农村小型泵站远程控制信息化技术研究及其应用

□莫 涵梁 君李光辉/.四川省机电排灌管理总站.四川省农业机械研究设计院

农村小型泵站远程控制信息化技术研究及其应用

□莫 涵1梁 君2李光辉2/1.四川省机电排灌管理总站2.四川省农业机械研究设计院

农村机电提灌设施是农业生产水利保障体系的重要组成部分，在农业调结构转方式、提质增效和农村生活中发挥着重要作用。四川省小型泵站量大、面广且分散，2016年全省共修复提灌机械7.70万台次/85.45万kW，改造提灌站2 337座/7.44万kW；新建提灌站684座/2.13万kW。超过31 500座泵站信息和5 000座泵站坐标（GPS）录入省级平台数据库。

当前，农村剩余劳动力大量转移，四川部分地区青壮年劳动力缺乏，农村小型泵站等基础设施建设“重建轻管”的建、管、用矛盾突出。农村小型泵站年久失修现象普遍；采用传统的管理和操作方式，手动控制机组，人工监控机电设备，人工统计水位、扬程、开机时长等数据；管理方式粗放，管护人员劳动强度大，安全系数低，效率差。

四川省积极探索农村小型泵站信息化改造，在6个机电灌溉重点区（市、县）（泸县、长宁县、合江县、苍溪县、江油市、雁江区）进行了30处信息化泵站改造。通过远程无线与本地近程无线通信的无缝连接，建立了基于服务器、泵站无线终端、智能手机远程无线测控平台、中间件以及智能手机客户端的提灌站远程控制管理系统。实现了对设备和泵站的现场监控、泵站的自动启停、泵站提水参数的采集和处理，有效地提升了灌区泵站运行、维护和管理水平，建立了四川省机电提灌运行数据抽样采集和泵站信息化示范系统，为行业的管理者和使用泵站的基层群众提供了“扁平式”的专业服务。

1 项目研究背景

在“互联网+”行动计划的推动下，农业互联网将成为促进集约化经营、提高农业生产经营效率的重要抓手。通过嫁接互联网，对传统农业进行改造，可有效减少行业中间环节，使信息更加透明化，有助于保障粮食安全，提高农资产品使用效率，现实信息化和农业现代化深度融合。在“四化”深度融合同步发展的过程中，在云计算、大数据、物联网、4G等新技术加快推广的背景下，用信息化手段推进现代农业发展，促进农业的产业升级和转型，已成为四川省农业现代化的必经之路。

北京、黑龙江、江苏等省市承担的国家物联网应用示范工程和农业物联网区域试验工程先后启动实施，经各地推荐和专家论证，全国共筛选出310项农业物联网成果，涉及农作物“四情”监测、设施农业、畜禽水产养殖、农机作业调度、农产品质量安全等行业和领域。

泵站远程控制信息化是农业信息化的重要内容，是实现农业基础工程管理、调度、优化的基础。本文针对泵站运行维护管理的信息化技术应用需求，研究了一套农村小型泵站远程控制信息化系统。本系统包括硬件和软件两部分，已成功应用于泸县、长宁县、合江县、苍溪县、江油市、雁江区6个县（市、区），可对30个泵站进行远程信息化控制。

2 泵站无线控制终端信息化改造实施

2.1 泵站远程控制信息化系统的构成

本项目组开发了一套泵站远程控制信息化系统，以智能通讯设备为平台，实现对农村泵站的自动化控制和监控。系统由硬件系统和软件系统两部分组成。

硬件系统：泵站无线控制终端（含无线远程控制单元、GPRS传输系统、中心数据控制终端、检测单元等）、电动阀、电磁阀、传感器、摄像头、管道及管件、线缆等。

软件系统：基于智能手机操作系统下（Android系统和iOS系统）实现了泵站管理组的组员管理、泵站远程监控终端的监控信息展现，以及泵站的远程控制等功能，目前实现了Android系统下的应用。

2.2 泵站远程控制信息化系统的主要功能和特点

2.2.1 主要功能

实现对泵站机电设备的自动化监控，对泵站机组的远程操控，以及对机房的视频监控；通过对前端泵站监控，实时观测泵站内设备和机组的运行状况及指标，并提供图像信息，改善工作环境、减少值守人员，真正实现泵站科学化、现代化、自动化管理；提高泵站运行管理的实效性。

2.2.2 主要特点

全程无线连接，省去布线的投资、施工的时间和线路维护的烦恼；操控界面全中文，傻瓜化，操作简单；遥控距离不受限制，只要有手机信号的地方就可以控制；进入操控界面时，自动侦测并显示当前泵站机组状态；发生报警时，提醒信息自动定时重发，直到得到报警处理的响应，保证报警及时得到处理；完全保留传统操控方式，在智能控制系统发生故障时，还可使用传统手工方式控制；具备全自动控制模式，在此模式下系统无需人工干预。

2.3 泵站远程控制信息化系统可适用的主要引水方式

应用泵站远程控制信息化系统可以对4种引水方式进行控制：真空引水装置，适用于引水管径200mm以下的泵站；真空泵，适用于引水条件较好的泵站；前置潜水泵，适用于大落差取水位的泵站；潜水泵，适用于水泵机组水下安装的泵站。

3 工程实例

3.1 工程概况

地址：泸县福集镇耿石桥。名称：泸县福集镇耿石桥提灌站。等级：小（2）型-B。类别：电力提灌站。实用范围：为泸县福集镇的5个村民小组的40 hm2旱地、1 500余人口提供生产生活用水保障。运行基础：泵站提水高峰期为每年1～5月枯水季节和其他干旱时期。主要运行时段：枯水期大约每星期提水3次，每次工作8 h。外部条件：泵房外围环境良好，交通方便，有移动网络覆盖；泵房结构完好，只需简单装饰，泵站房屋基础良好；有电力变压器等电力设施。内部条件：管道泵（流量190m3/h，扬程50m，功率45 kW），启动柜为45 kW软启动控制柜。

3.2 无线泵站终端信息化改造实施

3.2.1 泵站结构形式

该站为整装泵站，采用“真空罐”引水方式。

信息化改造主要是通过“泵站无线终端”构建泵站双向信息通道。“泵站无线终端”的控制信号经调理后与泵站原有电控柜主电机启停控制回路连接；泵站原有主管路手动闸阀和真空罐补水、排气阀改造为电动球阀和电磁阀，由“泵站无线终端”直接驱动。安装水位传感器、环境温度传感器、电机温度传感器，压力开关信号由电接点压力（真空）表输出，与门禁和USB摄像头、讯响器相同，信号回路直接接入“泵站无线终端”。泵站启停由原电控柜主令按钮或手机APP操作，由“泵站无线终端”进行控制。开机时，吸水检测成功后，主电机启动，电动球阀通过约15 s，完全打开阀门，进入提水工况；停机时，在电动球阀关闭后，切断主电机电源，并控制电磁阀利用电动球阀后的管道高位水向真空罐补水。

3.2.2 泵站信息化改造主要内容

对该站进行信息化改造，安装泵站终端、传感器和执行器等，建成泵站远程控制信息化示范泵站。根据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数据采集和自动控制功能。能够对泵站的工作条件（进水水位、电源状态、环境温度、流道压力、设备状态等）、工作状态（电流、电压、电量、电机温升、流道压力等）和值守信息（门禁（触点）、震动（音响）、掉电（失联）等）进行检测和记录，对故障和非法进入进行判断、提示，实现“无人值守”工作状态。

3.2.3 远程控制信息化泵站技术说明

3.2.3.1 控制箱

1）状态指示和“本地/远程”管理

控制箱安装电源开关和电源指示灯。系统通过断电重新上电进行系统复位。系统设“系统状态”指示灯、“故障报警”指示灯、“主机启动”指示灯和“水源状态”指示灯。“系统状态”指示灯为双色LED指示灯，指示“本地/远程”和GPRS工作状态。“本地/远程”状态由原控制柜增加的“本地/远程”开关提供状态信号，高电平为本地，低电平为远程。转换开关通过控制箱输入端子。

2）电源接入和控制电源输出

控制箱接入电源为AC 220 V 1 A。控制箱提供AC 24V 25W（1A）电源输出，作为输入开关量传感器和输出中间继电器驱动电源。

3）获取泵站电参数

控制箱采用“电参数模块”获取泵站电参数，它安装在原泵站电控箱内，采用三相三线接入，要求接入三相线电压（380 V）和A相、C相互感器次级电流（5 A），由MODBUS总线与控制箱MODBUS总线端口连接。

4）输入、输出端子

输入由12个开关量组成，输入电压为AC（DC）24 V，电流10mA。12个开关量状态可分别被系统读取，0号端子为公共端子。输出由5个继电器的常开触点组成，触点最大电压AC 220 V，电流5A。5个继电器可分别控制。

3.2.3.2 摄像头

摄像头为网络红外摄像头，可根据光线情况自动启动红外照明。摄像头为室内安装金属壳体半球机，采用网线（20m内）与控制箱主控板网口连接。摄像头供电为12 V/2 A专用电源，电源由220 V供电，靠近摄像头布置。相关线路穿管安装。

3.2.3.3 泵站预置参数和控制逻辑

泵站预置参数主要有泵站（排灌总站信息系统）IP号、泵站电流互感器比值、泵站组长账户手机号等。泵站控制逻辑采用水参数（压力、水位）控制逻辑和电参数（电压、电流）控制逻辑组合，实现泵站工作逻辑和异常处理。电参数控制逻辑以选定的基准电流数为标准，分为正常、欠载、过载、超载4种状态进行运行和异常处理。按照泵站实际工况，确定泵站工作基准电流数。泵站工作基准电流数可在控制箱内控制主板的DIP拨码开关用8位2进制码设定，有效值为0～255A（基本型控制板）。

3.3.4 泵站远程控制子系统软件手机APP远程控制终端

3.3.4.1 硬件配置要求

处理器：1 GHz以上。内存：1 GB或以上。屏幕：分辨率1 280×720以上。

3.2.4.2 操作系统要求

Android系统4.0版本以上。

3.2.4.3 功能描述

1）系统登陆

泵站远程控制子系统是基于Android和iOS系统下的移动端定制应用（APP），在进入系统的时候需要手机号码进行登录。

2）系统消息

接收管理员从泵站属性信息管理平台上发给手机APP用户的消息。消息主要分为两大类：系统消息和我的消息。

3）系统监控

分为机组运行控制、告警控制、机组控制、视频图片展示四大板块。机组运行控制通过硬件监控终端可以获取到机组的运行电流、电压、水位、运行温度等相关参数，通过移动公司M2M网络将数据上传到监控端，数据解析后存储到数据库中，通过手机APP进行数据读取和展示；告警控制通过泵站硬件监控终端监控机组离线、运行告警、门禁告警等三大类告警信息，并以短信的方式通知手机APP端；机组控制是通过手机APP应用端对机组的开关机以及所在泵站站房的门禁进行远程开启或者关闭控制；视频图片展示是监控摄像头所拍摄的图片，每一次刷新都可以看到最新拍摄的图片。

4）用户管理

分为普通用户管理、用户升级、用户使用时间申请、用户使用时间确实四大板块。普通用户管理：泵站管理组长可以通过手机APP，直接增加和删除该组下的普通手机用户。用户升级：普通手机用户只能在所申请的时间范围内控制和查看泵站的相关信息，而超级用户可以在任何时候查看泵站的监控信息。用户使用时间申请：普通用户需要到用户管理界面申请使用时间，只有在组长审核通过以后，用户才能查看该泵站的参数以及远程控制。用户使用时间：泵站管理组长可以在用户列表中查看到申请使用时间的普通用户，对于这些申请，只有组长通过“确认”按钮确认后，用户才具有操作控制泵站的权限。