自動化控制在滴灌工程中的應(yīng)用

張珀浩

（新疆天業(yè)節(jié)水灌溉股份有限公司,新疆 石河子 832014）

1 自動控制系統(tǒng)的組成

滴灌的自動控制系統(tǒng)包括水源、首部控制裝置、測量的儀器儀表、配水管網(wǎng)以及遠程監(jiān)控服務(wù)器、現(xiàn)場控制站和電磁閥、控制電纜、相關(guān)軟件等。自動化控制系統(tǒng)無需像智能控制系統(tǒng)那樣在現(xiàn)場設(shè)置傳感器，相關(guān)技術(shù)人員利用電纜在系統(tǒng)首部操作灌溉觸摸屏，來實現(xiàn)對現(xiàn)場給水栓電磁閥開關(guān)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(tǒng)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(zhí)行機構(gòu)間實現(xiàn)可靠、經(jīng)濟的通訊。

2 自動控制系統(tǒng)的通訊方式

在自動控制系統(tǒng)中，控制中心以執(zhí)行機構(gòu)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(zhí)行機構(gòu)為電液聯(lián)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(xiàn)對電磁閥的控制，其一是接受開關(guān)信號的電磁閥門，即電信號為控制閥門開、關(guān)的指令，且執(zhí)行該指令所需的能量由電線提供，因此相對來說比較節(jié)約電能。另外一種方式是連續(xù)通電對電磁閥門進行開、關(guān)的控制，即通電狀態(tài)閥門一直處于開啟或者關(guān)閉的狀態(tài)，在斷電開啟或關(guān)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(tǒng)不易受到外界因素的干擾，提高了系統(tǒng)的可靠性，并且傳輸數(shù)據(jù)的量也比較大，無論是設(shè)計還是施工都相對方便。不過傳統(tǒng)的電纜線控制要使用大量的電纜線，現(xiàn)在利用現(xiàn)場總線技術(shù)進行控制，大大減少了電纜線的用量，降低了系統(tǒng)的成本。

（2）液力線傳輸。液力線傳輸方式的執(zhí)行機構(gòu)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(xiàn)對液力閥的控制，其一是利用接收開關(guān)信號的閥門，即以控制閥門開、關(guān)的指令作為水力信號，閥門的開、關(guān)動作所需能量來自于系統(tǒng)的水壓；其二是利用連續(xù)供水力的方式對閥門進行開、關(guān)的控制，即通水狀態(tài)閥門一直處于開啟或者關(guān)閉的狀態(tài)，閥門在斷水后進行開啟或者關(guān)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(tǒng)控制中心的通訊是由電纜線的方式來實現(xiàn)的。利用液力線傳輸?shù)姆绞竭M行系統(tǒng)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(fù)雜的地形則使用不便，并且容易受到外界因素的干擾，現(xiàn)場的RTU只可對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)送開關(guān)命令而無法監(jiān)測，因此相對而言這種通訊方式的經(jīng)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(zhí)行機構(gòu)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(guān)信號，而閥門開、關(guān)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(tǒng)運行正常?，F(xiàn)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(fā)送通訊信號；另外一種則是結(jié)合有線方式，即從控制中心到現(xiàn)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(xiàn)場的電纜用量，減少了系統(tǒng)成本，不過需要設(shè)置專用的無線控制閥門，其中裝設(shè)有無線電信號的發(fā)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(shù)量有所減少。不過應(yīng)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(shù)據(jù)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(chǎn)生干擾，甚至天氣環(huán)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(xiàn)系統(tǒng)控制中心到現(xiàn)場設(shè)置的通訊，而現(xiàn)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(tǒng)的連接來實現(xiàn)。無線方式通訊自動化控制系統(tǒng)對單片機進行模塊化軟件管理，把滴灌技術(shù)、濕度傳感器技術(shù)、無線遙控技術(shù)以及現(xiàn)場智能控制閥和自動控制中央管理系統(tǒng)等進行綜合、統(tǒng)一，再結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實踐經(jīng)驗，從而提高系統(tǒng)的可靠性、適用性及經(jīng)濟性。該系統(tǒng)的主要組成部分包括中央控制器、現(xiàn)場自動控制閥、泵站運行監(jiān)控設(shè)施、數(shù)傳電臺以及中心控制計算機等。系統(tǒng)的首部管理房內(nèi)設(shè)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(shè)備，對現(xiàn)場的灌溉情形進行實時的監(jiān)測與控制。整個系統(tǒng)可以分為四個單元，其一是中心單元，其主要設(shè)備包括計算機、通訊控制器以及穩(wěn)壓器；其二是首部單元，主要設(shè)備有滴灌控制箱、變頻柜、超聲波流量儀；其三為通訊單元，設(shè)備包括無線收發(fā)設(shè)備；其四即為現(xiàn)場控制單元，設(shè)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(tǒng)的運行

3.1 滴灌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及運行

自動化控制系統(tǒng)對灌區(qū)的實時控制是通過電腦控制中心來實現(xiàn)的，而水源則是地表水與地下水相結(jié)合共同提供。主要的過濾設(shè)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(tǒng)具體運行方式

（1）四場滴灌自動化控制系統(tǒng)的運行。滴灌自動控制系統(tǒng)的管理區(qū)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(xiàn)場劃分好的灌溉小區(qū)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(qū)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(jié)合，再利用系統(tǒng)的相關(guān)軟件加以分析，最終確定出實際的灌水時間、次數(shù)及水量。

（2）五場滴灌自動化控制系統(tǒng)的運行。五場滴灌系統(tǒng)中，對現(xiàn)場的控制是通過多個自動調(diào)壓閥來實現(xiàn)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(xiàn)場的電磁閥全部啟動。如果流量達到每小時300m3，則現(xiàn)場電磁閥啟動一半即可，然后如此往復(fù)卻覆蓋區(qū)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(jié)合自然因素，再利用系統(tǒng)軟件加以分析，最終確定出灌溉的時間、水量及周期等。

4 結(jié)語

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

[1]屈英.大田滴灌自動化控制系統(tǒng)在新疆的應(yīng)用與分析[J].石河子科技,2006，（1）.

[2]王京華,孫孝貴,楊建文.自動化控制滴灌系統(tǒng)在大田棉花方面的應(yīng)用[J].節(jié)水灌溉,2006，（7）.

[3]柴敬禮.滴灌自動化控制在大田膜下滴灌系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2009，（9）.

[4]安志榮.滴灌系統(tǒng)自動化控制的應(yīng)用研究[J].農(nóng)田水利,2010，（4）.

[5]叢英娜.自動化控制系統(tǒng)在農(nóng)田滴灌中的應(yīng)用[J].農(nóng)村科技,2007，（4）.