基于4G物聯網遙測技術的干渠水泵的遠程授權控制應用

［關鍵詞］4G 遙測終端；遠程授權控制；干渠水泵

［中圖分類號］TN929.5 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）10–0147–03

1背景

寧夏西干渠于1959年11月開工，1960年5月建成通水，是寧夏回族自治區成立后開鑿的第一條干渠，渠道沿西夏昊王渠和明朝靖虜渠古渠遺跡修建，部分渠道沿用古渠舊址。干渠自青銅峽河西總干渠引水，沿賀蘭山東麓蜿蜒北上，全長112.7km，建有閘涵等各類控水、引水建筑物222座，引水能力71m³/s，年引水量5.3億m³，承擔著青銅峽、永寧、金鳳、西夏、賀蘭、平羅6縣（市、區）的15個鄉鎮（場）和8個國營農場7.31萬公頃的農田灌溉供水和典農河、金波湖等7處湖泊濕地的補水任務。灌區種植釀酒葡萄2.27萬公頃，分布著葡萄酒莊近200家，是賀蘭山東麓葡萄酒的核心產區。西干渠還是銀川市防御賀蘭山洪水的重要屏障，成功抵御賀蘭山較大洪水60余次，14次被沖斷決口，為確保銀川市防汛安全作出了積極貢獻。

2干渠泵站管理現狀及需求

目前西干渠干沿線直接在干渠抽水的泵站有56座，2019年加裝了計量設備，但未對泵站進行控制方面的工程改造，因此管理處無法實時有效掌握揚水泵站的用水情況，無法對各泵站抽水用水進行嚴格有效的管控。自2022年以來，隨著對用水控制精細化管理要求的提升，亟需通過簡單的技術改造，在不更換水泵房現有主要設備的前提下，將渠道水泵增加遠程授權控制模塊[1]，實現授權狀態下水泵的啟動操作、運行時長監測，并通過水泵額定流量計算抽水量。考慮業務應用場景的特殊性，改造還應滿足以下需求。

2.1具備遠程監測與授權控制

渠干沿線泵站分布多且間隔距離遠，對于水泵的控制要通過遠程方式實現。因很多水泵所屬權不在管理處，所以對水泵的啟動管控最好是遠程授權方式，同時能滿足對水泵工作時長、抽水量的監測和統計分析功能。另外，考慮到傳統光纖網絡搭建成本高且通信鏈路要有保障，因此采用4G無線APN專線，實現點對點數據通信，保證低成本和高可靠通信方式。

2.2易于建設

渠干沿線各泵站建設有一定差異，隸屬權限也不盡相同，因此工程改造要求簡化難度，易于實現。改造中使用的硬件和軟件產品在實施過程中要相對簡單、操作便捷、工程量小，無需過多的人力、物力和時間資源。

2.3改造成本低

投資有限的情況下，盡量降低工程改造成本，既要達到預期目標，又要實現節約成本，選擇經濟有效的工程技術實現方式。

34G物聯網遙測遠程授權控制技術應用

3.1研究現狀

4G物聯網遙測遠程控制技術是一種高速、高效的無線通信遠程控制技術，具有覆蓋范圍廣、傳輸速率快、延遲低等特點，已經廣泛應用于各種領域，如數據采集、物流運輸、工業自動化等。

在水利工程自動化方面，基于4G物聯網遙測遠程控制技術可以實現對水泵設備的遠程監測和控制，具體應用在以下幾個方面。

（1）遠程監測。通過4G物聯網連接水泵設備，可以實時監測水泵的運行狀態。管理人員可以通過手機、電腦等終端設備隨時查看水泵的工作情況，及時發現異常。

（2）遠程控制。通過4G物聯網，管理人員可以遠程控制水泵的啟停、調速等操作。這樣不僅提高了操作的便捷性，還可以節省時間和人力資源成本。

（3）故障診斷與維修。4G物聯網遠程控制技術可以實現對水泵設備的故障診斷，通過遠程監測數據分析，快速定位故障原因，并采取相應的維修措施。這大幅縮短了故障排除的時間，提高了設備的可靠性和生產效率。

（4）運維管理。通過4G物聯網遠程控制技術，可以實現對水泵設備的運行數據進行遠程記錄和管理。運維人員可以隨時查看歷史數據，分析設備的運行情況和趨勢，為設備的維護保養提供科學依據。

3.2方案設計

寧夏西干渠沿線泵站的供水在農業灌溉中起著至關重要的作用，然而傳統的水泵控制方式存在著許多不便之處，如管理人員少、無法全泵站覆蓋管理、無法實時監測水泵的工作狀態、難以遠程控制水泵的供電等。為了解決這些問題，文章提出了利用4G物聯網遙測技術對西干渠沿線水泵進行遠程監測和控制，以提高水泵站的運行效率和管理水平。

按照“安全性、可靠性、先進性”的思路，聚焦4G物聯網實現西干渠沿線直接在干渠抽水泵站的遠程監測與授權控制應用需求，以低成本、高可靠、易實現為目標，實現對80多個泵站設備的遠程授權和監測，提高管理水平和管理效率。

本次4G物聯網遙測技術應用方案組網架構如圖1所示。各個泵站通過4G遙測終端對水泵機電進行開關量控制和運行時長監測，實現對水泵啟停狀態、抽水時長、抽水量的統計分析；各個遙測終端通過4G無線APN專線將數據傳送到云資源池，保證采集信息上傳和控制命令下放雙向通信穩定可靠；云端布署B/S架構的業務應用系統及數據庫，西干渠管理處及各管理所通過PC電腦或移動終端按授權訪問各泵站數據，了解轄區內泵站水泵使用情況、抽水量及周/月歷史數據。

3.3技術目標

在不改變原有水泵控制電路及控制邏輯的前提下，在水泵啟動繼電器控制回路串接電壓開關量控制實現遠程授權。這種改造方法的優點是原有電器系統不做大的改動，只需引開關量信號到新增加的4G遙測終端，通過開關量信號控制繼電器開閉狀態；同時，4G遙測終端接入每一臺水泵控制主電路的AC220V電流信號進行檢測，根據通電電流累計時長判斷水泵的運行狀態，實現水泵運行計時監測。遙測終端水泵監測如圖2所示。

綜上，可實現對水泵的遠程限制授權，只有遠程授權水泵開啟權限，現場才能人工啟動；可實現對水泵運行時長的計時，根據系統中模型換算抽水量，對抽水用水超時、超量的行為，電話通知現場管理人員關停水泵，通知無效則可直接遠程關停水泵。

3.4業務系統功能

系統B/S架構在云端資源池布署，管理人員通過電腦瀏覽器、手機App遠程授權各水泵的啟動權限；能查詢各個泵站水泵的實時運行數據、歷史數據；可按日、月、年生成統計報表等，具備導出功能；支持用戶權限劃分。

3.5遙測采集終端

工業級嵌入式4G遙測采集終端如圖3所示，支持移動/聯通/電信4G，具備APN網絡接入；提供DI通道AC 220V輸入、DO通道繼電器輸出、AI通道0～5A交流互感器輸入、RS485串行通訊口，同時嵌入DI、DO、AI、Modbus RTU采集協議，并能夠實現數據加密、通信加密，保證與云端服務側交互數據的安全；遙測終端支持遠程管理功能，管理平臺可以實現遠程對終端模塊的配置、升級等，便于維護。

3.6效果

（1）按系統權限，各管理所管理人員可實現對管轄范圍內的水泵進行遠程授權管理。抽水用戶在獲得通電授權后才能進行水泵啟動操作，徹底摒棄了原水泵啟動無法落實精細化運行監管問題，進一步規范了用水和供水管理，管理所只做供水授權管理，用水保持原有方式不變，權責分明。

（2）通過遙測終端采集水泵電流信號，實現對各泵站水泵的運行狀態監測和累計時長統計，各管理所通過監測數據，對超時、超量抽水用戶給予通知警告。西干渠管理處通過歷史數據分析，能夠精確掌握各管理所、各水泵月度或年度抽水時長或抽水量，為供水用水提供科學的決策依據。在保障沿線供水需求的同時，嚴格控制總量，推進水資源節約集約利用，全面落實“四水四定”工作。

4結束語

采用4G物聯網遙測終端實現對管理處轄區內水泵的遠程授權管理后，有效克服了傳統人工巡查方式的精力不足、缺少24h智能化監測手段等問題。4G物聯網遙測終端配合云端和管理端的業務系統，以技術成熟、工程改造量小、易布署、成本低等優勢，為管理處對直接在干渠抽水的泵站管理，搭建了一個便捷高效、安全可靠、低成本的智能化監測方式，降低了人工管理成本，提高了管理效率，確保了灌區用水精細化管控，保障了水資源節約集約利用。