农村泵站工程智能化技术的改造研究

何健伟

（江门市蓬江区棠下镇农业综合服务中心，广东 江门 529000）

泵站是水利工程中的气压动力和液压动力装置站点，其运行具备一定的压力和流量。泵站的主体是由电机、水泵、油箱等组成，还包括其他附属设备，可以按照泵站的具体需要进行增减。而在传统泵站的构建中，基于老旧的设备和落后的技术，泵站的运行效果不佳，因此，进行合理的升级改造，提升泵站的运行作用是势在必行的举措。本文分析了泵站改造的必要性、农村泵站存在的问题，提出了智能化技术的改造策略。

1 农村泵站智能化改造的必要性

1.1 农业生产和居民生活的需求

大多数农村泵站的主要功能是农业灌溉、排涝以及提供居民饮水，可以通过泵站强大的输水功能，为灌溉以及村民生活提供安全、足量的水源，特别是在枯水期农田需要供水的情况下，泵站的工作效率会对农作物的产量造成直接的影响。在传统的农村泵站中，多数是老旧的设备，性能减退严重，而且都是靠人工管理，费用高、效率低，严重影响农田灌溉的效率，因此对这些泵站进行智能化的技术改造具有重要的意义。农村泵站结构示意图如图1所示。

图1 农村泵站结构示意图

1.2 水利工程效益的需要

泵站是水利工程的重要设施，可以发挥调节水能的作用，提升水利工程的运行效益。但在传统的泵站建设中，设计不够严谨，技术水平低下，设备功能不全面，在运行中需要大量的人力、物力和财力，制约了水利工程的实际效益。对泵站进行智能化的升级改造，可以显著优化泵站的功能，让水利工程的价值大幅度提升。

1.3 节能减排目标的需要

目前，我国在经济发展中要求节能减排，要发挥绿色生产效益。而传统的泵站在工作效率、能源应用方面缺陷十分严重，在同等能源消耗的基础上工作效率难以提升，所以，加强泵站的升级和改造是环保工作节能减排目标实现的根本需求[1]。

2 农村泵站工程存在的问题

2.1 环境问题

农村泵站的主要作用就是灌溉和居民饮水，但很多农村泵站都在复杂的自然环境中建设，不但距离村屯较远，还道路崎岖，同时泵站管理人员多数是老年人，在操作中效率低下。以上这些因素都导致泵站运行中的诸多问题发生，难以满足新时期农村对水利工程的需求。

2.2 人员问题

因为农村的泵站工程资金不足，加之相关的管理人员素质不高，在设备更换的过程中技术含量极低，严重影响了农村泵站运行的工作效率，泵站的水利工程价值难以发挥。同时在检查设备的时候，管理人员通常采用一般性的维护，缺乏故障隐患的针对性，造成泵站设备经常发生故障。

2.3 管理问题

“重建设，轻管理”现象一直是农村泵站管理中的问题，管理人员因为年龄大和素质的因素，只是按照自己的管理经验进行设备维修，同时因为不断地更换设备需要考虑资金投入问题，在泵站设备选择上难以保证质量，不仅影响了泵站工程的运行效率，管理人员的作用也难以发挥。管理者在日常的管理工作中没有参考依据，更不具备执行力，让农村泵站的运行效果大打折扣[2]。

3 农村泵站工程智能化技术的改造措施

3.1 泵站动力机的选择

3.1.1 泵站动力机的选型

泵站动力机通常分为两种类型，即交流同步和交流异步电动机。同步电机可以确保工作的稳定性，也可以对电网无功功率进行补偿，但缺点很明显，不仅需要很多辅助设备而且控制环节也极其复杂，导致成本高、故障率也高，通常在大型泵站上应用。与同步电动机比较，异步电动机具备显著的优势，主要表现在结构和控制系统简单、无需过多辅助设备、操作简便且可靠性高、费用小等优势，虽然异步电机也存在启动需要大电流、偏低的功率因数，对启动方式和电源容量要求较高的缺点，但其优势明显，正成为同步电动机的替代品广泛应用在泵站的动力系统。所以，本研究选择10kV的交流异步电机为泵站的动力机型。

3.1.2 选择电动机的起动方式

通常电动机包括降压启动和直接启动两种方式。以不超过电源容量的30%作为电动机启动的功率，降压启动一般会利用两种模式，即Y/△变换软起动和直接启动。软启动器利用三相正反并联晶闸管作为调压器，通过对晶闸管上的触发脉冲角位置的合理改变，逐渐增加晶闸管的输出电压，推动电动机的平滑启动在平稳加速中实现，被迫降低启动电流后，电机的转数为额定状态时，发挥旁路接触器的作用，已经完成任务的晶闸管会被软启动器取代，电机的运转在额定电压下进行，转数缓慢下降到零，可以完全杜绝自由停车带来的转矩冲击。常规状态下，都会选择软启动模式作为电动机降压启动模式。

3.1.3 选择电动机调速方式

通过两类方式调节水泵变速：一是不改变电动机转速的情况下，传动装置的调整可以利用水泵与动力机之间的传动装置完成，即传动装置输出转数改变水泵的工作转速。二是利用改变动力机的自身转速调节水泵的转速。

3.2 应用泵站智能控制技术

该技术的应用要点是，水泵的工作启动要按照河道水位的变化情况决定，通过智能式水位实时监测系统实时掌握水位情况，同时将水位的高度变电压信号，以此管控电机的启动和停止，实现泵站的智能化管理。电动机的控制可以通过智能和手动两种模式。手动方式作为应急的工作模式，一般会在智能控制出现故障时应用。智能式水位实时监测系统主要包括上位机和下位机两个部分。水位的高度是由下位机监测，构成电信信号与上位机的通信载体，而上位机则是负责采集、传输、处理信号。

3.3 安装水泵智能控制柜

3.3.1 将水压传感器安装在水泵出口

水泵开机120s后，水泵的出口压力测试是由安装在水泵出口的水压传感器实现，以水泵开机120s为参考，如果出口压力不超过设定值，那么就可以判断是泵发生故障，要及时停机；在水泵的整个运行中，如果出口压力稳定在开机最大压力的30%，就可以判断水源和水位在逐渐下降，有可能产生干抽现象进而损坏水泵，要及时进行停机，同时向手机用户推送故障消息，提醒相关人员及时到现场检查故障。

3.3.2 检测处理电压与相序错误

无论是开泵时还是水泵运行过程中，网电电压过低都会损坏水泵的电机，因此设计特别的保护程序，原理为：水泵没有启动之前，如果检测到的网电电压低于额定电压的10%，那么就要等到电压正常后再启动，同时向相关用户推送消息；在水泵的工作过程中，如果检测网电电压没有超过额定电压的10%，就要马上停机，同时向相关用户推送消息，确保因为低电压损坏水泵的事故不会发生。

3.4 下位机程序改造

下位机软件程序是由串口中断服务程序和主程序组成。主程序的操作涵盖VDD2的上电延时、水位数据采样及处理、PCF8563时钟信号读取及贮存、I’CII8563定时计数启动、掉电状态进入程序、掉电状态中断等模块所构成[3]。

3.5 人脸识别和无人值守

将人脸识别系统设置在泵站门口，员工进入泵房必须通过人脸识别，让泵站的安全性大幅度提升。泵站内的电子屏幕上将不同角度的监控画面实时地显现出来，甚至水箱顶部的情况也显示得一清二楚。所有的画面都实时连接远程监控终端，利用无死角的实时监控和自动化控制完成泵站的无人值守。而在本次泵站工程改造中，利用双格不锈钢水箱以及多台可以交替使用的大流量水泵，引进高度智能化的变频控制系统，实现智能化的恒压供水。如果泵房内设备发生故障，会自动向监控平台进行实时报警。同时，泵站内的备用设施也具备自动开启功能，确保整个泵站在稳定状态下供水。本次泵站智能化技术的改造，显著提升了泵站的运行效率和管理效率，实现泵站的功能升级。

3.6 电动机电气控制改造

泵站水泵操作水位标准通常按照水泵的排水流量、河道警戒流量以及水位进行确定，倘若是三台机组参与，就要对最低两台机组水位条件以及全部水泵条件进行确定，以此为基础，确定监测系统提供的电压信号的大小，该电压信号即为操作三台机组启闭的信号，在改造电机控制线路的过程中，控制电路能够通过PLC促进监控信号组成，也可以通过控制电路合理改造不同电机开关操作控制装置，即为并接和开启线路中信号控制下的常开的继电器触电，并且与手动控制回路进行联锁，实现两种控制模式的互相补充，以保证智能控制系统失灵时应用手动装置[4]。

3.7 大数据在农村泵站的有效应用

3.7.1 应用大数据判断供水管道破裂

在泵站供水系统中，供水管道从几百米到几公里不等，如果发生因为泥石流、施工等因素造成的管道破裂，异常状态产生后能够马上将消息推送给用户程序，针对水泵开启后水池水位的升高程度，通过服务端程序进行详细记录，例如，水泵开始工作后30分钟水池水位升高30cm，倘若现状的水池水位比较历史水位超过50%，就要向手机用户及时推送消息，提醒相关人员到现场勘查[5]。

3.7.2 恶劣天气的气象大数据应用

本改造方案中的人工智能蓄水机器人智能云服务程序，有效对接了气象网实时天气预警大数据，针对所有的设备通电，都可以进行所处经纬度的自动检测，向服务器上传数据，并通过气象网向用户的手机推送信息，同时预警信息的推送需要提前2小时进行；提醒用户制定科学合理的相关应对恶劣气候的工作方案。

综上所述，在农村的泵站工程改造过程中，必须从现有的基础设施做起，从解决城乡居民需要为出发点，根据量力而行、高效节能、因地制宜、安全运行、全面规划、注重实效、突出重点、分期实施的原则，进行农村泵站的智能化技术改造工作。对年久失修的农村泵站进行科学合理的技术改造，针对那些性能差、能耗高的设备进行更新换代，并且合理拆除合并小的泵站，有效提高农村泵站的智能化水平。本文通过上述对泵站的智能化改造，实现了全天候的自动化管理的目标，真正做到了无人值班或者少人值班的效果。