自動(dòng)化控制灌溉在滴灌工程中的應(yīng)用

汪 玲，周 萍

(1.新疆農(nóng)二師設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，新疆庫(kù)爾勒841000;2.新疆五家渠農(nóng)六師勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，新疆五家渠831300)

1 前言

自動(dòng)化控制灌溉系統(tǒng)的建立可以進(jìn)一步提高新疆現(xiàn)有節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)的管理水平。原有的節(jié)水灌溉系統(tǒng)雖然在降低作物灌溉制度，提高作物產(chǎn)量上有明顯的作用，但由于人工操作的可變性過大，致使灌溉的合理性無法得到進(jìn)一步的提高。而自動(dòng)化控制灌溉是通過對(duì)土壤、作物、氣象等各類因素的采集、分析后由操作系統(tǒng)發(fā)送相關(guān)信息指令對(duì)田間各類控制閥門進(jìn)行控制，以此來實(shí)現(xiàn)降低人工分析決策的不合理性因素對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉的影響。作為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，在新疆現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)灌溉已大面積實(shí)施節(jié)水工程的前提下，進(jìn)一步推廣自動(dòng)化控制灌溉在節(jié)水工程中的使用對(duì)促進(jìn)新疆農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有極大的意義。在此基礎(chǔ)上，本文通過對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的工作原理、設(shè)備組成以及實(shí)際應(yīng)用中在設(shè)計(jì)方案的選取上做一簡(jiǎn)單分析。

2 自動(dòng)化控制灌溉系統(tǒng)情況介紹

2.1 自動(dòng)化控制灌溉系統(tǒng)的工作原理

所謂的自動(dòng)化控制灌溉即利用田間布設(shè)的相關(guān)設(shè)備采集或監(jiān)測(cè)土壤信息、田間信息和作物生長(zhǎng)信息，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳到首部控制中心，在相應(yīng)系統(tǒng)軟件分析決策下，對(duì)終端發(fā)出相應(yīng)灌溉管理指令。

自動(dòng)化控制系統(tǒng)的工作原理為:通過土壤、氣象、作物等類傳感器及監(jiān)測(cè)設(shè)備將土壤、作物、氣象狀況等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過墑情信息采集站，傳到計(jì)算機(jī)中央控制系統(tǒng)，中央控制系統(tǒng)中的各類軟件將匯集的數(shù)值進(jìn)行分析，比如將含水量與灌溉飽和點(diǎn)和補(bǔ)償點(diǎn)比較后確定是否應(yīng)該灌溉或停止灌水，然后將開啟或關(guān)閉閥門的信號(hào)通過中央控制系統(tǒng)傳輸?shù)介y門控制系統(tǒng)，再由閥門控制系統(tǒng)實(shí)施某輪灌區(qū)的閥門開啟或關(guān)閉，以此來實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化控制。

與國(guó)際水平相比，我國(guó)的農(nóng)業(yè)傳感器生產(chǎn)水平相對(duì)落后，而土壤水分傳感器生產(chǎn)水平已達(dá)到了國(guó)際同類水平。

2.2 自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)備的組成

自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)備主要有中央控制器、田間工作站、RTU(遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)終端單位)或解碼器(閥門控制器)、電磁閥及田間信息采集或監(jiān)測(cè)設(shè)備5個(gè)部分組成。

2.2.1 中央控制器

中央控制器(主站):主要有微機(jī)等設(shè)備及控制系統(tǒng)軟件組成。

微機(jī)設(shè)備與目前辦公設(shè)備類似，由電源控制箱、主控計(jì)算機(jī)、中央控制器和激光打印機(jī)等設(shè)備組成。

控制系統(tǒng)軟件是安裝于微機(jī)設(shè)備上的，其內(nèi)容有信息采集與處理模塊、信息數(shù)據(jù)顯示模塊、信息記錄與報(bào)警模塊、閥門狀態(tài)監(jiān)控模塊和首部控制模塊等組成。

現(xiàn)有自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、控制系統(tǒng)除了具有預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等功能外，還在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)如下功能:過程監(jiān)視、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)警、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)管理和過程控制等。并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)過程智能決策，達(dá)到完全自動(dòng)控制。

2.2.2 田間工作站(中繼站)

田間工作站的設(shè)計(jì)根據(jù)地形及設(shè)備信號(hào)接收的限制來確定布設(shè)位置及個(gè)數(shù)。

在實(shí)際操作中若地形平坦，無遮擋物，信號(hào)傳輸效果好。則相應(yīng)一個(gè)田間工作站可控制面積較大，反之，則田間工作站布設(shè)較多。

田間工作站是中央控制器與RTU或解碼器及田間信息采集監(jiān)測(cè)設(shè)備的中轉(zhuǎn)站。采集的信息需要通過中間站輸送到中央控制器，而中央控制器發(fā)送的指令則需通過田間工作站傳達(dá)到各個(gè)RTU或解碼器。

2.2.3 RTU(遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)終端單位)或解碼器(閥門控制器)

RTU(遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)終端單位)或解碼器(閥門控制器)是接收由田間工作站傳來的指令并實(shí)施指令的下端。

解碼器(閥門控制器)直接與管網(wǎng)布置的電磁閥相連接，接收到田間工作站的指令后對(duì)電磁閥的開閉進(jìn)行控制，同時(shí)也能夠采集田間信息，并上傳信息至田間工作站。一個(gè)閥門控制器可控制多個(gè)電磁閥。

2.2.4 電磁閥

電磁閥是控制田間灌溉的閥門。

電磁閥由田間節(jié)水灌溉設(shè)計(jì)輪灌組的劃分來確定安裝位置及個(gè)數(shù)。

2.2.5 墑情信息采集站及田間信息采集、監(jiān)測(cè)設(shè)備

田間信息采集及監(jiān)測(cè)設(shè)備是自動(dòng)化控制系統(tǒng)的最根本。

田間信息采集主要依賴于傳感設(shè)備。傳感設(shè)備就是能夠感受規(guī)定的被測(cè)量物并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可能輸出信號(hào)的器件或裝置。自動(dòng)化灌溉可能設(shè)計(jì)的傳感器主要分為:土壤類、作物類、氣象類及系統(tǒng)類傳感器。主要測(cè)量土壤水分、養(yǎng)分、溫度、作物水分、養(yǎng)分、長(zhǎng)勢(shì)、氣象類的光照、蒸發(fā)、風(fēng)速、雨量及系統(tǒng)類的水壓、閥門狀態(tài)、流量、水質(zhì)等數(shù)據(jù)資料。經(jīng)由墑情信息采集站將信息傳輸至中央控制器，通過中央控制器安裝的各類自動(dòng)化監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)分析，再以數(shù)值和曲線形式顯示歷史與實(shí)的時(shí)參數(shù)值和變化曲線，并進(jìn)行信息實(shí)時(shí)報(bào)警與記錄。

2.3 自動(dòng)化控制系統(tǒng)子系統(tǒng)的配置

自動(dòng)化控制系統(tǒng)可根據(jù)用戶不同層次的實(shí)際需求，由灌溉自動(dòng)控制子系統(tǒng)、農(nóng)田墑情監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、作物生長(zhǎng)圖像采集子系統(tǒng)、水肥智能決策子系統(tǒng)、作物網(wǎng)絡(luò)化管理平臺(tái)等多個(gè)子系統(tǒng)配置，能為用戶提供多種管理選擇方式。依據(jù)工程基礎(chǔ)條件、管理水平、項(xiàng)目投資等因素來確定項(xiàng)目子系統(tǒng)類型的配置及灌溉方式的選擇。

2.4 自動(dòng)化控制系統(tǒng)的灌溉方式選取

根據(jù)現(xiàn)狀新疆兵團(tuán)節(jié)水灌溉模式及管理水平目前已實(shí)現(xiàn)的控制灌溉方式主要分為3類，在實(shí)際操作中可根據(jù)具體情況選取適合自己的控制灌溉方式:

2.4.1 自動(dòng)化控制灌溉方式

由于實(shí)際情況中存在墑情采集及分析水平不足的因素，在現(xiàn)狀自動(dòng)化控制中主要還是依據(jù)節(jié)水工程設(shè)計(jì)中規(guī)定的耗水定額、灌溉時(shí)間及作物的需肥等數(shù)據(jù)來作為自動(dòng)化控制發(fā)出命令的依據(jù)。

根據(jù)節(jié)水設(shè)計(jì)可進(jìn)行閥門編組輪灌，可供選擇的輪灌方式有:①灌水時(shí)間設(shè)定輪灌:根據(jù)設(shè)定時(shí)間編組輪灌;②灌溉量設(shè)定輪灌:根據(jù)墑情及土壤的監(jiān)測(cè)結(jié)果預(yù)設(shè)灌溉制度進(jìn)行輪灌并施加肥料;③隨機(jī)設(shè)定輪灌:根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行任意閥門編組輪灌，包括補(bǔ)灌。

2.4.2 人工參與控制灌溉方式

系統(tǒng)以土壤濕度臨界值主參數(shù)(可包括氣象信息、作物視頻診斷等)進(jìn)行人工參與智能化控制灌溉;用戶也可根據(jù)墑情監(jiān)測(cè)結(jié)果，通過G網(wǎng)用手機(jī)隨時(shí)進(jìn)行智能化控制。

2.4.3 手動(dòng)控制灌溉方式

在系統(tǒng)出現(xiàn)意外情況下，可人工手動(dòng)進(jìn)行電磁閥開啟。以保證連續(xù)灌溉不會(huì)中斷，不誤農(nóng)時(shí)。

3 自動(dòng)化控制系統(tǒng)典型設(shè)計(jì)

3.1 典型地塊的選擇

在新疆農(nóng)二師31團(tuán)6連選取58 hm2具有一定代表性的地塊作為典型設(shè)計(jì)田塊，共計(jì)12塊條田，長(zhǎng)780 m，每塊條田寬60～65 m，水源滿足要求，種植作物為紅棗，株行距1.5 m×3 m，紅棗園建設(shè)已完成，確定滴灌工程的布置形式為:地表水源→首部→地埋干管→地埋支管→滴灌管的形式。考慮滴灌與自動(dòng)化工程的結(jié)合，確定分干管兩邊鋪設(shè)支管為長(zhǎng)短管形式。一條分干管可以管4塊條田，則一個(gè)閥門控制器可控制4個(gè)電磁閥，相比較一個(gè)支管灌溉2塊條田的方案，閥門控制器可減少一半。

3.2 中央控制器的選擇

由于本典型設(shè)計(jì)的面積較少，而且在31團(tuán)未有大面積實(shí)施的計(jì)劃，因此中央控制站可設(shè)置在首部附近，即省去了團(tuán)部管理需鋪設(shè)線路的投資，而且便于現(xiàn)場(chǎng)管理。

3.3 田間工作站的設(shè)置

由于該地塊十分規(guī)整，田間工作站可均勻布置于條田中，共需要設(shè)置6個(gè)田間工作站，由于距離中央控制器500 m范圍內(nèi)且無明顯遮擋物，信號(hào)傳輸效果好，可將布置于附近的2個(gè)田間工作站省去，因此最終確定布設(shè)4個(gè)田間工作站。

3.4 閥門控制器及電磁閥的設(shè)置

依據(jù)滴灌工程輪灌制度的劃分，在滴灌系統(tǒng)每個(gè)支管的出地樁處均加設(shè)電磁閥一個(gè)，由于是長(zhǎng)短管設(shè)計(jì)，位于同一位置的出地樁處的電磁閥由一個(gè)閥控器控制。最終確定電磁閥60個(gè)，閥控器15個(gè)。

3.5 各類傳感器及墑情信息采集站的設(shè)置

在典型滴灌設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，由于該區(qū)土壤類型單一，均勻，傳感器可適當(dāng)減少布置量。根據(jù)31團(tuán)現(xiàn)狀管理水平僅布設(shè)水分傳感器。共設(shè)置水分傳感器12個(gè)，墑情信息采集站6個(gè)。并在中央控制系統(tǒng)配套墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件。

4 結(jié)論

節(jié)水灌溉工程在新疆已經(jīng)大面積得到了推廣，應(yīng)用及管理技術(shù)較為成熟。在此基礎(chǔ)上發(fā)展自動(dòng)化灌溉技術(shù)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，此項(xiàng)技術(shù)雖已提出多年，但由于現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力較富裕的原因，致使該項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)無法充分體現(xiàn)，近年來新疆也僅是分散試點(diǎn)運(yùn)行，且大多工程位于新疆北部，新疆南部的落后地區(qū)對(duì)此項(xiàng)技術(shù)仍然無法得到積極響應(yīng)。

針對(duì)新疆大農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀，在節(jié)水工程大面積實(shí)施的前提下，為了達(dá)到該類工程可持續(xù)利用的目的，針對(duì)目前正在或計(jì)劃實(shí)施的節(jié)水灌溉工程，也應(yīng)當(dāng)適當(dāng)考慮到自動(dòng)化灌溉技術(shù)參與其中的可能性。而對(duì)于今后幾年該類工程建設(shè)中也應(yīng)當(dāng)建議配合自動(dòng)化工程同時(shí)建設(shè)，有利于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)在新疆的進(jìn)一步推廣，逐步讓農(nóng)民接收該項(xiàng)技術(shù)。

［1］任巖，王金龍.石頭河灌區(qū)灌溉工程自動(dòng)化控制系統(tǒng)綜評(píng)［J］.黑龍江水利科技，2009，37(1):11.