng)求時(shí)發(fā)送，這樣可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸。通常情況下，模擬泵站正常工作狀態(tài)，例如，設(shè)置電機(jī)工作狀態(tài)為“正在抽水”，設(shè)定電流、電壓等參數(shù)為相應(yīng)的值，如IC=52A，UC=222V；IB=52A，UB=221V；

IA=56A，UA=216V。通過(guò)狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，管理人員可以在主機(jī)上查看泵站的實(shí)時(shí)狀態(tài)，檢查參數(shù)是否與預(yù)期一致，以此實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理，使泵站的運(yùn)行控制更加便捷、高效?？傊?，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行測(cè)試，可以更加全面地了解系統(tǒng)在實(shí)際環(huán)境中的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)并解決潛在的問(wèn)題，確保系統(tǒng)能夠在泵站運(yùn)行中穩(wěn)定可靠地工作，從而為電力提灌水利工程泵站提供有效的信息化解決方案。

4? ? ?結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，電力提灌水利工程泵站信息化技術(shù)的實(shí)踐與應(yīng)用對(duì)于現(xiàn)代農(nóng)田灌溉和城市供水具有重要意義。信息化技術(shù)的引入使得泵站的監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、故障診斷等功能變得更加高效和精確，便于管理人員隨時(shí)了解泵站的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并采取有效措施，快速對(duì)故障進(jìn)行解除。除此之外，信息化技術(shù)在水利工程方面的應(yīng)用，還有助于提高效率、降低能耗，為管理人員提供更加智能化和可靠的水資源管理解決方案，促進(jìn)水利工程實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

主要參考文獻(xiàn)

［1］高興蕊.淺談提高電力提灌供水工程裝置效率的措施［J］.南方農(nóng)機(jī)，2022，53（15）：183-186.

［2］孫江河，胡斌超，田亞平，等.景泰川電力提灌工程區(qū)塊化管理模式研究［J］.甘肅水利水電技術(shù)，2022，58（5）：13-17，38.

［3］劉志鼎.電力提灌水利工程中的信息化技術(shù)應(yīng)用［J］.集成電路應(yīng)用，2022，39（2）：276-277.

［4］漆淑萍.泵站自動(dòng)化信息系統(tǒng)在提灌項(xiàng)目中的應(yīng)用［J］.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2016，38（4）：39-42.