邹振儒 蓝奉水 陈佃红 王勇健 许敬升
摘 要
在我国农村井灌区内，由于计量不准及无制约措施，容易引发一些水事纠纷，造成水费计收困难、水资源浪费。山东省莱芜市水利与渔业局经过研制，成功开发出了射频卡节水自动计量装置，解决了农村井灌区长期存在的水费计量不准、拖欠及人为浪费严重的现象，提高了水资源的利用率，实现了灌溉管理自动化。
关键词 农村井灌区 计量 水资源
灌溉
在我国农村井灌区内，水费的计收往往是按亩计算，由于计量不准及无制约措施，引发一些水事纠纷，造成水费计收困难、水资源浪费。如何合理有效地利用有限的地下水资源，机电井管理中的水电合理计费是问题的关键。山东省莱芜市水利与渔业局经过两年的研制，成功开发研制了射频卡节水自动计量装置，投入应用两年来，节水效果明显，解决了农村井灌区长期存在的水费计量不准、拖欠及人为浪费严重的现象，提高了水资源的利用效率，促进了水资源的良性循环，实现了灌溉管理自动化，推进了水利现代化的进程。
一、控制系统设计思路、研制内容
1．设计思路
从解决长期存在的水费计量不准、拖欠及人为浪费水严重、提高水的利用效率人手，采用目前国际较为先进的新型51系列单片微机，设计开发水量、电量、计时、计费、显示等电路，对供水实现智能化管理。利用现有取水设备，使装置具有效率高、速度快、能耗低、操作简便、功能齐全、计量准确、价格适宜、留有扩展功能等特点，达到科学管理、节水增效的目的。
2．研制内容
主要有射频卡控制器、系统管理器、射频卡三部分组成。射频卡控制器属自行开发研制，采用目前国际较为先进的新型51系列单片微机，设计了水量、电量、计时、计费电路，射频卡识别检测电路，自动数据保存电路，不停机换卡电路，电源自动关断电路，防雷抗干扰、过电压吸收电路，分时显示电路，宽稳压范围电源等电路，并开发研制了以上电路的控制运行软件。系统管理器采用PC机及其串行连接的射频卡读写器，开发、编制管理运行软件。射频卡经加密编程、专用化处理，存储射频卡控制器正常工作所必须的各种数据。射频卡计量控制器安装在供水控制设备上，对其进行保护启闭控制。系统管理器安装在用户管理室内，两者之间由射频卡传递数据，一台系统管理器可管理多台射频卡控制器及9999张射频卡。
工作环境及技术指标为：工作电压380V±20％，温度—20℃～+60℃，相对湿度<90%，功耗不大于5W，计量误差≤2％；适宜管径、压力、流量，无限制。
硬件设计包括管理机、射频卡、自动计量控制装置三部分。管理机是在计算机上增设一台读卡器，读卡器为自行研制、设计，通过串口与计算机相连，电源由计算机提供。射频卡外表就像普通名片一样，全部芯片、线圈均封在内部，无机械触点，与外部完全隔离，防磁、防水、耐脏污、耐腐蚀。自动计量控制装置，核心电路采用51系列单片微机，芯片成本低，自带程序存贮器，性能价格比高。软件设计包括计算机、自动计量控制装置两部分。计算机软件设计尽量简化操作程序，管理软件采用数据库软件设计，程序简单、实用，一般人员稍加培训即会操作。自动计量控制装置的设计，包括射频卡的正确读写、射频卡的检测、计量、计时显示等程序，增加了可靠性，提高了计量精度，延长了数码管寿命，降低了整机功耗。
二、主要功能及特点
1．主要功能
管理机可完成各应用单位、用户的射频卡密码识别、编号、加钱、打印等功能；可利用每个应用单位的单价卡随时按实测的单价进行变更；单价卡在微机上更改后，即可在任意编号的射频卡自动计量控制装置上，按不同的机泵功率、提水高度、管理费用等主要经济指标值更改为各应用单位所确定的水费单价；可定期对每台射频卡控制装置的累计工作时间、款额等技术参数准确无误地统计、存档。射频卡如经扩展功能处理后，还可适用于类似灌区、工业、城镇供水,发挥“一卡多用”的作用。自动计量控制装置的操作简单易行，各应用单位的用户只要打开电源开关，将射频卡在射频卡控制装置上一贴，即可自动开机、计时、计量、显示。灌溉结束后，再将射频卡在射频卡控制装置上一贴，即会自动关机、停止供水；自动计量控制装置具有显示时间、款额等功能，每分钟自动显示一次，显示时间为12s；自动计量控制装置具有断相保护功能，增设的防雷击和吸收过电压功能，可以确保其在雷雨季节的安全运行；自动计量控制装置具有错误识别功能，一旦出现错误，即会提出错误类型，确保安全操作。具有电源自行关断功能，当出现错误报警、时间超过15s时，电源开关会自动断开电源。自动计量控制装置无插卡卡座，不会产生摩擦、降低精度等技术问题，增加了先进、实用性。
2．主要特点
体积小、重量轻，价格适宜；操作简单，接线采用接插件，便于安装、携带、存放；不需专门培训，即可操作；应用单位的用水户凭卡操作，计时计量准确，可杜绝拖欠水费、水事纠纷的发生；可以无人值守，确保机泵安全运行，节省机井和其他水源取水设备的管理人员；自动断电功能，可保证其长期安装于电网上不受损坏；由于责、权、利明确，与用水户经济利益息息相关，可以有效地增强节水意识。
三、应用情况
该装置研制成功后，选择了莱芜市莱城区方下镇鲁西村、大王庄镇东上崮村等25个单位示范推广，从1999年3月20日至2000年12月20日，整个灌溉过程实现科学的自动化管理，没有出现任何设备故障，可靠性高、计量准确、运行稳定，适合基层单位节水使用，经济社会效益十分显著，得到用户单位的一致好评。2000年12月28日，山东省水利厅受山东省科技厅的委托，组织省内专家主持了技术鉴定。专家们一致认为，该项目在利用射频卡的工作原理、对用水用电进行计量等方面，填补了国内空白，在农田灌溉应用中，居国内领先水平。自2001年以来，在莱芜市井灌区开始大面积推广，现已建成万亩农田节水灌溉示范区3处，节水效果明显，管理简单实用，水费缴纳透明度高，受到了农民的普遍欢迎。此设备在山东省内、全国销售形势良好，应用效果明显，具有极大的推广价值。
射频卡控制自动计量装置，充分应用国内外先进微电子技术，采用自编程序、加密的射频卡，在自动计量控制装置上实现自动计量控制、显示、累计的科学管理，包括机泵启闭、准确计量计费、科学显示耗值等自动化程序，彻底改变了农田灌溉粗放、计量计费不准、拖欠水费严重的被动局面，解决了人工管理计量计费不准、误差大、漏洞多、收费难等突出问题，满足了节水技术发展的要求，省工、节水、节电、增产、增收，经济、社会效益十分显著。可适用于不同取水条件灌区及工业、城镇供水的“自控”与“计量计费”，推广应用前景十分广阔。
(作者单位：邹振儒、陈佃红为山东省莱芜市水利与渔业局，蓝奉水、王勇健、许敬升为山东省莱芜市水利水电工程公司)