一体化泵站在农田灌溉排水中的应用分析

邹秋华　余敏　韩玲

摘 要 随着我国水利灌溉排水、城市防洪的大力发展，在农田灌溉排水中，传统的中小型泵站由于无人管理和改造，水泵设备出现了老化、自动化程度低、管理落后等问题，通过应用泵站一体化控制技术，能够为农田水利管理提供一定的理论依据。

关键词 一体化泵站；农田灌溉；排水

中图分类号：TV675 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.26.067

1 研究背景

随着我国政府对农业的大力扶持，农田水利设施得到了快速发展，其中农田灌溉主要以中小型泵站为基建对象，中小型水泵对农田的灌溉和排水起到了重要的作用[1-2]。然而现代农业使用的中小型泵站大部分是在20世纪60年代建造的，由于长期工作，泵站设备的运行性能下降，零部件加速老化，最终导致农田的经济效益较低，阻碍了经济的快速发展。

中小型泵站的电气信息设计主要包含配电柜、电源箱、电容补偿柜、LCU单元、视频监控系统、计算机工作站和数据服务器[3-4]。目前，在农业快速发展的背景下，建设现代农业现代化，对于优化水利设备是很有必要的，尤其是设备的资源管理和运行监管，并且快速向信息化、数字化、智能化等方向迈进。

对农田灌溉和排水设备进行升级、优化，有助于泵站向一体化的方向迈进，接下来介绍信息化、数字化、智能化的重要性[5-6]。1）实现信息化。通过利用多种渠道采集农田生产的信息，多方位和多角度获取当地区域或者周边区域的雨水、天气、用水量等信息，并将其输送给管理人员，以此作为农田灌溉和排水的数据，使该区域的农田用水得到及时监控和调配。2）实现数字化。将农业的灌溉与肥料、作物等学科进行联系，并利用信息化的优势，对不同的作物、土壤、气候等外界环境建立合理的模型，以数字化作指导，用参数进行量化，以此指导灌区的水资源调配，让一体化泵站在农田灌溉排水中发挥最大的作用。3）实现智能化。将获得的农田灌溉排水的相关参数作为依据建立科学的匹配模型，并通过编制软件控制泵站的设备，使设备自动运行，从而控制灌溉排水的正常运行，实现自动化和智能化。

2 一体化技术的特点

一体化泵站主要利用“一体化”技术，实现了机械、电子和信息控制的融合，并将其应用在泵站等各个领域。其中，一体化技术是指多个原来相互独立的主权实体通过某种方式逐步在同一体系下彼此包容、相互合作，结合成为一个单一实体的过程。中小型泵站一体化建设具有结构简洁、操作方便、自动化程度高、智能程度高和需要劳动力少等特点。结合农田灌溉和排水的实际环境要求，有必要将一体化技术应用在农田灌溉和排水管理上，合理配置与布局每个部分的功能，使整个泵站控制系统达到最优化。

一体化泵站由井筒、格栅、水泵、管道、阀门、传感器、控制系统和通风系统等部分组成，一体化泵站前期由工人在工厂预制安装，将组装好的一体化设备运输到泵站进行固定安装，从而能够节省安装的周期，也可以及时解决存在的问题。若采用一体化泵站用于农田灌溉和排水，只需要少数或者单人进行看护，可由操作人员进行远程控制，与此同时维护人员通过网络掌握泵站的运行情况，对于出现的异常可以进行实时修改和调整，让一体化泵站实现无人值守，有效地降低了泵站的投资成本和运行费用。

一体化泵站采用电气信息化自动控制装置，采用机电一体化的设计理念，高度集成了泵站电气主回路、软启/软停控制、变频控制、主设备控制、泵站各种运行参数检测、辅助设备的控制及保护、人机界面操作、运行参数信息的采集与处理、远程指令的接受及执行、视频监视、安全防盗报警和无功功率因素补偿等部分。

其中，水位和水压传感器采用的是4～20 mA的电流信号进行传输和控制，获取信号之后通过单片机内置A/D转换进行数据读取，对部分功能进行介绍分析如下。

2.1 泵站取水功能

启动泵站进行取水主要分为，刷卡开泵网页端远程控制开泵和手机APP端远程控制开泵。刷卡取水过程是模块读取卡上的信息，将信息反馈到计算机上，由计算机给出相应的指令，对设备进行控制。整个取水过程相对简单方便、操作灵活。

2.2 电参数检测

电参数检测采用了电表和电参数芯片相结合的方案，对电表的计费相对方便，由于电表可以提供电压、电流、有功、无功功率等参数，但是不能对电机进行异常保护，而电参数芯片弥补了电表的缺陷，较好地为一体化泵站提供了无功功率、功率因数和电网频率等参数，将获得的参数输送给单片机，由单片机通过计算重新分配电参数，以此来检测过压故障、缺相故障、逆向序故障等，从而实现对电机的安全保护。

2.3 图像数据检测

图像数据检测主要是用于泵站监控，当有人进人供水室时，红外传感器获取信号，并输低电平，触发单片机的外部中断，以此同时单片机调用摄像头对其进行拍照整理，将图像数据存储起来，最后上传到远端的云数据。当需要时，可以随时调用，以此实现对泵站进行安全监视。

2.4 通信电路实现

一体化泵站的控制核心是单片机，通过A/D转换器获取水位和水压数据，通过TS-485接口完成对软启动器参数、电参数、图像数据和流量的数据采集。

一体化水泵采用STM32F407，其RS-485与单片机直接相连，单片机对采集到的信号经过数字滤波，通过特定的协议与各种型号功能的传感器进行通信。该通信电路具有如下特点。1）采用多项控制技术，如机械动力技术、计算机技术、自动控制技术和传感测控技术等，对水泵的测量、保护和控制监控非常智能化和自动化，标准化的通讯协议能够提供多种通信接口。2）将电气控制、智能保护、软起动/软停机（变频）控制、过程自动化控制、信息化管理、视频监视、安全防盗报警和无功功率补偿等进行有效结合。3）该模式操控简单，普遍采用一键式操作，个性化的人机界面直观、簡单、方便。

3 泵站一体化控制的发展趋势

一体化泵站结合了多个学科，包含机械、电子、控制、计算机、信息和通信等各个方面，一体化泵站的发展必然向模块化、智能化、节能化进行拓展，带动更多的模式，相辅相成，让一体化技术得到进一步应用。随着国家大力扶持农业发展，农田灌溉排水必然会实行智能化。对于模块的发展，是水泵的第一要求，换句话，水泵的研制发展，今后要朝着模块化方向发展，根据使用情况和性能要求的不同，决定采用不同型号的模块，以此组装相应的水泵和控制器件，有利于提高设备的制造速度，也能够减少泵站的施工时间，为今后一体化泵站的优化提供一定的理论依据。

智能化是新时期制造领域的新趋势，一体化水泵也不例外，一体化水泵在农田灌溉排水中，主要通过收集、整理、分析和量化各种农田的指标，并以智能化为依托，对农田的灌溉和排水进行管理，实现一体化泵站的自动检测运行。节能是指泵站的高效运行，传统的泵站建设仅仅是为了满足灌溉排水的基本要求，对自动控制基本处于空白，对泵站的运行效率没有进行监控，导致农田中使用的中小型泵站效率处于25%～35%。由于传统泵站存在性能差、运行成本高、能耗大等缺陷，今后采用一体化泵站，对于提高泵站的使用效率具有重要的意义。

随着国家对农业灌溉排水中使用中小型泵站的重视，对其结构进行升级和优化成为必然。农田的灌溉和排水采用一体化技术，能够使一体化泵站向自动化、智能化和信息化等多元化方向迈进。在建设中小型泵站的过程中，要谨慎对待农田灌溉和排水的实际情况，不能脱离实际环境，要根据农业环境的实际需要进行合理的规划施工，让一体化泵站在农田灌溉和排水中发挥真正的作用。

4 结语

通过分析一体化泵站的应用背景，对农田灌溉排水中传统中小型泵站存在的问题进行对比分析，并提出一体化泵站在农田灌溉排水中的发展趋势，為一体化泵站的未来发展奠定了基础，使一体化泵站更加全面化和科学化。

参考文献：

[1] 张菊平.地埋式一体化泵站的设计和应用[J].中国战略新兴产业，2018（24）：212.

[2] 朱寅春，王小鹏，陆丽萍，等.一体化预制泵站在二次供水工程中的应用探讨[J].中国给水排水，2017，33（24）：17-20.

[3] 孟凡有，谭晓强.一体化预制泵站的选型设计[J].通用机械，2017（8）：71-73.

[4] 冯俊豪.一体化泵站泵坑设计及流动数值分析[J].中国给水排水，2016，32（21）：108-110.

[5] 孙兵，蒋文军.污水收集输送一体化预制泵站技术要求及试验[J].通用机械，2016（6）：70-73.

[6] 汤庆丰.一体化预制泵站在小区污水泵站迁建工程中的应用研究[J].四川环境，2016，35（3）：94-100.

（责任编辑：刘昀）