水利信息化及自动化设计分析

【摘要】本次设计的水利自动化与信息化工程示范点为九门寨片区，试点区工程实施面积为2250亩。控制对象分别为灌溉管网的干管、分干管等重要分水处等。实现干管、分干管水量自动计量、测压及自动输配水、IC卡预付费管理等功能。实施方式建议以省水利厅为技术指导单位，依托小型水利工程建管养用一体化实施方案，形成建管养用一体化的良性运行管理机制，使其长期发挥效益。

【关键词】九门寨片区；水利工程；信息化；自动化

1.试点区建设内容

（1）试点区主要干管、分干管集成自动测流、测压及自动输配水功能于一体。试点区干管、分干管等重要管网分水处均自动测流、监测压力。实现基于管网系统的水资源优化配置，科学指导农业灌溉，达到节水节肥，保护环境等目的。

综合贵州雨热同期及采用低功耗控制设备等因素，系统建设应优先考虑低功耗设备，采用大容量绿色太阳能供电（太阳能板130AH，太阳能蓄电池100W），可确保系统在无光照恶劣天气条件下，太阳能蓄电池持续稳定运行20-30天。兼具先进性与稳定性，安装使用和维护便捷，节能降耗，长期运行成本低的优势。

（2）便捷的控制和管理方式。控制分现场点控、展示厅（管理房）群控、远程网络片控三级进行，用户可自由选择任何一种控制方式，还可采用手机短信的方式实现控制。管理方采用多级模式，可设置不同权限的访问模式，保护系统和数据库的安全。

（3）不同片区以土壤墒情为重要的灌溉指标。同时兼具测流、自动测压及超限报警功能。能按预设需水量的限值要求定时、定量、按计划进行灌溉。并能根据作物不同生长阶段的需水量要求，实现无人值守的智能灌溉，节水30%以上。

（4）C卡预付费管理系统。1）利用 IC 卡的控制阀门的开启与关闭，来完成灌溉与否的功能。以一个用水会协会（分会）或水管单位为一个管理单位集中管理 IC 卡的充值、费率计算和总量记录等功能。2）先交钱后使用，可杜绝水费迟缴、拖缴、漏缴等问题。提高水管理的经济效益。3）采用IC卡灌溉管理系统，具有预先收费、收费标准公开、收费过程动态可见、不需专人值守等特点，从而较好地解决税费拖欠的问题，同时，可有效利用价格和费率调节，引导用户采用节水方式进行灌溉，提高用水经济效益。4）无需管理人员参与，可实现农业灌溉用水的准确计量和智能化管理。5）紧密配合我省农业综合水价改革，可设定阶梯水价、超定额累计加价等多种水价计费方式。体现水的稀缺性和商品属性。

2.試点区控制系统建设

试点区共6个控制单元（包括农业IC卡预付费控制系统）

水利自动化与信息化建设实现土壤墒情监测及自动灌溉控制、IC预付费管理系统，集远程数据采集、自动控制、压力调节、流量调节为一体的综合控制系统。

2.1 系统框架设计

根据管网布置图，设计系统总体框架图如下：

（1）试点区现场控制闸阀井分站安装在现场干管处，共设置6个闸阀井分站，共控制6个大电磁阀，对应采集分干管处流量、压力、并通过大电磁阀的启闭实现管网输配水。

1#闸阀井 控制 1#分干管灌片；2#闸阀井 控制 2#分干管灌片；

3#闸阀井 控制 2-1#支管灌片；4#闸阀井 控制 2-3#支管灌片；

5#闸阀井 控制 2-4#支管灌片；6#闸阀井 控制 3#分干管灌片；

（2）IC卡预付费管理控制机，通过预先缴费及农业水价综合改革确定水价，进行调节，实现预先缴费，用水量动态监测，解决收费难问题；

（3）灌溉远程控制系统。软件的安装调试应充分考虑二次开发的要求，突破不同企业间的技术门槛，建议采用通用编程软件开发。

该控制系统目前已在我省多处示范园区、高效节水灌溉试点进行安装及成熟应用，具有系统集成度较高、扩展性能较强，运行稳定，操作简单方便的特点。具体见图3。

2.2 灌溉控制系统设计

（1）灌溉系统说明

①现场控制级以闸阀井为核心，安装在干管分水处。共设置6个闸阀井分站，1个主站设置在自动化展示厅，用于中心控制；

②分别控制6个dn110的大电磁阀独立工作，实现按照不同灌溉方式的自动灌溉。

③采用监控管理级（主站PC+ internet+网关）、灌溉区现场控制级（分站+扩展模块）多级的分布式控制（DCS）方案。

④监控管理级设在自动化展示厅内，灌溉区现场控制级分布在灌溉区，水泵房控制级设在水泵房内。

⑤现代农业同时打造IC卡预付费水费征收管理系统6套，设置于干管、分干管处。

⑥灌溉区域所有电源均采用24V安全电压，并具有良好的接地保护。

（2）灌溉区现场控制级（分站+扩展模块+GPRS）

布置在试点区的6个现场控制级，通过干管对片区控制进行控制，具有根据作物需水状况自适应灌溉的功能，并兼具手动、自动灌溉、定时、定量，根据灌溉量（湿度差）、时间自动计算和开度调节及压力调节等功能。

现场控制级除均能自动监测并动态显示流量、压力、及其土壤湿度等参数， 并能控制现场的电磁阀和调节阀，能按预设的灌溉计划要求定时、定量地按照作物不同生长阶段的需水量要求进行灌溉。并能显示现场的实时数据和查看历史数据和趋势，设置报警和控制的上下限值和趋势图。灌溉区现场控制级界面采用5.7寸真彩界面，控制柜以闸阀井位基座进行安装。

布置在灌溉区的现场控制级，应牢固安装，设备箱表面应有简单使用说明、单位标识、标志、防雨、密闭性良好。

2.3 智能IC卡控制软件设计

定义中断0 为有效刷卡中断事物，中断1 为串行通讯中断功能系统，可扩展为远程自动抄表功能。上电复位后，单片机进入初始化状态，对系统外部中断0、中断1进行扫描，当扫描到有效刷卡，中断0 有效，单片机读写IC卡信息，若IC卡信息显示有剩余水量存在，并通过验证为合法用户，即打开阀门，施行灌溉动作，同时流量计对用水流量进行计量，并采取相应的扣水处理。若用户想立即结束本次灌溉操作，需再次刷卡，系统自动关阀。若IC卡信息显示剩余水量不足或为0，以及当前用户为非法用户，则系统开始报警，同时关闭电磁阀，系统进入待机状态。控制系统软件开发采用uVision4集成开发环境，编程语言采用Keil C51，在可读性、结构性、功能上、可维护性上有明显的优势，简单易用，它是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。Keil提供了一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，包括宏汇编、C编译器、库管理、连接器。充分利用C8051F310嵌入式操作系统RTX5l Tiny，RTX5l Tiny按某种调度策略使应该运行的任务占用CPU来进行任务管理，同时要进行保存各任务在切换时的地址，即压栈，方便便下次运行该任务时，能够恢复运行。RTX51 Tiny的用户任务具有以下几个状态。RTX51 Tiny 的任务状态具有运行（RUNN- ING）、就绪（READY）、阻塞（BLOCKED）、休眠（SLEEPING）、超时（TIMEOUT）几种；RTX51 Tiny内核用超时（TIMEOUT）、间隔（INTERVAL）、信号（SIGNAL）等事件进行任务间的通信与同步。IC卡控制软件流程图如图5所示。

3.结束语

惠水涟江山区现代水利试点区灌溉二期工程，继续秉承现代水利在惠水农业示范园区发挥重要的引领作用，以自动化和信息化技术为支撑，以水利的现代化推动农业示范园区的现代化，加速我省现代农业发展步伐。针对惠水特色蔬菜及水果开展现代水利自动化与信息化工程试点，成功应用后向全省乃至全国类似的农业示范园区推广，示范作用突出，意义重大，经济和社会效益显著。

参考文献：

[1]周禄琴. 贵州山区现代水利信息化及自动化建设探索[J]. 兴义民族师范学院学报，2015，02：104-109.

[2]蒋斌，黄海田，王朝俊. 江苏水利信息化与自动化的现状及其发展方向[J]. 水利水文自动化，2010，01：19-23.

作者简介：王坤义（1965-5），男，惠水县人，大专，工程师，主要从事小型水利工程建设与管理。