淺析自動(dòng)化控制技術(shù)在滴灌工程中的應(yīng)用

周仲軍

摘要：自動(dòng)化控制技術(shù)在滴灌工程中的應(yīng)用是一項(xiàng)新型的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)，根據(jù)水利學(xué)設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)能夠科學(xué)的調(diào)整滴灌系統(tǒng)和輪灌制度，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)集約化經(jīng)營(yíng)的要求。文章介紹、分析了自動(dòng)化控制技術(shù)在滴灌工程中的應(yīng)用，并提出了需要注意的問(wèn)題和未來(lái)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化控制技術(shù) 滴灌工程 集約型農(nóng)業(yè)

我國(guó)是一個(gè)水資源短缺的國(guó)家。由于農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)水平不高，往往造成了水資源的浪費(fèi)，且灌溉不能滿足農(nóng)作物生長(zhǎng)的需要。干旱缺水已成為制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素。灌溉是彌補(bǔ)自然降水在數(shù)量上的不足與時(shí)空上的不均，保證適時(shí)適量地滿足作物生長(zhǎng)所需要水分的重要措施。以往的農(nóng)田灌溉都是采用大水漫灌或人工灑水。不但造成水的浪費(fèi)，而且往往由于不能及時(shí)灌水、過(guò)量灌水或灌水不足，難以控制水均勻度，對(duì)植物的正常生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響。建立農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的自動(dòng)化系統(tǒng)，采用高效的節(jié)水灌溉方式已勢(shì)在必行。一方面可以集中管理，加強(qiáng)控制;一方面可以按時(shí)按需定量供水，嚴(yán)格控制灌溉用水量，達(dá)到節(jié)水用水目的。柳江縣成團(tuán)鎮(zhèn)魯比葡萄基地自動(dòng)化滴灌工程已于2010年建成，使用的自動(dòng)化控制滴灌技術(shù)初見(jiàn)成效，發(fā)揮良好的工程效益和社會(huì)效益。因而，探討自動(dòng)化控制技術(shù)在滴灌工程中的應(yīng)用，具有十分積極的意義。

一、自動(dòng)化控制技術(shù)在滴灌工程中的應(yīng)用概述

1.工作原理

自動(dòng)化控制技術(shù)在滴灌工程中的應(yīng)用，其工作原理是利用布設(shè)于田間的設(shè)備進(jìn)行土壤、田間、作物生長(zhǎng)信息的監(jiān)測(cè)與采集工作，將采集數(shù)據(jù)反饋到控制中心，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)軟件的分析，再將決策傳到終端由終端執(zhí)行灌溉管理指令。例如對(duì)含水量信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，比較灌溉補(bǔ)償點(diǎn)及飽和點(diǎn)，由中央控制系統(tǒng)的相關(guān)軟件分析并決定是否灌溉，將開(kāi)啟閥門(mén)或者是關(guān)閉的信號(hào)傳輸?shù)浇K端（閥門(mén)）控制系統(tǒng)，從而通過(guò)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化灌溉。與國(guó)際上先進(jìn)的自動(dòng)化控制技術(shù)相比，目前我國(guó)的農(nóng)業(yè)傳感器水平仍然比較落后，但土壤水分傳感器已經(jīng)達(dá)到同類(lèi)水平的標(biāo)準(zhǔn)。

2.系統(tǒng)組成

自動(dòng)化控制技術(shù)在滴灌工程中的應(yīng)用，其系統(tǒng)組成有起分析決策作用的中央控制器和起信息采集、監(jiān)測(cè)作用的相關(guān)設(shè)備以及電磁閥、田間工作站、閥門(mén)控制器或是遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)終端單位。

中央控制器是整個(gè)系統(tǒng)的主站，由微機(jī)、系統(tǒng)軟件等相關(guān)設(shè)備、軟件構(gòu)成。微機(jī)由計(jì)算機(jī)、激發(fā)打印機(jī)、電源控制箱、中央控制器等組成；系統(tǒng)軟件有信息采集與處理、顯示、記錄與報(bào)警、閥門(mén)狀態(tài)監(jiān)控等模塊組成，除預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)之外，系統(tǒng)軟件還具備過(guò)程監(jiān)視、報(bào)警、過(guò)程控制和數(shù)據(jù)的全過(guò)程管理功能，能夠?qū)崿F(xiàn)完全自動(dòng)控制。

田間信息采集、監(jiān)測(cè)設(shè)備是整個(gè)系統(tǒng)的根本，依靠傳感設(shè)備將被測(cè)量物的相關(guān)信息依據(jù)一定規(guī)律以信號(hào)的方式進(jìn)行反饋。傳感器包括土壤類(lèi)傳感器、作物類(lèi)傳感器、氣象類(lèi)傳感器和系統(tǒng)類(lèi)傳感器，分別負(fù)責(zé)土壤類(lèi)的溫度、水分以及養(yǎng)分，作物類(lèi)的長(zhǎng)勢(shì)、水分以及養(yǎng)分，氣象類(lèi)的雨量、光照、風(fēng)速以及蒸發(fā)，系統(tǒng)類(lèi)的水質(zhì)、水壓、流量以及閥門(mén)狀態(tài)等數(shù)據(jù)資料的采集與監(jiān)測(cè)。

電磁閥根據(jù)田間灌溉設(shè)計(jì)來(lái)確定按照個(gè)數(shù)以及具體位置、間隔，進(jìn)行田間灌溉的具體控制。

田間工作站需要根據(jù)實(shí)際需要確定布設(shè)數(shù)量和位置，如果地形平坦、信號(hào)效果好，田間工作站的數(shù)量就可以相對(duì)少些，覆蓋范圍可以適當(dāng)增加；如果地面遮擋物較多，信號(hào)效果不好，則應(yīng)適當(dāng)加密田間工作站的布設(shè)密度。田間工作站是整個(gè)系統(tǒng)的中轉(zhuǎn)站，起著連接中央控制器與終端設(shè)備的作用。

閥門(mén)控制器或是遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)終端單位是接收并執(zhí)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(gè)電磁閥，接收指令后控制電磁閥，并采集田間信息傳輸?shù)教镩g工作站。

3.子系統(tǒng)配置

自動(dòng)化控制技術(shù)在滴灌工程中的應(yīng)用，需要根據(jù)實(shí)際需要配置灌溉自動(dòng)控制、農(nóng)田信息監(jiān)測(cè)、作物生長(zhǎng)圖形采集、水肥智能決策等子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)化管理平臺(tái)，為用戶提供不同層次的管理選擇方式。用戶可以根據(jù)工程條件、項(xiàng)目投資以及管理水平等各方面因素，確定自動(dòng)化控制系統(tǒng)各層次子系統(tǒng)的配置。

4.灌溉方式

目前，自動(dòng)化控制技術(shù)在滴灌工程中的應(yīng)用主要有三類(lèi)灌溉方式，分別是自動(dòng)化控制、人工參與控制和手動(dòng)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(jié)水工程設(shè)計(jì)中關(guān)于耗水定額、作物需肥、灌溉時(shí)間等規(guī)定進(jìn)行自動(dòng)化控制，通常有根據(jù)時(shí)間設(shè)定輪灌、根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果設(shè)定輪灌、根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行隨機(jī)設(shè)定輪灌三種。第二種方式根據(jù)土壤濕度、氣象信息等參數(shù)進(jìn)行人工參與控制灌溉，用戶可以根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果用手機(jī)等設(shè)備實(shí)施智能化控制灌溉。第三種方式主要用于系統(tǒng)出現(xiàn)意外時(shí)，通過(guò)人工手動(dòng)的方式控制電磁閥開(kāi)閉，以確保不耽誤灌溉、節(jié)水節(jié)能。

5.控制方法

自動(dòng)化控制技術(shù)應(yīng)用于滴灌工程中的主要有三種基本控制方法，分別根據(jù)時(shí)間、水量和反饋進(jìn)行控制。時(shí)間控制是按照設(shè)定好的時(shí)間進(jìn)行關(guān)放水，水量控制是按照設(shè)定好的配水量進(jìn)行關(guān)放水，反饋控制是根據(jù)濕度感受器反饋的信號(hào)進(jìn)行關(guān)放水。

6.制定灌溉計(jì)劃

首先，需要制定管理計(jì)劃來(lái)提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量，降低用水量，提高用水效益。管理計(jì)劃的制定需要為用戶提供完善的作物生產(chǎn)管理系統(tǒng)，保證用戶能夠了解農(nóng)田土壤水分狀況，從而確定日水分利用量，做出科學(xué)的灌溉管理決策，根據(jù)農(nóng)田灌水量需求安排灌溉次序、調(diào)整灌溉計(jì)劃；其次，詳細(xì)制定灌溉計(jì)劃，確定灌溉的時(shí)機(jī)和灌水量，使用土壤水分測(cè)定等技術(shù)和相關(guān)處理軟件使灌溉計(jì)劃更加科學(xué)化、合理化、精細(xì)化，確保土壤水分保持在農(nóng)作物生長(zhǎng)需要的最佳狀態(tài)。

7.軟件系統(tǒng)

自動(dòng)化控制技術(shù)在滴灌工程中的應(yīng)用，需要軟件系統(tǒng)的支持。通常，軟件系統(tǒng)采用便于數(shù)據(jù)查詢、存儲(chǔ)、使用的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，管理人員能夠借助農(nóng)田中的各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)收集相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)和相關(guān)軟件進(jìn)行處理、顯示，為用戶提供農(nóng)作物種植所需的準(zhǔn)確、詳細(xì)資料。另外，還需要顯示任何一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)某一年份的情況，明確灌溉飽和與需要灌溉的點(diǎn)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(yù)測(cè)出再次灌溉的時(shí)間、用水量，以保障日常管理工作的準(zhǔn)確、高效，為未來(lái)制定灌溉計(jì)劃提供科學(xué)、完善、合理的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

在數(shù)據(jù)輸入方面，讀數(shù)記錄屏可以顯示土壤水分張力計(jì)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)、作物籽粒大小等田間數(shù)據(jù)，以準(zhǔn)確計(jì)算作物生長(zhǎng)所需的水量和灌溉時(shí)機(jī)。氣象數(shù)據(jù)可以通過(guò)人工輸入或是氣象站自動(dòng)載入的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入，掌握氣象數(shù)據(jù)能夠計(jì)算出水分蒸發(fā)總量，從而更為合理的制定作物灌溉計(jì)劃。

軟件系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確計(jì)算土壤水分達(dá)到飽和點(diǎn)需要的時(shí)間和水分，計(jì)算出作物播種直到成熟收獲各個(gè)階段的天數(shù)，與往年的作物生長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步分析，確定作物水分的使用效益和作物總產(chǎn)量。對(duì)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(zhǔn)的計(jì)算出作物產(chǎn)量，借助速率方程能夠計(jì)算作物該階段以及整個(gè)生命周期的生長(zhǎng)速率，借助土壤水分測(cè)定儀器能夠指導(dǎo)用戶有效利用水資源，最大限度的提高農(nóng)業(yè)效益。

二、自動(dòng)化控制技術(shù)在滴灌工程中的應(yīng)用效果

1.自動(dòng)化控制技術(shù)在滴灌工程中應(yīng)用的成效

滴灌工程中應(yīng)用自動(dòng)化控制技術(shù)能夠在現(xiàn)有的滴灌系統(tǒng)基礎(chǔ)上，將人工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的工作方式轉(zhuǎn)變?yōu)橛勺詣?dòng)化控制系統(tǒng)完成，通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)等途徑實(shí)現(xiàn)滴灌作業(yè)的遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)化控制。例如將球閥更換為電磁閥，可以由中央監(jiān)控器控制灌溉，避免隨意開(kāi)啟、關(guān)閉閥門(mén)的現(xiàn)象，有利于農(nóng)田灌溉系統(tǒng)的管理。自動(dòng)化控制系統(tǒng)能夠保證灌溉時(shí)間、灌溉水量，實(shí)現(xiàn)節(jié)水節(jié)能的目標(biāo)，提高設(shè)備、能源、灌溉用水的利用率，提高生產(chǎn)效率，節(jié)省勞力，并保證了滴灌系統(tǒng)的均勻度和合理性，為作物需水量等農(nóng)藝技術(shù)的進(jìn)一步研究提供了有效、準(zhǔn)確、豐富的科研資料。

使用自動(dòng)化控制技術(shù)，使滴灌系統(tǒng)必要的灌溉水量得到保證、非必要灌溉水量受到控制，并實(shí)現(xiàn)了水肥的均勻化，據(jù)統(tǒng)計(jì)，使用自動(dòng)化控制技術(shù)的灌水均勻度得到了20%以上的提高。以棉花為例，使用自動(dòng)化控制技術(shù)的滴灌系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)株數(shù)提高10%、結(jié)鈴率提高7%、鈴重提高5%的增產(chǎn)效果，每畝節(jié)省灌溉水量達(dá)到40立方米，管理定額也整整提高了一倍。

2.自動(dòng)化控制技術(shù)在滴灌工程中應(yīng)用的問(wèn)題及對(duì)策

目前，自動(dòng)化控制技術(shù)在滴灌工程中的應(yīng)用還面臨著成本問(wèn)題、操作性問(wèn)題和數(shù)據(jù)庫(kù)問(wèn)題。成本問(wèn)題方面，控制站、電纜等設(shè)施、設(shè)備、材料在自控系統(tǒng)的投資中占據(jù)70%左右的比例，需要盡量降低控制站建設(shè)的數(shù)量，努力提高單站的性能和控制面積，暫時(shí)忽略田間管理的不便而加強(qiáng)分干管的數(shù)量，降低管道直徑，以提高整個(gè)系統(tǒng)的利用效率，控制管網(wǎng)成本；操作性問(wèn)題方面，應(yīng)在確保控制系統(tǒng)性能良好的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化操作，產(chǎn)品盡量模塊化，以減少維護(hù)；數(shù)據(jù)庫(kù)問(wèn)題方面，不應(yīng)局限于示范區(qū)，而應(yīng)結(jié)合大田試驗(yàn)研究成果，將數(shù)據(jù)完整、準(zhǔn)確錄入，建立專(zhuān)家信息服務(wù)平臺(tái)。

另外，針對(duì)自動(dòng)化控制技術(shù)與水利學(xué)結(jié)合存在的問(wèn)題，應(yīng)充分優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，協(xié)調(diào)滴灌自動(dòng)化控制系統(tǒng)；針對(duì)自動(dòng)化與水利施工結(jié)合存在的問(wèn)題，盡量保證二者的同步進(jìn)行，自動(dòng)化改造時(shí)必須詳細(xì)查清水利施工資料；針對(duì)人員素質(zhì)存在的不足，需要在降低自動(dòng)化系統(tǒng)難度、提高可操作性的基礎(chǔ)上，積極提高使用者的知識(shí)和技術(shù)水平，以先進(jìn)的管理和認(rèn)真的操作保障自動(dòng)化管理與操作的水平。

3.自動(dòng)化控制技術(shù)在滴灌工程中的應(yīng)用前景

自動(dòng)化控制是滴灌工程發(fā)展的必經(jīng)之路，在總結(jié)滴灌管理經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，用戶已明確認(rèn)識(shí)到自動(dòng)化控制的優(yōu)勢(shì)和必要性；我國(guó)每年新建及現(xiàn)有的許多滴灌系統(tǒng)都需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化改造，因而自動(dòng)化控制技術(shù)在滴灌工程中的應(yīng)用有著極為廣闊的前景；在自動(dòng)化控制技術(shù)和滴灌系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)、設(shè)施不斷完善的基礎(chǔ)上，滴灌自動(dòng)化的經(jīng)濟(jì)效益以及社會(huì)效益也會(huì)隨之提高。

總結(jié)：

綜上所述，自動(dòng)化控制技術(shù)在滴灌工程中的應(yīng)用，不僅便于田間規(guī)范化管理，還在降低勞動(dòng)強(qiáng)度、解放勞動(dòng)力、提高勞動(dòng)效率、節(jié)能節(jié)水的基礎(chǔ)上，有利于實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的增產(chǎn)創(chuàng)收，有助于實(shí)現(xiàn)灌溉的自動(dòng)化，為我國(guó)全面實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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