自動化控制在滴灌工程中的應用

張珀浩

（新疆天業節水灌溉股份有限公司,新疆 石河子 832014）

1 自動控制系統的組成

滴灌的自動控制系統包括水源、首部控制裝置、測量的儀器儀表、配水管網以及遠程監控服務器、現場控制站和電磁閥、控制電纜、相關軟件等。自動化控制系統無需像智能控制系統那樣在現場設置傳感器，相關技術人員利用電纜在系統首部操作灌溉觸摸屏，來實現對現場給水栓電磁閥開關的控制，從而確定出灌溉的時間、水量以及灌溉周期。對于面積較大的自動控制系統來說，因為相距較遠，所以最主要的問題就是如何在控制中心與各執行機構間實現可靠、經濟的通訊。

2 自動控制系統的通訊方式

在自動控制系統中，控制中心以執行機構的通訊方式有線傳輸電信號、有線傳輸液力信號以及無線傳輸無線電信號三種。

（1）有線電信號傳輸。這種傳輸方式的執行機構為電液聯合閥或者電磁閥，以電纜線為通訊載體。電纜線可以采用兩種方式實現對電磁閥的控制，其一是接受開關信號的電磁閥門，即電信號為控制閥門開、關的指令，且執行該指令所需的能量由電線提供，因此相對來說比較節約電能。另外一種方式是連續通電對電磁閥門進行開、關的控制，即通電狀態閥門一直處于開啟或者關閉的狀態，在斷電開啟或關閉閥門。該方式控制器是對電磁閥進行直接控制。采用電纜線進行通訊，系統不易受到外界因素的干擾，提高了系統的可靠性，并且傳輸數據的量也比較大，無論是設計還是施工都相對方便。不過傳統的電纜線控制要使用大量的電纜線，現在利用現場總線技術進行控制，大大減少了電纜線的用量，降低了系統的成本。

（2）液力線傳輸。液力線傳輸方式的執行機構是液力閥，以液力線為通訊載體。液力線同樣通過兩種方式實現對液力閥的控制，其一是利用接收開關信號的閥門，即以控制閥門開、關的指令作為水力信號，閥門的開、關動作所需能量來自于系統的水壓；其二是利用連續供水力的方式對閥門進行開、關的控制，即通水狀態閥門一直處于開啟或者關閉的狀態，閥門在斷水后進行開啟或者關閉。上述兩種方式中，液力線與控制中心間的通訊所采用的是中間控制單元RTU，其與整個系統控制中心的通訊是由電纜線的方式來實現的。利用液力線傳輸的方式進行系統通訊，其安裝工序相對簡單，勞動強度低，且線路的維護與檢測均比較容易，但是液力信號在傳輸過程中，如果遇到復雜的地形則使用不便，并且容易受到外界因素的干擾，現場的RTU只可對執行機構發送開關命令而無法監測，因此相對而言這種通訊方式的經濟性及可靠性均相對較差。

（3）無線信號傳輸。該傳輸模式的執行機構為電磁閥或者液力閥，以無線電信號為載體。無線電控制所采取用的閥門要可以接受開關信號，而閥門開、關的命令即為無線電信號，其所使用的能量來自于蓄電池，因此致對蓄電池的容量作定期檢查，以保證系統運行正常。現階段常見的通訊方式也有兩種，其一是控制中心向電磁閥直接發送通訊信號；另外一種則是結合有線方式，即從控制中心到現場無線RTU的通訊方式為無線信號傳輸，而RTU到電磁閥則采用有線方式。前者大大降低了灌溉現場的電纜用量，減少了系統成本，不過需要設置專用的無線控制閥門，其中裝設有無線電信號的發射與接收器以及電源，所以該無線控制閥門的成本比較高。而后者所采用的閥門及線路均與前兩種方法一樣，只是從控制中心到RTU的線纜數量有所減少。不過應用該種方式需要向無線電的管理部門申請頻點，批準后才能使用，而且每年要繳納一定費用；并且傳輸數據的速率也不是很高，易受外界干擾，比如信號的頻率相同，或者有高大的建筑物、密林等會對信號的正常工作產生干擾，甚至天氣環境惡劣也會直接影響到無線信號的傳輸。采用無線方式實現系統控制中心到現場設置的通訊，而現場的RTU到電磁閥的通訊則通過有線方式與自動化控制系統的連接來實現。無線方式通訊自動化控制系統對單片機進行模塊化軟件管理，把滴灌技術、濕度傳感器技術、無線遙控技術以及現場智能控制閥和自動控制中央管理系統等進行綜合、統一，再結合農業生產的實踐經驗，從而提高系統的可靠性、適用性及經濟性。該系統的主要組成部分包括中央控制器、現場自動控制閥、泵站運行監控設施、數傳電臺以及中心控制計算機等。系統的首部管理房內設置灌溉控制箱、操作觸摸屏以及變頻柜和移動式編程器等主要電子設備，對現場的灌溉情形進行實時的監測與控制。整個系統可以分為四個單元，其一是中心單元，其主要設備包括計算機、通訊控制器以及穩壓器；其二是首部單元，主要設備有滴灌控制箱、變頻柜、超聲波流量儀；其三為通訊單元，設備包括無線收發設備；其四即為現場控制單元，設備有閥門遠程控制器、電磁閥以及連接電纜等。

3 自動化控制系統的運行

3.1 滴灌系統的結構及運行

自動化控制系統對灌區的實時控制是通過電腦控制中心來實現的，而水源則是地表水與地下水相結合共同提供。主要的過濾設備為砂石過濾器，潛水泵作為泵站的水泵；主干管、分干管選擇高密度聚乙烯PE管材，埋深0.3m，而毛管則選用厚度在0.2mm左右的滴灌帶。管材的使用年限在3年左右，過濾器自動沖洗。

3.2 滴灌自動化控制系統具體運行方式

（1）四場滴灌自動化控制系統的運行。滴灌自動控制系統的管理區域，如果地面水的出水量可達每小時280m3，則一條支管分配到的水量為每小時80m3；每次主控部分控制四條支管的開啟，對現場劃分好的灌溉小區進行灌溉。灌溉方式則為微機控制的自動輪灌模式，每個灌溉小區的實際控制面積相當于一條主管道的控制面積。在進行實際操作時，要按照傳感器所傳回的土壤水分情況與自然因素等相結合，再利用系統的相關軟件加以分析，最終確定出實際的灌水時間、次數及水量。

（2）五場滴灌自動化控制系統的運行。五場滴灌系統中，對現場的控制是通過多個自動調壓閥來實現的。首部過濾器為疊片式，流量為每小時600m3，兩臺每小時300m3的潛水泵進行供給。將現場的電磁閥全部啟動。如果流量達到每小時300m3，則現場電磁閥啟動一半即可，然后如此往復卻覆蓋區實行輪灌。同樣實際的操作是要按照傳感器所傳回的土壤的水分情況結合自然因素，再利用系統軟件加以分析，最終確定出灌溉的時間、水量及周期等。

4 結語

總之，滴灌技術有著顯著的節能、省水、增產的特點，而滴灌工程中采用自動化控制系統對田間灌溉進行控制，不僅在經濟上更加合理，而且技術層面也是極具可行性的，因此可以大力發展與推廣。

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