玉米膜下滴灌工程自動化控制技術分析

王 濤，尹志宏

(1.甘州區水務局烏江水利管理所，甘肅 張掖 734000；2.甘州區水務局大滿水利電力管理處，甘肅 張掖 734000)

玉米膜下滴灌工程自動化控制技術分析

王 濤1，尹志宏2

(1.甘州區水務局烏江水利管理所，甘肅 張掖 734000；2.甘州區水務局大滿水利電力管理處，甘肅 張掖 734000)

以甘州區黨寨鎮卅店村四社大田玉米膜下滴灌項目研究為依據，對玉米膜下滴灌和自動控制系統目標、設計原理、設計方案、自動控制系統組成等進行闡述。該玉米膜下滴灌工程自動化控制技術的應用，對確保項目區的農業生產，探索先進的灌溉模式，節約用水，促進作物生長，起到舉足輕重的作用。

玉米；膜下滴灌； 自動化控制技術；高效節水；示范區

0 引 言

甘州區2012年被國家確定為甘肅省第四批中央財政小型農田水利重點縣高效節水灌溉項目示范區，項目區3 a(2012—2014年)主要建設內容包括發展高效節水灌溉面積4 453 hm2，其中：管灌面積1 993.2 hm2，滴灌面積2 047.6 hm2(其中井水滴灌882.93 hm2、河水滴灌811.33 hm2、日光溫室353.33 hm2)。

目前，甘州區發展高效節水灌溉面積1.67 萬 hm2，到2015年將達到1.87 萬 hm2，占全區有效灌溉面積的26%。節水灌溉工程在甘州區已經大面積得到了推廣，應用及管理技術較為成熟。在此基礎上發展自動化灌溉技術是精準農業發展的必然趨勢。

2012年10月，甘州區依托中央財政小型農田水利重點縣項目，高起點建設，將高效節水工程建設技術、計算機技術、自動控制技術、通信技術、傳感技術、圖像模擬處理等現代先進高科技技術充分融合，建立起了一個實用性強，擴展空間大的綜合水利管理信息化平臺，在張掖綠洲示范園區黨寨鎮三十里店村42 hm2大田制種玉米膜下滴灌工程采用了先進的智能化控制系統，介紹如下。

1 系統概述

1.1 自動控制系統目標

1)實現了灌溉自動化與水資源監測的完美結合，達到精確灌溉，節省水、肥、殺蟲劑、人工等，基本消除在灌溉過程中人為因素對作物造成的不利影響，提高操作的準確性和高效性，以達到科學管理的目的。

2)地塊自成獨立的灌溉系統，能夠實現自動控制和手動控制灌溉。同時，根據對實時的土壤濕度、氣象數據等多項數據的采集自動計算農作物的實際需水量，實現科學精準的灌溉，便于總結豐產灌水經驗。

3)在管理區能夠直觀地監視各地塊的灌水情況，并能控制灌溉。通過對首部能效、管網壓力的監測實時掌握設備各個環節的能耗損失，得到節能降耗的目的。

4)監測灌溉系統的主要工作參數，對各環節監測數據的分析、收集滴灌系統節水的相關數據，達到節約水源的目的，最大限度利用水資源，同時，流量、壓力傳感器的應用可自動監測、記錄、警示由于輸水管斷裂引起的漏水及電磁閥故障，保證系統運行安全可靠。

5)可按照設計好的輪灌計劃表進行定時定量灌溉，以便提供足夠的土壤入滲時間，減少坡地或黏性土地地面徑流損失，同時，自動/手動灌溉均可，在閥門上手動啟、閉電磁閥，也可在計算機上手動啟、閉任何一個電磁閥。

6)各地塊的自動化系統可根據需要進行設備調整或更換，便于后期的組合升級。

1.2 設計原理

田間灌溉自動控制系統由中央控制室、泵房首部控制站、田間路由器、閥門控制器、電磁閥、閥狀態反饋傳感器、田間氣象站、土壤濕度采集站、土壤濕度傳感器、首部運行監測等構成。

自動化控制系統由一臺Pc機與1個大田灌溉控制器相連，Pc機設置在中央控制室，大田灌溉控制器設置在泵房首部控制站，田間分布有無線地址解碼器RTU(以下簡稱“RTU”)，RTU接收Pc機或大田控制器的控制指令(短信指令)，驅動控制分布在地面管網出水口的電磁閥開關， 同時Pc機或大田控制器可以控制井泵的啟閉來加壓供水，從而實現滴灌系統的自動灌溉。泵房首部控制站與田間路由器、田間閥門控制器、田間氣象站、土壤濕度采集站、土壤濕度傳感器采用無線通訊。田間電磁閥和閥門控制器之間采用電纜連接。

閥門控制器接受泵房首部控制站的控制信號，控制閥門的啟閉，并在閥門狀態發生變化時，將真實的閥門開閉狀態返回至田間控制首部控制站，使首部控制站得到閥門的實際開閉狀態，全面反映實際輪灌執行情況，掌握系統的運行情況，了解田間氣象信息、土壤含水率等調整灌溉和灌溉效果的相關參數。

本項目配備有小型氣象站和施肥裝置，通過小型氣象站采集項目區的風速、風向、雨量、光照輻射、大氣溫度、相對濕度及土壤濕度等氣象數據， 通過將采集的數據分析整理， 管理人員可以根據這些數據配合農藝的需要及時調整灌溉時間和輪灌周期，使農作物始終保持最佳的生長狀態?；驹砣鐖D1所示。

1.3 設計原則

1)先進性：可以保證系統硬件、系統軟件、控制及監測系統應用軟件的技術先進性，系統運行時的高度自動化，技術先進。

2)安全性：能夠保證系統運行時的高可靠性，達到系統電源、信號接口的安全保護，關鍵部位出錯時的快速切換?？梢员M量避免硬件設備被雷電破壞，達到計算機網絡安全認證，防止非法訪問。

3)擴充性：系統設備的選型和網絡的結構可以滿足網絡擴充的需要和未來應用軟件開發的需求。

4)一致性：硬件和軟件的選型可以符合將來系統的管理和維護，提供統一的人機接口界面。

5)完整性：系統結構、硬件設備和軟件開發符合整個系統的要求。

6)可靠性：不因其本身的局部故障影響現場設備的正常運行，而且系統的可用性指標均達到國家水電、水利行業的規定。

7)開放性：系統預制有通信接口，可實現與其它自動化控制系統根據需要實現信息共享，同時可以與上級部門連接實現信息傳遞匯報。

8)可操作性：在建成之后易于維護人員管理。

圖1 自動控制系統設計原理圖

1.4 技術方案

1)可靠性高：不因其本身的局部故障影響現場設備的正常運行，而且系統的可用性指標均達到國家水電、水利行業的規定；零件不易丟失和損壞， 自控系統、過濾器和田間閥門等均可實現無人值機。

2)易用性好：操作簡單，好學易用。

3)安全生產：操作安全。

4)費用合理：硬件及軟件初期投資合理，后期使用、維護費用低[1]。

5)擴展性強：保留充足擴展空間和能力。

2 設計方案

2.1 田間自動化灌溉模式

本項目按照已制定的灌溉制度作為基本的灌水計劃。灌溉計劃可以根據作物生長狀態，隨時在大田控制器和Pc機上進行調。田問閥門按照設計輪灌組進行編組，后期可以調整。大田控制器內部的編組是邏輯軟連接，可以重新編制。

土壤濕度傳感器和氣象站將采集的數據傳輸給Pc機，經過分析，可以做出灌溉決策。本項目僅將采集的數據作為決策參考。

小型氣象站是氣象信息數據的采集工具，將采集的數據作為決策參考，科學地指導農業生產。

2.2 自動和手動灌溉模式

2.2.1 大田控制器和Pc機上的遠程自動灌溉

在大田控制器和Pc機的屏幕上有全部閥門的狀態顯示，進行相應鍵盤的操作，可以選擇任意閥門的開閉。

2.2.2 田間手動灌溉

每個田間電磁均有手動開關， 管理人員可以在田問直接開啟/關閉各閥門。

2.3 土壤濕度測量

通過田間安裝的土壤濕度計， 將作物根系不同生長層的土壤濕度定時測量并通過RTU回傳給大田控制器及Pc機， 用戶可以隨時進行查詢。

2.4 數據共享

在管理房的Pc機可以通過互聯網進行遠程數據傳輸和共享，可以讓農業專家及時地分析田間的實際情況，并提供及時的農藝支持，建立數據模型供有關部門進行方針決策。大田控制器及Pc機記錄并統計出每個田間閥門的開啟時長、過流量、系統總流量、各種傳感器信息、每個地塊的灌溉運行記錄及運行狀況，在管理房都能直觀的掌握。

3 自動化灌溉系統組成及各部分功能

3.1 系統組成

根據系統功能劃分：決策系統、信號傳輸系統、應用系統(儀器設備)、能量供應系統(電力供應)。

根據系統組織結構劃分：由水務局山洪災害預警信息中心、龍窩管理站分中心、泵房首部控制站、無線路由站、控制點(無線閥控器、閥門狀態反饋傳感器與電磁閥)、田間氣象站、土壤濕度采集站、首部運行監測的通訊網絡等構成。

1)泵站首部控制站：首部控制站主要根據指令或輪灌制度，自動通過無線通訊給無線閥控器下達啟閉指令，對電磁閥門進行遠程啟閉，實施田間自動灌溉。也可以人工干預進行點片灌溉。在必要的情況下，由具有授權的農藝技術人員結合實際情況對輪灌制度進行調整。

2)無線閥控器及路由器：無線閥控器是一個能夠對控制指令進行解析和轉換的設備，接收首部控制站或路由站轉發來的指令，控制電磁閥開關，同時也能向首部控制站反饋電磁調壓閥的狀態。一個無線閥控器可控制兩個電磁閥。

3)電磁閥：電磁閥作為控制支管水流的一種執行器，一條支管上設一個電磁閥。

4)田間氣象站：監測田間微觀氣象，對空氣溫度、濕度、風速、風向、降水量等五要素進行實時采集，以無線方式傳送到首部控制站。

5)土壤濕度采集站：在典型地塊的有代表性的位置，設置多個土壤濕度采集點，并在該點不同深度埋設土壤濕度傳感器。在灌溉過程中，了解土壤不同深度的土壤濕度變化，非灌溉期間土壤水分流失的規律，分析灌溉間隔、灌溉時長對作物根系水量供應的影響，為制定進一步高效節水的灌溉模式提供基礎數據。

6)首部運行監控器：監視首部水泵運行工作電壓、三相電流、消耗電量、系統出口壓力以及流量等參數。

3.2 工作原理

3.2.1 田間閥控器系統功能范圍

田間無線閥控器從首部控制站或信息中心接收命令，開啟關閉閥門，并檢測閥門的狀態反饋給首部控制站和信息中心。無線閥控器通過本地RS232端口來設置網絡地址、設備地址、通信通道及各種通信參數如速率、數據位、校驗位等。1個無線閥控器可帶1個電磁閥。

電磁調壓閥開關由正反向直流脈沖電壓信號控制，與控制設備連接。要開啟閥門時，線圈收到一個直流脈沖信號，使得柱塞堵住進水端口，連同控制腔與排水端口，控制腔排放，閥門開啟。要關閉閥門時，線圈收到一個反向直流脈沖信號，柱塞向相反方向移動，堵住排水端口，進水端口和控制腔連通。這樣壓力水流從閥門進口(上游)充滿控制腔，關閉閥門。

3.2.2 泵房首部自動化設備簡介

首部控制站通過無線的方式給無線閥控器下命令，無線閥控器接收信號后控制電磁閥的啟閉，實施田間灌溉。每個電磁閥平均控制7畝地，電磁閥可以通過接收閥控器的正反向脈沖電壓信號進行開關，也可以用手柄人工操作，手炳是可拆卸的，拆卸后不影響電磁閥使用。

首部控制站可與縣信息中心(可選)采用GPRS通訊，首部控制站和無線閥控器之間采用無線通訊，無線閥控器和電磁閥之間采用電纜連接。

3.2.3 氣象站及田間監控設備功能簡介

田間氣象站監測田間空氣溫度、空氣濕度、風速、風向、及降水量等五大要素，為農業生產和灌溉提供氣象信息。

田間視頻監控設備是用來監控田間農作物和整個局面的，監控頭在中央監控室控制下可以自動旋轉，平行旋轉角度360°。豎直旋轉角度9°。

3.2.4 土壤濕度采集站

無線土壤濕度采集站可定時采集土壤含水率數據，并向首部控制站發送。無線閥控器通過本地RS232端口來設置網絡地址、設備地址、定時采集時間間隔等。1個無線土壤濕度采集站可接做多4個濕度傳感器。

4 自動化灌溉系統主要設備的安裝與調試

4.1 首部灌溉自動控制器的安裝

首部灌溉自動控制器共1套，首部灌溉自動控制器安裝在泵房內，其距離最遠的路由器RTU的直線距離小于無線傳輸半徑2 km?？刂破鲬惭b在室內安全的地方，室外架設無線通訊用天線桿，高度≥8 m。雷雨多發區應安裝避雷系統。天線接口與首部灌溉控制器天線接口連接牢固。首部灌溉控制器電源為220 V，50 Hz。

4.2 無線路由器RTU的安裝

無線路由器RTU將RTU、太陽能、無線通訊集成安裝在田間站上。

安裝順序：將集成的田間站安裝在田間RTU的幾何中心線上，將無線路由器RTU安裝在田間站上，最后將蓄電池按正極接正極，負極接負極連接到無線路由器RTU上。無線路由器RTU應保證與所屬的田間RTU地址要一一對應，應和設計圖紙對應的地址一致。無線路由器RTU天線桿的架設：將3 m長吸盤天線安裝在8 m高的安裝桿的托盤處即可。

4.3 無線田間閥控器RTU和電磁閥的安裝

無線田間閥控器RTU將RTU、太陽能、無線通訊集成安裝在支架桿上。

安裝順序：將集成的支架桿插入田間電磁閥的旁邊，然后將電磁閥的線接入無線閥控器F1和F2通道上(注意正負連接正確)，反饋傳感器的線接到S1和S2通道上。并將反饋傳感器接到電磁閥的出口處，最后將鋰電池上電，無線田間閥控器RTU安裝時注意RTU地址要一一對應，應和設計圖紙對應的地址一致。電磁閥安裝前應對電磁閥的規格型號進行復查，閥體內應保持清潔，不得混入雜物。電磁閥與PVC三通用￠110的法蘭連接，法蘭之間必須加載合格的膠墊。閥體上的箭頭應與管道中介質流動方向一致。電磁閥安裝時須垂直于水平管道，線圈朝上，傾斜度不允許超過30°，否則不能保證閥口密封。

4.4 土壤濕度監測站的安裝

土壤濕度監測站安裝位置要求離滴灌帶10 cm，安裝深度分4層15 cm、30 cm、45 cm，60 cm。 安裝位置的選擇要有代表性。土壤濕度監測站采用太陽能板供電，續航供電時間為6晝夜，內部軟件可設置采集濕度的間隔時間，從0.1～10 h均可。安裝完成后可在首部控制器進行監測。

4.5 氣象站的安裝

氣象站一般安裝在開闊的地方，固定在直徑40mm的鋁合金安裝支架上，高度2 m左右。氣象監測站由氣象傳感器、無線采集器、太陽能供電系統、鋁合金安裝支架，室內監測儀表等組成。無線采集器采集氣象數據，并通過無線微波發送數據到監測中心。太陽能供電系統：包括太陽能電池板、充放電控制器、充電電池組，保證采集系統的能量供給，在持續陰雨天連續工作長達15 d。

4.6 系統調試

1)通訊調試：將無線路由器RTU及無線閥控器RTU正確安裝，并保證電源正常接通，測試RTU是否正常，當無線路由器RTU及無線閥控器RTU都通訊正常時，打開首部灌溉控制器及首部監控中心，此時首部灌溉控制器及首部監控中心與無線閥控器RTU進行通訊，并在信息窗口顯示。

2)灌溉調試：將電磁閥的手動開關置于自動位置，田間主管道內壓力由變頻控制在不大于最大工作壓力值。打開首部灌溉控制器和首部監控中心，對系統中的每一個電磁閥進行手動操作開/關，當電磁閥手動打開后，待1 min左右，支管地塊變為綠色，說明電磁閥打開，支管正常進水，否則要到田間檢查該電磁閥，排除故障。

3)首部運行監視器調試：打開首部監控中心首部畫面的手動模式，手動打開和關閉水泵，檢查首部水泵運行是否正常，電壓、電流能否正常采集，直至調試正常為止。

4.7 灌溉系統的操作和灌溉程序的編制

灌溉系統的操作分為手動模式和自動模式：

1)手動模式用于灌溉系統測試和操作灌溉程序員水平較低的情況下使用。進入手動模式，點擊要打開或關閉的電磁閥，屏幕彈出對話框，選擇要操作的菜單即可。

2)自動模式用于對灌溉系統比較熟練和對地塊的灌溉要求比較高的情況下使用。

a)以土壤濕度為主參數進行自動灌溉：系統設有土壤濕度傳感器對典型點的土壤濕度進行連續的測量，以多點土壤濕度指標為主要依據進行自動灌溉，灌溉量按地塊面積比例均勻分配到每個輪灌區，由田間灌溉控制器自動執行灌溉任務。

b)以預先制定程序為主進行自動灌溉：系統允許操作人員預先設定一段時間(可以是一次也可以是整個灌溉期)的灌溉計劃，系統按照該灌溉計劃自動進行灌溉，同時根據近期天氣情況(和降水量)對灌溉計劃進行修正，最后系統將修正后的灌溉計劃傳給田間灌溉控制器自動執行灌溉任務。

該項目2012年實施，系統利用率高，節省時間，節省人力， 增產效果顯著，具有優越的示范代表性，實現工程管理規范化、自動化、數字化，貫徹精準灌溉、科學灌溉的指導思想，使該系統高效可靠、先進實用，從而實現田間灌溉工程管理現代化，亟待大面積推廣。

[1]王堅，李巍.玉米膜下滴灌工程自動化控制技術分析[J].硅谷，2012(07)：210-211.

Automation Control Technology Analysis of Corn under Film Drip Irrigation Engineering

WANG Tao1and YIN Zhi-hong2

(1.Wujiang Water Conservancy Management Branch of Ganzhou District，Zhangye 7304000,China; 2.Daman Water Conservancy & Power Management Branch of Ganzhou District， Zhangye 7304000,China)

Taking the corn under film drip irrigation project research conducted at Sishe field，Sanshi village，Dangzaidian town Ganzhou district as the basis，the corn under film drip irrigation automatic control system target,design principle，design scheme，an automatic control system are elaborated.The application of the corn under film dripping engineering automation control technology plays a vital role in ensuring agricultural production，exploring the advanced irrigation patterns，water conservation，promoting crop growth in the project areas.

under film drip irrigation；automatic control technology；high efficient water-saving demonstration district

1007-7596(2015)01-0004-05

2014-04-12

王濤(1978-)，男，甘肅張掖人，工程師，從事灌溉工程管理、水利水電工程勘測設計、工程造價與監理、節水灌溉研究工作；尹志宏(1974-)，男，甘肅張掖人，助理工程師，從事灌溉工程管理、節水灌溉研究工作。

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