小型灌溉泵站群监控管理系统设计与研究

刘 洋，蔡守华，曹晓林

(1.江西省农业科学院农业工程研究所，南昌 330200；2.扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏 扬州 225127)

小型灌溉泵站是农业生产中重要的水利基础设施。根据第一次全国水利普查公报，我国共建不同规模泵站有42万余座，其中装机流量小于1 m3/s的泵站共有33万余座，占有比例达79%以上[1,2]。现有农村灌溉泵站装备落后，管理水平不高，自动化程度也较低[3]；这其中的大部分是小型泵站，数量多，位置分散，设计标准较低，不便管理，缺乏专职管理人员，运行效率较低，运行故障较多，自动化监控与联网基本缺失[4-6]。

根据小型灌溉泵站的分布特点及管理现状，以及实现农村水利现代化的要求，开发设计小型灌溉泵站自动控制与管理系统，具有一定的现实意义。

1 系统总体结构

根据农村小型灌溉泵站群分布特点，确定小型灌溉泵站群监控管理系统如图1所示。系统主要包括3个部分：现场控制单元、数据转发平台和上位机。一个泵站对应一个现场控制单元，现场控制单元中的单片机不仅能自动控制现场泵站的开机停机、监控泵房是否有人入侵及发出警告信息，而且能采集水泵的电流、电压以及流量等相关数据，同时也能实现对泵站进水池以及出水池的水位读取，保障泵站运行安全。系统一般包含有一个上位机和多个现场控制单元，为保障信息的及时传输以及安全，需要数据转发平台对数据进行存储以及转发，数据转发平台主要包括数据库服务器等设备。上位机主要包括两个部分，一是位于管理部门的PC客户端，用于数据处理及总体监控；二是与每个现场控制单元对应的手机客户端，用于对单个泵站的状态监测与运行控制。

该系统上位机软件人机界面设计简单易懂，主管部门管理人员可通过上位机PC端软件对各个泵站进行控制以及实时监控，也可以对泵站进行数据处理；普通用户即泵站操作人员可通过短信指令远程控制泵站开启闭合，接收泵站安全警告信息等。

2 系统硬件设计

根据泵站评价指标与小型泵站特点以及综合考虑到成本、精度、可靠性等因素，本系统的现场控制单元硬件分别以RS-485、以太网等有线、无线通信方式对泵站系统进行控制、数据采集，实现智能灌溉。系统采用了两种通信方式----无线与有线通信，两类通信方式各有利弊，一般在实际应用中根据需求将两类通信方式结合考虑更为适宜[7]。智能流量计、智能液位计和智能电表内部分别采用RS-485有线通信方式，微控制单元(MCU)通过GPRS网络无线通信方式与远程服务器连接。

现场控制单元核心部分是包含有一个STM32F103C8T6的单片机，64KB的FLASH、20KB的片内SRAM，预留有20个外接IO口，2个USART口，1个RS485串口，2个3.3 V供电口，2个5 V供电口；继电器供电电压是5 V，可以由单片机直接供电，能控制交流与直流信号，最大控制电压是240 V，最大电流30 A；智能液位计测量范围0～100 m，供电电压24 VDC±10%，测量精度±0.2%；GPRS模块采用的是有人集团USR-GPRS232-701-2，内置电话卡槽、RS232接口和外接天线，供电为5～28V，支持的网络包括GSM/GPRS/EDGE 网络，采用GSM07.07 AT 指令集；水位开关、霍尔传感器和集线器选择的型号分别是LFS-SS2-A1、NJK-5002C和宇宁YN5204等。

图1 系统结构图Fig.1 System architecture diagram

2.1 泵站信息采集整体架构设计

水泵流量、电机电流和电压是反映水泵运行情况，判断泵站故障的重要因素；进水池、出水池水位是水泵运行效率以及安全的重要参数。流量采用电磁流量计采集，型号为ZJJ-50，量程0.3～1 m/s，精准度±0.5%R，使用R485通信；电流电压采集采用鑫宇194E-9S1智能电表，测量精度是0.5级，电压量程AC220 V～450 V，RS485通讯接口；进水池水位采集使用智能液位测量仪，带数码管显示，重量轻，体积小，将检测液体的压力与液位等参数转换成电信号，输出485信号。RS485集线器为宇宁科技的YN5204型隔离型RS232/RS485转四口RS485集线器，支持传输速率最高达到115.2 kbps，采用光电隔离技术。

本系统泵站信息采集部分的设计思路是控制层与数据采集层之间以MODBUS-RTU协议进行数据传送，通过RS485线进行连接，控制层发送相关采集指令，采集层返回相关数据。在灌溉泵站启动时，系统根据收到的上位机的相关信息，控制层开始根据指令指定的时间段以及所需采集的信息向数据采集层按时间段以及相应目标发出指令，数据采集层返回数据后，控制层向上位机发送所采集的数据，上位机将所感知的实时数据进行分析、处理，并按着需求下达相应指令，实现泵站的自动控制以及故障判断。其数据采集部分网络拓扑结构如图2所示。

图2 数据采集部分结构图Fig.2 The data acquisition unit of the system architecture diagram

2.2 硬件主程序设计

现场控制单元的程序采用单片机C语言编写，开发环境是keil uVision4。主程序的主要流程是启动现场控制单元后，单片机串口及外围电路进行初始化，如单片机内部定时器、串口扩展芯片、外部接入的水位开关与霍尔传感器等；之后初始化GPRS模块并连接到GPRS网络，随后通过GPRS网络与相关远端服务器的地址信息发送连接请求，建立与远端服务器的通信通道。在主程序中，首先接受两个开关量的数据信息，即水位开关和霍尔传感器开关的信号，并发送相关警告信息给服务器端。接收服务器端发来的命令，如果接收的是控制命令，单片机向继电器发出相关信号，控制继电器的开与关，无需向服务器返回数据；如果是数据采集命令，按照相应的命令向通过RS485线连接的各智能采集仪器发出符合modbus通信协议的采集指令，接收到相关数据后通过GPRS模块发送给远端服务器；如果是图片采集命令，就通过与摄像头连接的串口发送相关图片采集指令，接收到二进制的图片数据后通过GPRS模块发送给远端服务器；流程图如图3所示。

图3 硬件程序总体流程Fig.3 Flow chart of hardware programs

3 系统软件设计

3.1 上位机调度管理软件

小型灌溉泵站群监控管理系统主要是通过上位机控制管理小型灌溉泵站群，让人足不出户就可以控制监控各泵站的运行情况，根据一段时间中收集的各个泵站的运行数据，对各个泵站管理做出相应评价。本系统开发环境为Visual Basic6，采用SQL Server数据库管理系统。根据本系统需完成的目标，本系统开发软件主要分为五大模块，主要是实时监测模块、安全警报模块、数据管理模块、数据分析模块和管理评价模块。上位机人机界面管理平台功能结构如图4所示。

图4 上位机端功能图Fig.4 Function diagram of host computer client

实时监测模块可以实时观看各个泵站运行状态参数，如实时流量、累计流量、电机电压电流数据、累计用电量和进水池水位等；安全警报模块主要监测泵站出水池水位是否达到上限、泵房是否被外人入侵等信息，触发这两个信息均会向PC端以及指定手机端发出警报信息，并自动拍照；数据管理模块主要是系统能够自动存储每条指令和数据，并提供查询和打印，实现数据和故障回溯功能；数据分析模块可以选择一段时间内监测数据信息的变化曲线，可对不同时间段数据进行比较。

3.2 系统管理评价分析法

本系统内的管理评价模块主要是指对泵站管理水平进行评价，在泵站运行一段时间后，就能够进行简单评价，分析水泵效率和管理状况，供水泵管理部门作为，是系统重要的组成部分。参考国家标准规范《泵站技术管理规范》(GB/T30948-2014)以及本系统所监测内容，确定4个评价指标，即能源单耗、单位功率效益、毛灌溉定额和故障率[8,9]。

能源单耗是指把1 000 t的水提高1 m所需要消耗的电量，一般使用符号e表示，单位为kWh/(kt·m)。根据泵站经济管理标准，我国的机电灌溉站的能源单耗不应该超过5 kWh/(kt·m)[10,11]。能源单耗的计算公式如下：

式中：∑E为段时间内泵站抽水的耗电总量，kWh；∑V为一段时间内泵站提水总量，t；H实为泵站实际的净扬程，m。

单位功率效益是指灌溉泵站装机功率综合考虑灌溉水量和泵站扬程的指标，采用符号a表示，单位是kt·m/kW。其计算公式如下：

式中：ρ为水的密度，kg/m3；V为一段时间内泵站提水总量，t；H实为泵站实际的净扬程，m；∑P为泵站装机功率，kW。

毛灌溉定额是指在整个作物生长期内，泵站控制的灌溉面积内的平均灌水量[12,13]，采用符号m毛表示，单位是m3/hm2。其计算公式如下：

式中：Q总为泵站一段时间内总的抽水量，m3；A为泵站实际控制灌溉面积，hm2。

本系统管理评价采用的方法是分级评价法，现将选出得到4个主要的评价指标的标准值和相应评分标准，再将所要评价泵站的各项实际指标数据与标准值相比较得出评分，然后再将各项指标的评分相加，综合得到泵站管理水平等级。能源单耗以国标规定为标准值；毛灌溉定额不同作物不同地区有所不同，可将当地作物一般平均值为标准值，表2中的8 250 m3/hm2是以江苏扬州地区水稻的毛灌溉定额作为示例。单位功率效益由于各个泵站的灌溉面积与设计扬程各不相同，没有统一具体的限定值，一般以泵站设计值计算为准。故障率以次数计算，发生零故障为标准。每个参数有5个等级，每个等级评分各不相同，具体的泵站管理水平的评价标准表如表1所示；得出泵站管理评价指标得分再相加可得最终评价得分Mi，再参照泵站管理评价分级表(见表2)最终确定泵站管理评价的等级。

4 系统测试

在扬州大学农水实验室经过一段时间测试，小型灌溉泵站群管理系统运行稳定，在网络正常情况下，系统访问速度快，操作简单，测量精确，控制灵敏。系统设计以用户为出发点，界面友好，各功能模块操作流程设计符合逻辑，不管是在监测上，还是操作上，都能够让用户易于领会掌握，能够满足农村小型灌溉泵站群控制信息化与自动化管理的要求。系统硬件和上位机软件如图5所示。

表1 泵站管理水平评价表Tab.1 the pumping stations management level evaluation form

表2 泵站管理评价分级表Tab.2 the pumping stations management level classification form

图5 系统硬件与软件界面图Fig.5 The hardware and software interface diagram

5 结 语

本文研究开发了一套以小型灌溉泵站为对象的监控管理系统。在硬件方面，以小型单片机为控制模块，以各类传感器为和智能仪器为监测设备，以GPRS DTU模块为通信设备，以C语言为程序开发语言；在PC端管理平台方面，以VB语言开发了小型灌溉泵站群实时监控、监控数据存储与评价管理软件。该系统具有对泵站远程控制、实时监控、安全警戒、历史数据管理分析和管理水平评价分析等实用功能，既适宜于上级管理部门(如乡镇水利站)对本区域小型灌溉泵站群的综合管理，也适用泵站操作人员对自己管辖的单一泵站进行监控管理，对提高农村小型泵站管理水平具有一定的现实意义。