蘇塘灌區(qū)自動(dòng)灌溉控制軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張玉平，王香玲

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院中水科技公司，北京 100038)

新疆兵團(tuán)新建團(tuán)場(chǎng)38團(tuán)位于且末縣境內(nèi)，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(qū)，東西長(zhǎng)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(tuán)開(kāi)發(fā)規(guī)模為148.29萬(wàn)畝，形成包括生態(tài)保護(hù)區(qū)80萬(wàn)畝、重點(diǎn)開(kāi)發(fā)區(qū)60萬(wàn)畝（實(shí)際凈灌溉面積30萬(wàn)畝）的墾區(qū)。2008年6月動(dòng)工興建。

2010年通過(guò)激烈的市場(chǎng)招標(biāo)，最終采用了北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司研制的H9000 V4.0計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)作為38團(tuán)灌區(qū)輸配水自動(dòng)化管理平臺(tái)，項(xiàng)目于2010年3月初開(kāi)工，計(jì)劃2012年9月底全部LCU投運(yùn)完畢。

田間微灌自動(dòng)控制系統(tǒng)作為輸配水自動(dòng)化系統(tǒng)的一部分，采取先示范后逐步推進(jìn)的原則，選擇1分干-3分干1、2、3出水口的南北兩側(cè)系統(tǒng)共6個(gè)田間系統(tǒng)實(shí)施田間微灌自動(dòng)控制示范系統(tǒng)。田間微灌以系統(tǒng)為單位，1個(gè)支管進(jìn)水口控制范圍為1個(gè)田間系統(tǒng)，田間灌溉形式為滴灌。田間微灌自動(dòng)控制系統(tǒng)只控制棗樹(shù)灌溉，因此自動(dòng)控制面積等于果樹(shù)種植面積，田間微灌自動(dòng)控制示范系統(tǒng)控制6個(gè)田間系統(tǒng)2 886.51畝。田間微灌自動(dòng)控制系統(tǒng)只控制果樹(shù)灌溉，1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)田間系統(tǒng)有32條輔管，每?jī)蓷l輔管為同一進(jìn)水口。根據(jù)田間輪灌制度安排，在兩條輔管的同一個(gè)進(jìn)水口處安裝電磁閥，即1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)配置16個(gè)電磁閥，自動(dòng)灌溉控制軟件的主要任務(wù)即遠(yuǎn)程控制田間電磁閥。

本文以蘇塘灌區(qū)為例，首先介紹蘇塘灌區(qū)自動(dòng)灌溉控制高級(jí)應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)原則，軟件結(jié)構(gòu)，軟件功能，最后介紹灌溉高級(jí)應(yīng)用軟件的實(shí)現(xiàn)。

1 自動(dòng)灌溉控制軟件的設(shè)計(jì)原則

目前我國(guó)大型灌區(qū)灌溉范圍廣，人員設(shè)置少，管理水平落后；灌區(qū)的各級(jí)管道呈樹(shù)狀分布，輸水過(guò)程中管道存在水錘問(wèn)題，尤其是在閥門開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)表現(xiàn)突出，如果通過(guò)人工手動(dòng)控制各級(jí)管道上的閥門，不但浪費(fèi)大量的人力，也不能精準(zhǔn)控制水資源，從而造成水資源的浪費(fèi)。自動(dòng)灌溉控制軟件充分考慮大型灌區(qū)農(nóng)田水利灌溉的需求，通過(guò)事先設(shè)置相關(guān)參數(shù)，自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算分析，自動(dòng)控制輸水各級(jí)管道中閥門的開(kāi)啟、關(guān)閉，以消除水錘危害，保證供水安全，精準(zhǔn)控制各田間系統(tǒng)灌溉水量，最終提高農(nóng)田水利灌溉管理水平。

自動(dòng)灌溉控制軟件的設(shè)計(jì)原則如下：

（1）操作方便

不需要頻繁修改的參數(shù)、功能切換按鈕、自動(dòng)灌溉控制計(jì)算結(jié)果等集中到一幅畫(huà)面，每個(gè)田間系統(tǒng)的監(jiān)視和操作單獨(dú)設(shè)立畫(huà)面。

（2）功能實(shí)用

從灌區(qū)實(shí)際出發(fā)，綜合考慮各種灌溉需求，使軟件滿足實(shí)用化要求。

（3）安全灌溉

輸水管道為封閉式管道，容易產(chǎn)生水錘，自動(dòng)灌溉過(guò)程中需要以安全為主，否則容易造成設(shè)備損壞從而影響系統(tǒng)供水。

（4）預(yù)留接口、接入方便

灌區(qū)共327個(gè)田間系統(tǒng)，由于目前大部分均不具備自動(dòng)控制條件，因此分階段實(shí)施自動(dòng)控制，田間微灌自動(dòng)控制示范系統(tǒng)只控制其中的6個(gè)田間系統(tǒng)，待其他田間系統(tǒng)條件成熟時(shí)再分批納入自動(dòng)控制。為了將來(lái)其他田間系統(tǒng)方便地接入，軟件需預(yù)留接口，做到靈活配置。

（5）界面設(shè)計(jì)人性化、與其他畫(huà)面風(fēng)格統(tǒng)一

自動(dòng)灌溉控制軟件依托于H9000 V4.0計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，為了運(yùn)行人員操作方便，與自動(dòng)灌溉控制相關(guān)的畫(huà)面風(fēng)格需與監(jiān)控系統(tǒng)其他畫(huà)面保持統(tǒng)一。

2 自動(dòng)灌溉控制軟件的功能設(shè)計(jì)需求

根據(jù)用戶、設(shè)計(jì)院的討論結(jié)果，灌溉高級(jí)應(yīng)用軟件的需求如下：

（1）按輪灌制度定時(shí)輪灌

遠(yuǎn)程自動(dòng)控制田間灌溉，按照制定的輪灌制度對(duì)作物實(shí)行定時(shí)、定量的精準(zhǔn)灌溉。既能分區(qū)成組控制，又能單點(diǎn)控制。整個(gè)系統(tǒng)的輪灌分兩類輪灌方式：田間進(jìn)水口閥門的輪灌和田間系統(tǒng)內(nèi)閥門的輪灌。

田間進(jìn)水口閥門的輪灌：327個(gè)田間進(jìn)水口閥門因數(shù)量大，需要進(jìn)行自動(dòng)輪灌，設(shè)置年輪灌制度表，每年的輪灌周期最多可達(dá)30個(gè)，輪灌制度表需在實(shí)際生產(chǎn)中根據(jù)情況調(diào)整。

田間系統(tǒng)的輪灌：目前，田間微灌示范系統(tǒng)中的閥門為3英寸電磁閥，每個(gè)系統(tǒng)安裝16個(gè)電磁閥，共6個(gè)田間微灌示范系統(tǒng)。田間微灌示范系統(tǒng)可通過(guò)自動(dòng)輪灌的方式灌溉。

其余的田間系統(tǒng)（327-6=321個(gè)）安裝的是手動(dòng)球閥，需要人工手動(dòng)方式輪灌，暫不能自動(dòng)輪灌，待時(shí)機(jī)成熟再接入。

（2）骨干管網(wǎng)閥門控制

骨干管網(wǎng)閥門控制方式：可采用單設(shè)備控制或多設(shè)備聯(lián)合控制。

表1 田間進(jìn)水口閥門年輪灌運(yùn)行時(shí)間表

（3）田間微灌自動(dòng)控制系統(tǒng)

按照田間輪灌制度安排，根據(jù)輸水時(shí)間控制滴灌電磁閥的開(kāi)關(guān)。

灌區(qū)輸配水工程在運(yùn)行管理中，要嚴(yán)格遵守各級(jí)閥門的啟閉時(shí)間，必須遵守先開(kāi)閥后關(guān)閥、先開(kāi)啟下級(jí)閥門再開(kāi)啟上級(jí)閥門、先關(guān)閉上級(jí)閥門再關(guān)閉下級(jí)閥門的要求，同時(shí)要防止水錘和負(fù)壓破壞閘閥和管道。

3 自動(dòng)灌溉控制軟件的功能

綜合功能設(shè)計(jì)需求后，設(shè)計(jì)自動(dòng)灌溉高級(jí)應(yīng)用軟件功能如下：

（1）功能的投入/退出

軟件設(shè)有自動(dòng)灌溉功能投入/退出切換按鈕，當(dāng)自動(dòng)灌溉功能投入時(shí)，系統(tǒng)按設(shè)定的周期，自動(dòng)計(jì)算，執(zhí)行自動(dòng)灌溉相關(guān)功能。當(dāng)自動(dòng)灌溉功能退出時(shí)，不執(zhí)行自動(dòng)灌溉功能。

（2）模式的切換（自動(dòng)/半自動(dòng)/手動(dòng)）

軟件設(shè)有自動(dòng)/半自動(dòng)/手動(dòng)切換按鈕，當(dāng)處于自動(dòng)模式時(shí)，軟件根據(jù)監(jiān)測(cè)的土壤信息，按照事先設(shè)置的作物需水量，自動(dòng)計(jì)算各級(jí)閥門的開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)間，無(wú)需人工干預(yù)。這種系統(tǒng)中，除灌水器、管道、管件及水泵、電機(jī)外，還包括中央控制器、自動(dòng)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(jià)較高，目前我國(guó)的灌區(qū)設(shè)備配置不全，尚不具備條件，在整個(gè)系統(tǒng)條件成熟時(shí)可以采用該模式；當(dāng)處于半自動(dòng)模式時(shí)，軟件根據(jù)事先設(shè)置的各級(jí)輪灌周期，綜合考慮各種安全條件，通過(guò)分析計(jì)算，自動(dòng)按時(shí)按順序開(kāi)啟、關(guān)閉各級(jí)閥門，對(duì)灌區(qū)自動(dòng)灌溉，這是目前最常用的模式；當(dāng)切換到手動(dòng)控制方式時(shí)，由運(yùn)行人員在畫(huà)面上手動(dòng)對(duì)每個(gè)閥門單獨(dú)控制。

（3）控制/指導(dǎo)

為了供水系統(tǒng)的安全，特設(shè)置“控制/指導(dǎo)”切換按鈕，模擬試驗(yàn)時(shí)切換到指導(dǎo)模式，檢查程序所計(jì)算的結(jié)果是否正確，真正需要下達(dá)命令時(shí)再切換到“控制”模式。

切換到指導(dǎo)模式時(shí)，自動(dòng)灌溉程序只在畫(huà)面上給出開(kāi)啟、關(guān)閉閥門的操作指導(dǎo)，不下達(dá)命令到LCU；

切換到控制模式時(shí)，自動(dòng)灌溉程序?qū)⑾逻_(dá)開(kāi)啟、關(guān)閉閥門命令到LCU。

（4）計(jì)劃/設(shè)定

自動(dòng)灌溉控制的方式主要有以下兩種：

方式一：按灌溉計(jì)劃自動(dòng)灌溉

操作人員預(yù)先設(shè)定一段時(shí)間的灌溉計(jì)劃，包括啟動(dòng)的時(shí)間（月、日、時(shí)、分）、灌溉持續(xù)時(shí)間（起始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間）、重復(fù)執(zhí)行次數(shù)、重復(fù)執(zhí)行的時(shí)間間隔等，自動(dòng)灌溉系統(tǒng)按照該計(jì)劃自動(dòng)進(jìn)行灌溉。

方式二：操作人員隨時(shí)設(shè)定灌溉周期

針對(duì)以上兩種方式，軟件設(shè)有計(jì)劃/設(shè)定切換按鈕，當(dāng)處于計(jì)劃模式時(shí)，軟件按事先設(shè)定好的輪灌周期自動(dòng)開(kāi)啟、關(guān)閉各級(jí)閥門灌溉；當(dāng)處于設(shè)定模式時(shí)，軟件按運(yùn)行人員在畫(huà)面上設(shè)置的輪灌周期自動(dòng)灌溉。

4 自動(dòng)灌溉控制軟件的實(shí)現(xiàn)

（1）軟件的開(kāi)發(fā)

軟件采用ansi c語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，主框圖如圖1：

（2）相關(guān)配置

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

（3）畫(huà)面設(shè)計(jì)

灌區(qū)畫(huà)面的設(shè)計(jì)首先與監(jiān)控系統(tǒng)的畫(huà)面統(tǒng)一，同時(shí)又具有灌區(qū)系統(tǒng)的特有風(fēng)格，即監(jiān)視控制的設(shè)備多而分散。

灌區(qū)系統(tǒng)的高級(jí)應(yīng)用功能通過(guò)輪灌畫(huà)面來(lái)實(shí)現(xiàn)。其畫(huà)面如圖2：

圖2

支管監(jiān)視畫(huà)面如圖3：

圖3

由于輪灌設(shè)備數(shù)量龐大，而且屬于不同的分水口系統(tǒng)，所以像這樣的輪灌畫(huà)面多達(dá)一百多幅。通過(guò)這些輪灌畫(huà)面，實(shí)現(xiàn)田間微灌示范系統(tǒng)閥門的監(jiān)視與自動(dòng)控制。

（4）閉鎖條件

為了可靠、安全地控制灌溉，需要設(shè)置一些閉鎖條件。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)影響安全的事故或故障時(shí)，發(fā)出報(bào)警，高級(jí)應(yīng)用軟件自動(dòng)退出運(yùn)行，以免誤發(fā)命令。軟件設(shè)置以下閉鎖條件：

執(zhí)行/掛起

綜合考慮各種運(yùn)行過(guò)程中的故障，判斷數(shù)據(jù)的合理性等，閉鎖條件均滿足時(shí)才真正執(zhí)行，并下達(dá)命令；否則自動(dòng)灌溉程序處于掛起狀態(tài)，防止誤發(fā)令。

骨干管網(wǎng)閥門可控/不可控

只有骨干管網(wǎng)閥門閉鎖條件滿足時(shí)，才為可控狀態(tài)，否則為不可控狀態(tài)。只有處于可控狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)灌溉程序才控制該閥門。

田間微灌系統(tǒng)可控/不可控

只有田間微灌系統(tǒng)的閉鎖條件都滿足時(shí)，才進(jìn)入可控狀態(tài)，否則為不可控狀態(tài)。只有處于可控狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)灌溉程序才控制該田間微灌系統(tǒng)。

（5）維護(hù)管理

自動(dòng)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(dá)的命令、下達(dá)命令的時(shí)間、當(dāng)時(shí)的狀態(tài)等。

5 結(jié)語(yǔ)

推進(jìn)農(nóng)田灌溉現(xiàn)代化和管理科學(xué)化，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式由粗放型向集約型轉(zhuǎn)變，促進(jìn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變是我國(guó)未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展所需要解決的難題。目前我國(guó)的灌溉自動(dòng)化水平還較低，在自動(dòng)灌溉控制軟件方面的研究還很少，工程應(yīng)用上還存在較大差距。因此在現(xiàn)階段研制具有當(dāng)今世界先進(jìn)水平的灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)的高級(jí)應(yīng)用軟件，從而實(shí)現(xiàn)大型灌區(qū)中推廣自動(dòng)灌溉，具有重要和深遠(yuǎn)的意義。蘇塘灌區(qū)的自動(dòng)灌溉高級(jí)應(yīng)用軟件即將在現(xiàn)場(chǎng)投入運(yùn)行，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中還需要對(duì)軟件進(jìn)一步完善以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的要求。

[1]張玉平，遲海龍.農(nóng)田水利灌溉高級(jí)應(yīng)用軟件研究[A].水力發(fā)電學(xué)會(huì)論文集[C].2010.

[2]滴灌系統(tǒng)的自動(dòng)化控制的研究[J/OL].中國(guó)自動(dòng)化網(wǎng).