淺析自動化控制技術在滴灌工程中的應用

周仲軍

摘要：自動化控制技術在滴灌工程中的應用是一項新型的農業現代化技術，根據水利學設計原理設計的自動化控制系統能夠科學的調整滴灌系統和輪灌制度，實現了現代農業集約化經營的要求。文章介紹、分析了自動化控制技術在滴灌工程中的應用，并提出了需要注意的問題和未來的發展方向。

關鍵詞：自動化控制技術 滴灌工程 集約型農業

我國是一個水資源短缺的國家。由于農業灌溉技術水平不高，往往造成了水資源的浪費，且灌溉不能滿足農作物生長的需要。干旱缺水已成為制約農業發展的重要因素。灌溉是彌補自然降水在數量上的不足與時空上的不均，保證適時適量地滿足作物生長所需要水分的重要措施。以往的農田灌溉都是采用大水漫灌或人工灑水。不但造成水的浪費，而且往往由于不能及時灌水、過量灌水或灌水不足，難以控制水均勻度，對植物的正常生長產生不利影響。建立農業節水灌溉的自動化系統，采用高效的節水灌溉方式已勢在必行。一方面可以集中管理，加強控制;一方面可以按時按需定量供水，嚴格控制灌溉用水量，達到節水用水目的。柳江縣成團鎮魯比葡萄基地自動化滴灌工程已于2010年建成，使用的自動化控制滴灌技術初見成效，發揮良好的工程效益和社會效益。因而，探討自動化控制技術在滴灌工程中的應用，具有十分積極的意義。

一、自動化控制技術在滴灌工程中的應用概述

1.工作原理

自動化控制技術在滴灌工程中的應用，其工作原理是利用布設于田間的設備進行土壤、田間、作物生長信息的監測與采集工作，將采集數據反饋到控制中心，經過系統軟件的分析，再將決策傳到終端由終端執行灌溉管理指令。例如對含水量信息進行監測，比較灌溉補償點及飽和點，由中央控制系統的相關軟件分析并決定是否灌溉，將開啟閥門或者是關閉的信號傳輸到終端（閥門）控制系統，從而通過閥門的開關實現自動化灌溉。與國際上先進的自動化控制技術相比，目前我國的農業傳感器水平仍然比較落后，但土壤水分傳感器已經達到同類水平的標準。

2.系統組成

自動化控制技術在滴灌工程中的應用，其系統組成有起分析決策作用的中央控制器和起信息采集、監測作用的相關設備以及電磁閥、田間工作站、閥門控制器或是遠程網絡終端單位。

中央控制器是整個系統的主站，由微機、系統軟件等相關設備、軟件構成。微機由計算機、激發打印機、電源控制箱、中央控制器等組成；系統軟件有信息采集與處理、顯示、記錄與報警、閥門狀態監控等模塊組成，除預測預報之外，系統軟件還具備過程監視、報警、過程控制和數據的全過程管理功能，能夠實現完全自動控制。

田間信息采集、監測設備是整個系統的根本，依靠傳感設備將被測量物的相關信息依據一定規律以信號的方式進行反饋。傳感器包括土壤類傳感器、作物類傳感器、氣象類傳感器和系統類傳感器，分別負責土壤類的溫度、水分以及養分，作物類的長勢、水分以及養分，氣象類的雨量、光照、風速以及蒸發，系統類的水質、水壓、流量以及閥門狀態等數據資料的采集與監測。

電磁閥根據田間灌溉設計來確定按照個數以及具體位置、間隔，進行田間灌溉的具體控制。

田間工作站需要根據實際需要確定布設數量和位置，如果地形平坦、信號效果好，田間工作站的數量就可以相對少些，覆蓋范圍可以適當增加；如果地面遮擋物較多，信號效果不好，則應適當加密田間工作站的布設密度。田間工作站是整個系統的中轉站，起著連接中央控制器與終端設備的作用。

閥門控制器或是遠程網絡終端單位是接收并執行田間工作站傳遞的指令的下端。其與電磁閥直接相連，可以控制不止一個電磁閥，接收指令后控制電磁閥，并采集田間信息傳輸到田間工作站。

3.子系統配置

自動化控制技術在滴灌工程中的應用，需要根據實際需要配置灌溉自動控制、農田信息監測、作物生長圖形采集、水肥智能決策等子系統和網絡化管理平臺，為用戶提供不同層次的管理選擇方式。用戶可以根據工程條件、項目投資以及管理水平等各方面因素，確定自動化控制系統各層次子系統的配置。

4.灌溉方式

目前，自動化控制技術在滴灌工程中的應用主要有三類灌溉方式，分別是自動化控制、人工參與控制和手動控制灌溉方式。第一種方式受田間信息采集、分析水平的制約，目前還是按照節水工程設計中關于耗水定額、作物需肥、灌溉時間等規定進行自動化控制，通常有根據時間設定輪灌、根據監測結果設定輪灌、根據實際情況進行隨機設定輪灌三種。第二種方式根據土壤濕度、氣象信息等參數進行人工參與控制灌溉，用戶可以根據監測結果用手機等設備實施智能化控制灌溉。第三種方式主要用于系統出現意外時，通過人工手動的方式控制電磁閥開閉，以確保不耽誤灌溉、節水節能。

5.控制方法

自動化控制技術應用于滴灌工程中的主要有三種基本控制方法，分別根據時間、水量和反饋進行控制。時間控制是按照設定好的時間進行關放水，水量控制是按照設定好的配水量進行關放水，反饋控制是根據濕度感受器反饋的信號進行關放水。

6.制定灌溉計劃

首先，需要制定管理計劃來提高農作物產量和質量，降低用水量，提高用水效益。管理計劃的制定需要為用戶提供完善的作物生產管理系統，保證用戶能夠了解農田土壤水分狀況，從而確定日水分利用量，做出科學的灌溉管理決策，根據農田灌水量需求安排灌溉次序、調整灌溉計劃；其次，詳細制定灌溉計劃，確定灌溉的時機和灌水量，使用土壤水分測定等技術和相關處理軟件使灌溉計劃更加科學化、合理化、精細化，確保土壤水分保持在農作物生長需要的最佳狀態。

7.軟件系統

自動化控制技術在滴灌工程中的應用，需要軟件系統的支持。通常，軟件系統采用便于數據查詢、存儲、使用的樹狀結構，管理人員能夠借助農田中的各個監測點實時收集相關數據，并通過計算機和相關軟件進行處理、顯示，為用戶提供農作物種植所需的準確、詳細資料。另外，還需要顯示任何一個監測點某一年份的情況，明確灌溉飽和與需要灌溉的點位以及土壤水分平衡、土壤水分含量、日水分使用、日用水量等情況，預測出再次灌溉的時間、用水量，以保障日常管理工作的準確、高效，為未來制定灌溉計劃提供科學、完善、合理的評價標準。

在數據輸入方面，讀數記錄屏可以顯示土壤水分張力計監測到的數據、作物籽粒大小等田間數據，以準確計算作物生長所需的水量和灌溉時機。氣象數據可以通過人工輸入或是氣象站自動載入的方式進行數據輸入，掌握氣象數據能夠計算出水分蒸發總量，從而更為合理的制定作物灌溉計劃。

軟件系統能夠準確計算土壤水分達到飽和點需要的時間和水分，計算出作物播種直到成熟收獲各個階段的天數，與往年的作物生長數據進行同步分析，確定作物水分的使用效益和作物總產量。對于玉米、棉花等作物，借助作物—水分方程和氣象資料能夠較為精準的計算出作物產量，借助速率方程能夠計算作物該階段以及整個生命周期的生長速率，借助土壤水分測定儀器能夠指導用戶有效利用水資源，最大限度的提高農業效益。

二、自動化控制技術在滴灌工程中的應用效果

1.自動化控制技術在滴灌工程中應用的成效

滴灌工程中應用自動化控制技術能夠在現有的滴灌系統基礎上，將人工現場作業的工作方式轉變為由自動化控制系統完成，通過GSM網絡等途徑實現滴灌作業的遠程控制、自動化控制。例如將球閥更換為電磁閥，可以由中央監控器控制灌溉，避免隨意開啟、關閉閥門的現象，有利于農田灌溉系統的管理。自動化控制系統能夠保證灌溉時間、灌溉水量，實現節水節能的目標，提高設備、能源、灌溉用水的利用率，提高生產效率，節省勞力，并保證了滴灌系統的均勻度和合理性，為作物需水量等農藝技術的進一步研究提供了有效、準確、豐富的科研資料。

使用自動化控制技術，使滴灌系統必要的灌溉水量得到保證、非必要灌溉水量受到控制，并實現了水肥的均勻化，據統計，使用自動化控制技術的灌水均勻度得到了20%以上的提高。以棉花為例，使用自動化控制技術的滴灌系統實現株數提高10%、結鈴率提高7%、鈴重提高5%的增產效果，每畝節省灌溉水量達到40立方米，管理定額也整整提高了一倍。

2.自動化控制技術在滴灌工程中應用的問題及對策

目前，自動化控制技術在滴灌工程中的應用還面臨著成本問題、操作性問題和數據庫問題。成本問題方面，控制站、電纜等設施、設備、材料在自控系統的投資中占據70%左右的比例，需要盡量降低控制站建設的數量，努力提高單站的性能和控制面積，暫時忽略田間管理的不便而加強分干管的數量，降低管道直徑，以提高整個系統的利用效率，控制管網成本；操作性問題方面，應在確保控制系統性能良好的基礎上，簡化操作，產品盡量模塊化，以減少維護；數據庫問題方面，不應局限于示范區，而應結合大田試驗研究成果，將數據完整、準確錄入，建立專家信息服務平臺。

另外，針對自動化控制技術與水利學結合存在的問題，應充分優化設計方案，協調滴灌自動化控制系統；針對自動化與水利施工結合存在的問題，盡量保證二者的同步進行，自動化改造時必須詳細查清水利施工資料；針對人員素質存在的不足，需要在降低自動化系統難度、提高可操作性的基礎上，積極提高使用者的知識和技術水平，以先進的管理和認真的操作保障自動化管理與操作的水平。

3.自動化控制技術在滴灌工程中的應用前景

自動化控制是滴灌工程發展的必經之路，在總結滴灌管理經驗的基礎上，用戶已明確認識到自動化控制的優勢和必要性；我國每年新建及現有的許多滴灌系統都需要實現自動化改造，因而自動化控制技術在滴灌工程中的應用有著極為廣闊的前景；在自動化控制技術和滴灌系統相關技術、設施不斷完善的基礎上，滴灌自動化的經濟效益以及社會效益也會隨之提高。

總結：

綜上所述，自動化控制技術在滴灌工程中的應用，不僅便于田間規范化管理，還在降低勞動強度、解放勞動力、提高勞動效率、節能節水的基礎上，有利于實現農作物的增產創收，有助于實現灌溉的自動化，為我國全面實現農業現代化打下了堅實的基礎。

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