蘇塘灌區自動灌溉控制軟件的設計與實現

張玉平，王香玲

（中國水利水電科學研究院中水科技公司，北京 100038)

新疆兵團新建團場38團位于且末縣境內，昆侖山、阿爾金山北麓，塔里木盆地東南緣，莫勒切河和喀拉米蘭河流域下游平原區，東西長約49.1 km，南北寬3.2～12.5 km。東距且末縣城150 km，西距民豐縣城150 km，距塔里木油田基地直線距離120 km。新建38團開發規模為148.29萬畝，形成包括生態保護區80萬畝、重點開發區60萬畝（實際凈灌溉面積30萬畝）的墾區。2008年6月動工興建。

2010年通過激烈的市場招標，最終采用了北京中水科水電科技開發有限公司研制的H9000 V4.0計算機監控系統作為38團灌區輸配水自動化管理平臺，項目于2010年3月初開工，計劃2012年9月底全部LCU投運完畢。

田間微灌自動控制系統作為輸配水自動化系統的一部分，采取先示范后逐步推進的原則，選擇1分干-3分干1、2、3出水口的南北兩側系統共6個田間系統實施田間微灌自動控制示范系統。田間微灌以系統為單位，1個支管進水口控制范圍為1個田間系統，田間灌溉形式為滴灌。田間微灌自動控制系統只控制棗樹灌溉，因此自動控制面積等于果樹種植面積，田間微灌自動控制示范系統控制6個田間系統2 886.51畝。田間微灌自動控制系統只控制果樹灌溉，1個標準田間系統有32條輔管，每兩條輔管為同一進水口。根據田間輪灌制度安排，在兩條輔管的同一個進水口處安裝電磁閥，即1個標準系統配置16個電磁閥，自動灌溉控制軟件的主要任務即遠程控制田間電磁閥。

本文以蘇塘灌區為例，首先介紹蘇塘灌區自動灌溉控制高級應用軟件的設計原則，軟件結構，軟件功能，最后介紹灌溉高級應用軟件的實現。

1 自動灌溉控制軟件的設計原則

目前我國大型灌區灌溉范圍廣，人員設置少，管理水平落后；灌區的各級管道呈樹狀分布，輸水過程中管道存在水錘問題，尤其是在閥門開啟、關閉時表現突出，如果通過人工手動控制各級管道上的閥門，不但浪費大量的人力，也不能精準控制水資源，從而造成水資源的浪費。自動灌溉控制軟件充分考慮大型灌區農田水利灌溉的需求，通過事先設置相關參數，自動進行計算分析，自動控制輸水各級管道中閥門的開啟、關閉，以消除水錘危害，保證供水安全，精準控制各田間系統灌溉水量，最終提高農田水利灌溉管理水平。

自動灌溉控制軟件的設計原則如下：

（1）操作方便

不需要頻繁修改的參數、功能切換按鈕、自動灌溉控制計算結果等集中到一幅畫面，每個田間系統的監視和操作單獨設立畫面。

（2）功能實用

從灌區實際出發，綜合考慮各種灌溉需求，使軟件滿足實用化要求。

（3）安全灌溉

輸水管道為封閉式管道，容易產生水錘，自動灌溉過程中需要以安全為主，否則容易造成設備損壞從而影響系統供水。

（4）預留接口、接入方便

灌區共327個田間系統，由于目前大部分均不具備自動控制條件，因此分階段實施自動控制，田間微灌自動控制示范系統只控制其中的6個田間系統，待其他田間系統條件成熟時再分批納入自動控制。為了將來其他田間系統方便地接入，軟件需預留接口，做到靈活配置。

（5）界面設計人性化、與其他畫面風格統一

自動灌溉控制軟件依托于H9000 V4.0計算機監控系統平臺，為了運行人員操作方便，與自動灌溉控制相關的畫面風格需與監控系統其他畫面保持統一。

2 自動灌溉控制軟件的功能設計需求

根據用戶、設計院的討論結果，灌溉高級應用軟件的需求如下：

（1）按輪灌制度定時輪灌

遠程自動控制田間灌溉，按照制定的輪灌制度對作物實行定時、定量的精準灌溉。既能分區成組控制，又能單點控制。整個系統的輪灌分兩類輪灌方式：田間進水口閥門的輪灌和田間系統內閥門的輪灌。

田間進水口閥門的輪灌：327個田間進水口閥門因數量大，需要進行自動輪灌，設置年輪灌制度表，每年的輪灌周期最多可達30個，輪灌制度表需在實際生產中根據情況調整。

田間系統的輪灌：目前，田間微灌示范系統中的閥門為3英寸電磁閥，每個系統安裝16個電磁閥，共6個田間微灌示范系統。田間微灌示范系統可通過自動輪灌的方式灌溉。

其余的田間系統（327-6=321個）安裝的是手動球閥，需要人工手動方式輪灌，暫不能自動輪灌，待時機成熟再接入。

（2）骨干管網閥門控制

骨干管網閥門控制方式：可采用單設備控制或多設備聯合控制。

表1 田間進水口閥門年輪灌運行時間表

（3）田間微灌自動控制系統

按照田間輪灌制度安排，根據輸水時間控制滴灌電磁閥的開關。

灌區輸配水工程在運行管理中，要嚴格遵守各級閥門的啟閉時間，必須遵守先開閥后關閥、先開啟下級閥門再開啟上級閥門、先關閉上級閥門再關閉下級閥門的要求，同時要防止水錘和負壓破壞閘閥和管道。

3 自動灌溉控制軟件的功能

綜合功能設計需求后，設計自動灌溉高級應用軟件功能如下：

（1）功能的投入/退出

軟件設有自動灌溉功能投入/退出切換按鈕，當自動灌溉功能投入時，系統按設定的周期，自動計算，執行自動灌溉相關功能。當自動灌溉功能退出時，不執行自動灌溉功能。

（2）模式的切換（自動/半自動/手動）

軟件設有自動/半自動/手動切換按鈕，當處于自動模式時，軟件根據監測的土壤信息，按照事先設置的作物需水量，自動計算各級閥門的開啟、關閉時間，無需人工干預。這種系統中，除灌水器、管道、管件及水泵、電機外，還包括中央控制器、自動閥、傳感器（土壤水分傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、水位傳感器和雨量傳感器等）及電線等，造價較高，目前我國的灌區設備配置不全，尚不具備條件，在整個系統條件成熟時可以采用該模式；當處于半自動模式時，軟件根據事先設置的各級輪灌周期，綜合考慮各種安全條件，通過分析計算，自動按時按順序開啟、關閉各級閥門，對灌區自動灌溉，這是目前最常用的模式；當切換到手動控制方式時，由運行人員在畫面上手動對每個閥門單獨控制。

（3）控制/指導

為了供水系統的安全，特設置“控制/指導”切換按鈕，模擬試驗時切換到指導模式，檢查程序所計算的結果是否正確，真正需要下達命令時再切換到“控制”模式。

切換到指導模式時，自動灌溉程序只在畫面上給出開啟、關閉閥門的操作指導，不下達命令到LCU；

切換到控制模式時，自動灌溉程序將下達開啟、關閉閥門命令到LCU。

（4）計劃/設定

自動灌溉控制的方式主要有以下兩種：

方式一：按灌溉計劃自動灌溉

操作人員預先設定一段時間的灌溉計劃，包括啟動的時間（月、日、時、分）、灌溉持續時間（起始時間、結束時間）、重復執行次數、重復執行的時間間隔等，自動灌溉系統按照該計劃自動進行灌溉。

方式二：操作人員隨時設定灌溉周期

針對以上兩種方式，軟件設有計劃/設定切換按鈕，當處于計劃模式時，軟件按事先設定好的輪灌周期自動開啟、關閉各級閥門灌溉；當處于設定模式時，軟件按運行人員在畫面上設置的輪灌周期自動灌溉。

4 自動灌溉控制軟件的實現

（1）軟件的開發

軟件采用ansi c語言開發，主框圖如圖1：

（2）相關配置

為了方便用戶的維護，輪灌周期表、管網閥門、輪灌組定義等相關配置文件以文本文件的方式存放。

（3）畫面設計

灌區畫面的設計首先與監控系統的畫面統一，同時又具有灌區系統的特有風格，即監視控制的設備多而分散。

灌區系統的高級應用功能通過輪灌畫面來實現。其畫面如圖2：

圖2

支管監視畫面如圖3：

圖3

由于輪灌設備數量龐大，而且屬于不同的分水口系統，所以像這樣的輪灌畫面多達一百多幅。通過這些輪灌畫面，實現田間微灌示范系統閥門的監視與自動控制。

（4）閉鎖條件

為了可靠、安全地控制灌溉，需要設置一些閉鎖條件。當系統出現影響安全的事故或故障時，發出報警，高級應用軟件自動退出運行，以免誤發命令。軟件設置以下閉鎖條件：

執行/掛起

綜合考慮各種運行過程中的故障，判斷數據的合理性等，閉鎖條件均滿足時才真正執行，并下達命令；否則自動灌溉程序處于掛起狀態，防止誤發令。

骨干管網閥門可控/不可控

只有骨干管網閥門閉鎖條件滿足時，才為可控狀態，否則為不可控狀態。只有處于可控狀態時，自動灌溉程序才控制該閥門。

田間微灌系統可控/不可控

只有田間微灌系統的閉鎖條件都滿足時，才進入可控狀態，否則為不可控狀態。只有處于可控狀態時，自動灌溉程序才控制該田間微灌系統。

（5）維護管理

自動灌溉程序提供日志文件供管理人員查看歷史記錄，包括下達的命令、下達命令的時間、當時的狀態等。

5 結語

推進農田灌溉現代化和管理科學化，使農業生產方式由粗放型向集約型轉變，促進傳統農業向現代農業轉變是我國未來農業發展所需要解決的難題。目前我國的灌溉自動化水平還較低，在自動灌溉控制軟件方面的研究還很少，工程應用上還存在較大差距。因此在現階段研制具有當今世界先進水平的灌溉自動化系統的高級應用軟件，從而實現大型灌區中推廣自動灌溉，具有重要和深遠的意義。蘇塘灌區的自動灌溉高級應用軟件即將在現場投入運行，在實際運行過程中還需要對軟件進一步完善以適應現場的要求。

[1]張玉平，遲海龍.農田水利灌溉高級應用軟件研究[A].水力發電學會論文集[C].2010.

[2]滴灌系統的自動化控制的研究[J/OL].中國自動化網.