新疆滴灌自動化關鍵技術應用研發及展望

摘 要：新疆以滴灌為主要模式的農業高效節水面積有373萬hm2，占總灌溉面積的62.8%，滴灌為新疆農業節水增效、協調經濟社會生態環境用水結構，提高水資源利用效率發揮了重要作用。隨著滴灌節水技術大面積規模化應用，近年來滴灌自動化灌溉控制技術得到應用發展，為滴灌技術提質增效、工程綜合效益發揮、灌溉農業現代化管理提供了重要支撐。本文對滴灌控制系統田間終端控制閥和控制方式關鍵技術應用現狀及存在問題，進行了回顧和總結分析，介紹了新疆自主創新研發的互聯網+新型節水灌溉自動化控制系統終端控制閥應用，并就拓展互聯網和云端技術+灌溉自動化控制、灌溉用水數字化、農田灌溉監測智能化研發應用進行了展望。

關鍵詞：滴灌自動化;終端控制閥;控制方式;應用研發;展望

中圖分類號：S27 ? ? ? 文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20200330013

滴灌是我國尤其是干旱區新疆農業高效節水灌溉的主模式，資料顯示，截至2018年，新疆以滴灌為主要模式農業高效節水面積達373萬hm2[1，2]，占總灌溉面積62.8%。大面積的滴灌推廣應用，使得滴灌高效節水節肥、增產高效、水資源利用效率、生態用水改善等優勢不斷顯現，為新疆農業節水增效、協調經濟社會生態環境用水結構發揮了重要作用。隨著滴灌高效節水灌溉規模化大面積應用，基于滴灌技術提質增效推進現代農業生產方式轉變目標，大力發展應用農業灌溉自動化技術，進一步釋放最大限度發揮滴灌效應已顯得十分迫切。滴灌田間終端控制閥及控制方式是自動化控制應用關鍵技術，目前滴灌田間控制閥主要為人工手動式管理存在明顯不足：人為操作隨意性，合適滴灌用水制度不能有效實施，影響了滴灌節水增效;人為傳統滴灌管理工作效率低運行成本大，據測算[3]滴灌自動化控制技術應用，可使人工管理定額提高近6倍，管理費用降低50%，水、肥灌溉均勻度均提高20%，節水增產5%～20%，實施節水灌溉自動化管理，具有節水增效節本降耗效果。本文在總結滴灌節水灌溉自動化控制相關技術的基礎上，針對新疆灌區滴灌自動化技術應用現狀、存在的主要問題及發展進行了分析研究。

1 自動化控制閥及控制方式現狀

1.1 終端電磁閥應用

電磁閥是節水灌溉自動化控制系統常用的控制設備[4，5]，采用工業耐用玻璃纖維尼龍材質，使用壽命長，對工作環境無苛刻要求;閥體采用全通徑設計，無阻隔閥口，保證了一定水流通過性能，能把水損失降到最小;同時電磁閥外形尺寸小，既節省空間又輕巧美觀，具有易于安裝維護等優點;電磁閥在自動控制方面還具有響應時間短、動作快捷、啟閉功率小等優點，是節水灌溉自動化控制用量較多的控制設備。該設備在新疆灌區實際應用表明，實用效果與預期尚有較大差距，主要原因為灌溉水質處理水平無法滿足電磁閥運行要求。電磁閥獨特的啟閉原理及結構，對灌溉水質潔凈度要求很高，達不到電磁閥傳導壓力的導流孔就會常常因此而被堵塞，出現電磁閥開關不能正常啟閉問題;電磁閥需要在一定管道水壓作用下才能進行啟閉，管道水壓較小時，無法對電磁閥進行啟閉操作;電磁閥啟閉原理及結構限定了其開度大小，只能是全開或全閉，無法根據灌溉需要通過調整閥門開度來調節灌溉水量。

1.2 終端電動閥應用

1.2.1 碟式電動閥

針對電磁閥不能很好適應灌溉水質而正常使用的問題，研究人員研發出了全金屬材質，閥體內部采用蝶閥形式的電動閥，采用有線供電方式為電動閥提供啟閉動力，電源線沿輸水管道布設，電動閥分散分布于田間供水出地樁之處，體型較大、重量較重，運行功耗較高，出地樁都相隔一定距離，電源線用量較大，節水灌溉自動化控制系統成本因此增大;同時作物生長期由于田間農業機械作業，如中耕、打藥等，電動閥電源線也會因此而受到不同程度的損壞，影響節水灌溉自動化控制系統的正常穩定運行。

1.2.2 梯形電動閥

梯形電動閥也稱球形電動閥，閥體內部有一球狀閥芯，閥芯上開有圓形出水口，閥芯內部中空，閥芯底部進水口通過中空閥芯與閥芯出水口貫通，閥芯頂部通過轉動軸與閥體的驅動裝置相連，帶動閥芯出水口向閥體左右兩側的出水口轉動，閥芯出水口與閥體一側出水口重合時，即可向該側支管輸水，閥芯出水口轉至與閥體出水口垂直方向時，閥體處于關閉狀態。梯形電動閥過水通道口徑較大，在灌溉水質處理較低情況下，不易出現被堵塞現象，較好地克服了電磁閥易受灌溉水質影響問題。梯形電動閥外觀結構設計科學、緊湊合理、簡單、巧妙，電動閥控制板、信號接收電線、電機及電動閥減速器等都集成在電動閥腹腔內，形成了渾然一體的效果，工作功耗較小，新疆滴灌節水灌溉對此進行了應用。但在近年實際運行中也暴露出了一些問題：開啟與關閉時，為了防止電動閥滲漏水，需要球狀閥芯緊貼閥體內側轉動，柳樹飄絮或楊樹揚花期，灌溉水內常混有楊花、柳絮等毛狀雜物進入球狀閥芯與閥體之間接縫，影響球狀閥芯在閥體內轉動甚至無法轉動（見圖1a）;電動閥處于關閉狀態時，閥體內側與球狀閥芯出水口接觸面始終處于灌溉水中，灌溉水中裹挾部分細小泥沙不可避免的沉積在接觸面上（見圖1b），導致電動閥出現無法打開，如果強行轉動，球狀閥芯球面上出現明顯擦痕擦傷，出現封水效果不好，漏水較大問題。

1.2.3 電動閥改進探索

當前有關技術人員探索在手動球閥基礎上，加裝電動驅動裝置，將滴灌系統手動球閥改裝成電動球閥并進行遠程控制。該研究在電動驅動裝置中分別設計了控制裝置和驅動裝置，并裝置2個獨立電源，分別向控制裝置和驅動裝置供電。考慮到驅動手動球閥啟閉所需力矩較大，需要消耗較大功耗，為此驅動裝置配置了較大容量鋰電池。但在實際中驅動裝置運行功耗較高，為節省電力，日常情況下處于休眠狀態，使用時需提前1d喚醒，這影響了滴灌實時控制灌溉的效果。

1.3 自動化控制方式

目前，自動化控制系統是在滴灌系統首部設自動化控制室，由電腦軟件對農田終端控制閥門進行調控，節水灌溉自動化控制系統配置專人在灌溉期值守。雖然管理人員可以不用手動開關田間控制閥，但控制人員必須在控制室才能對田間控制閥進行灌溉控制，每個節水灌溉自動化控制系統都是獨立的，無法與外界聯通。基于物聯網技術，將田間終端控制閥門直接接入互聯網，形成互聯網+節水灌溉自動化控制系統，通過手機、電腦等智能終端登錄控制平臺進行田間終端控制閥控制，這是全面提升滴灌自動化技術應用管理必由之路。

2 面臨問題及技術探索

2.1 存在的主要問題

田間終端控制閥及灌溉信息控制方式，是滴灌自動化灌溉系統的關鍵技術，新疆滴灌自動化灌溉系統應用現狀表明，目前引進和國內生產的不同型號規格控制閥，具有輕便耐用和啟閉功率小等優點[6-8]，但這些設備對灌溉水質潔凈度要求高，以及由于部件內部結構原因時常發生因田間雜物而影響運轉，時常發生導流孔易堵塞無法調節灌溉水量，農田作物揚花、防風林木柳絮等纖維狀雜物進入球狀閥芯與閥體之間接縫，影響球狀閥芯在閥體內正常轉動等[9-11]。同時，滴灌自動化信息控制方式方面，基本處于單一傳統管理方式，嚴重影響制約了節水灌溉自動化技術應用發展。

2.2 關鍵技術研發探索

2.2.1 田間終端控制閥

針對灌溉自動化系統田間終端控制閥的技術缺陷，在嘗試了多種解決方案后，對現有PE截止閥進行電動改造，并可接入互聯網實現遠程控制，改造的電動式PE截止閥具有重量輕、功率小、易拆卸維修和使用[12]（圖2）。經大量運行測試表明，PE截止閥獨特的啟閉方式通過調整進出水方向，在一定程度上降低電動式PE截止閥啟閉功耗。從閥蓋的方向進水可以利用管道水壓輔助閥門進行啟閉，關閥時，閥蓋由克服水壓向下運動轉為將水壓施加在閥蓋上向下運動。改后閥門變成閥蓋方向進水，其最大瞬時功率與改造前的閥蓋背面進水方式比較，功率平均降低92.8%，有效降低電動式PE截止閥啟閉功耗，由此，電動式PE截止閥僅需配備極小功率電機就可滿足實際灌溉控制。同時，改后的閥體內部過水通道較大，即使灌溉水質較為渾濁，灌溉水依然可以通暢的流過電動式PE截止閥;即使在管道沒有水壓或是管道水壓較小情況下，依靠自身動力也能順利進行啟閉。成功地解決了電磁閥與現狀梯形電動閥易受灌溉水質、水壓影響而不能正常運轉的問題。

2.2.2 自動化灌溉控制方式

將電動式PE截止閥與物聯網結合，形成互聯網+新型節水灌溉自動化控制系統，由上位控制平臺（節水灌溉自動化控制網站）、集中控制器、田間終端3部分組成（圖3）。灌溉人員通過手機、電腦等智能終端登錄“節水灌溉自動化控制網站”，對田間終端電動式PE截止閥發送控制指令，指令信號借助GPRS無線通訊信號送達至集中控制器，再由集中控制器通過無線射頻技術將控制指令，轉發至田間終端驅動電動式PE截止閥執行灌溉控制。互聯網+新型節水灌溉自動化控制系統涉及軟件工程、自動化控制、機械設計等學科，對運行維護人員技術有很高要求，考慮到管理人員實際文化程度降低系統維護難度，便于系統技術管理運行，為此系統研發出了故障監測即時推送功能，將系統集中控制器和田間終端分解為各個功能模塊，且可以即插即用。當某一功能模塊出現故障時，系統通過監測發現后，將該功能模塊故障信息即時推送至用戶持有智能終端，用戶根據系統推送故障信息，將備用功能模塊替換故障功能模塊，無需用戶對故障功能模塊維修確保了系統正常運行（圖4）。研發系統經新疆博州水利灌溉試驗站36hm2滴灌田間應用，驗證了系統功能模塊劃分的合理性，系統功能模塊進一步優化為1號電動閥模塊、2號電動閥模塊、電池模塊、太陽能充電模塊、存儲芯片模塊、集中控制器模塊;檢驗了系統對各功能模塊故障信息監測及推送至灌溉管理人員手持智能終端有效性，灌溉管理運行過程中農戶能據系統推送故障信息及時排障管護，提升了節水灌溉自動化人機互動智能化管理水平。

3 展望

目前研發的互聯網+滴灌田間終端控制閥及智能控制灌溉系統應用，將傳統工作量大、效率低、故障難以及時發現處理等落后管理，變成為農戶手機終端登陸云平臺遠程控制田間控制閥，實現了操作簡單易懂、方便農戶、故障檢測及時排除等智能式管理模式。隨著現代化農業高效節水灌溉技術發展，進一步研發構建互聯網和云端技術+灌溉自動化控制、灌溉數字化、灌溉監測智能化，是當前和今后灌溉技術研究應用重要方向，對新疆乃至我國農業節水綜合效益發揮、灌溉水資源有效利用具有重要意義。

參考文獻

[1] 水利部農村水利水電司.2018農村水利水電工作年度報告[R].2019.

[2]孫亭文.我區五年新增高效節水面積1588萬畝[N].新疆日報，2017-10-09.

[3]蘇江.大田滴灌自動化的應用及產品市場分析[J].現代農業，2010（03）：72-73.

[4]劉劍光.節水灌溉自動化技術的發展趨勢[J].中外企業家，2013（35）：193-194.

[5]張增林.自動化控制在節水灌溉系統中的應用[J].節水灌溉，2012（10）：65-68.

[6]許常武，譚愛紅.閥門電動裝置的發展趨勢[J].閥門，2002（3）：33-34，38.

[7]周超群.電磁閥的原理及其在工程設計中的應用探討[J].石油化工自動化，2006（5）：92-93.

[8]夏繼強，邢春香，滿慶豐，等.基于CAN總線的閥門遠程控制系統[J].自動化儀表，2004，25（7）：59-63.

[9]鄧兵，潘俊民，潘志揚.數字化閥門電動執行機構[J].自動化儀表，2001，22（7）：17-19.

[10]周建國，曹炬，姚全斌.單片機與PC機實現的電動閥門控制系統設計[J].計算機自動測量與控制，2001，9（2）：33-34.

[11]鄔寬明.CAN總線原理和應用系統設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，1996.

[12]高建新，何建村，白云崗.基于互聯網+電動PE截止閥研發及應用[J].節水灌溉，2018（07）：76-78.

（責任編輯 李媛媛）