智能灌溉系統(tǒng)工程案例分析

朱霞雁

（上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200125）

1 項(xiàng)目背景

上海國(guó)際旅游度假區(qū)核心區(qū)（內(nèi)含上海迪士尼樂(lè)園；下統(tǒng)稱為“樂(lè)園”）一期占地范圍為390 hm2，其中綠化面積約100 hm2，綠化率超過(guò)25%。對(duì)照全球迪士尼樂(lè)園綠化灌溉的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，本工程采用的樂(lè)園綠化灌溉水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)中通常采用的標(biāo)準(zhǔn)值（日均1～3 L/m2·d）。同時(shí)考慮到不同季節(jié)植物生長(zhǎng)特點(diǎn)等因素，最終確定整個(gè)園區(qū)最高日需求灌溉水量達(dá)到9 700 m3/d，最高峰值流量為764 L/s。

為此，在整個(gè)園區(qū)內(nèi)布置了環(huán)狀及支狀的灌溉水供水管網(wǎng)系統(tǒng)。在園區(qū)市政道路下，埋設(shè)了灌溉水供水總管（DN110~De630），呈環(huán)狀布置。同時(shí)對(duì)各個(gè)用水地塊敷設(shè)支狀供水管網(wǎng)，即根據(jù)用水需求在諸如主題樂(lè)園、酒店、餐飲店以及其他配套設(shè)施等的入口處預(yù)留支管接口（De110~De450），并保證接口處的水壓為0.65~0.70 MPa。

在園區(qū)內(nèi)有一個(gè)體量巨大的中心湖，湖水量達(dá)150萬(wàn)m3。為保持湖水潔凈，園區(qū)內(nèi)配套建設(shè)了一座綜合水處理廠，并在該廠內(nèi)設(shè)有灌溉水的增壓泵房。當(dāng)園區(qū)進(jìn)入灌溉時(shí)段，灌溉水進(jìn)水管直接從中心湖泊取水，經(jīng)增壓泵加壓，再經(jīng)過(guò)濾器過(guò)濾及消毒后，將灌溉水打入園區(qū)環(huán)路上的灌溉水總管，為整個(gè)園區(qū)提供灌溉水。

2 智能灌溉需求

綠化灌溉有許多方法，包括噴灌、滴灌等，其系統(tǒng)包括：水源取水、增壓系統(tǒng)、灌溉水輸水管道系統(tǒng)、噴頭及控制器等。目前在設(shè)計(jì)灌溉系統(tǒng)時(shí)，通常注重于灌溉總水量的確定、管網(wǎng)分布、噴頭的選擇和布置；在灌溉的控制方式上，有的雖然采用自動(dòng)灌溉的控制方式，但是大多只考慮了時(shí)間控制和氣象因素等,并且是由普通的控制器程序來(lái)完成。為了有效提高水的利用率，節(jié)省勞務(wù)和日常養(yǎng)護(hù)開(kāi)支等運(yùn)行成本，并最大程度地滿足植物需水要求，維護(hù)美麗的綠化景觀，本工程采用中央控制系統(tǒng)對(duì)綠化灌溉進(jìn)行運(yùn)行控制，這種智能化灌溉控制方式是智慧城市和節(jié)能減排上工程實(shí)踐的體現(xiàn)。

3 智能灌溉特點(diǎn)

灌溉控制系統(tǒng)采用中央計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，即MAXICOM2控制系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）。如圖2所示，中央控制系統(tǒng)通過(guò)發(fā)出指令，并不斷地監(jiān)控反饋信息來(lái)檢驗(yàn)指令的執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉系統(tǒng)的管理。計(jì)算機(jī)每天自動(dòng)收集由氣象站采集的氣象數(shù)據(jù)，計(jì)算ET值，并不斷地對(duì)原有程序進(jìn)行自動(dòng)修改。通過(guò)專用的管理軟件，運(yùn)算出植物前一天損耗的水量，并決策當(dāng)天是否需要補(bǔ)充水分以及所需補(bǔ)充的水量。若需補(bǔ)水，中央計(jì)算機(jī)向各集群控制器發(fā)送指令并由CCU集群控制器傳送給各田間控制器，由田間控制器完成電磁閥的啟閉。在一定的時(shí)間內(nèi)按一定的順序自動(dòng)完成園林綠地的灌溉并自動(dòng)停機(jī)。如傳感器傳來(lái)異常信息（如降雨，過(guò)分干燥，系統(tǒng)漏水等），將會(huì)自動(dòng)中斷或暫停程序，待排除異常情況后，繼續(xù)恢復(fù)程序運(yùn)行。

圖1 園區(qū)綠化灌溉（中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制）

圖2 智能灌溉系統(tǒng)設(shè)備

灌溉水系統(tǒng)管網(wǎng)除了采用人工撿漏的方法來(lái)探測(cè)漏點(diǎn)以外，還同時(shí)采用更為先進(jìn)的撿漏儀器和更為有效快速的撿漏法。通過(guò)這種軟硬結(jié)合的方式，灌溉水自控系統(tǒng)集成軟件撿漏系統(tǒng)，分析采集的各種管線數(shù)據(jù)，包括壓力、流量、溫度、黏度、速度及摩擦力等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并對(duì)管線的非線性、不確定性、隨機(jī)性因素引起的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，從而提高漏點(diǎn)測(cè)量的靈敏度、精度及可靠性。當(dāng)供水管道發(fā)生漏損時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)采集的參數(shù)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，調(diào)度人員收到報(bào)警信息后利用系統(tǒng)的漏點(diǎn)檢測(cè)程序判斷漏點(diǎn)的位置。

4 MAXICOM2中央計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)配置

（1）中央控制器

中央控制軟件是一個(gè)可以安裝在灌溉運(yùn)行管理人員的辦公室電腦上的軟件包。中央控制器的電腦可以通過(guò)預(yù)先裝有的軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)其他電腦的遠(yuǎn)程訪問(wèn)，可在任何地方進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

（2）集群控制器（CCU）

集群控制器（CCU）是一臺(tái)沒(méi)有鍵盤(pán)和顯示屏的電腦。它是中控軟件和每個(gè)區(qū)域田間設(shè)備的中間管理員。它負(fù)責(zé)控制和監(jiān)測(cè)田間衛(wèi)星站和其它如流量、雨量傳感器等設(shè)備。

由中央計(jì)算機(jī)發(fā)出的灌溉指令自動(dòng)從中央控制器下傳到CCU。下傳之后再?gòu)腃CU發(fā)送到對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星控制器。CCU不間斷的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀況，并將結(jié)果在用戶設(shè)定的時(shí)間（通常設(shè)在灌溉循環(huán)結(jié)束后）自動(dòng)上傳到中央控制器。

（3）衛(wèi)星控制器

衛(wèi)星控制器包含 12、16、24、32和 40站等幾種配置，可安裝在室內(nèi)或室外。

（4）通訊路徑

在系統(tǒng)中有兩個(gè)重要的通訊路徑：中央控制器數(shù)據(jù)通訊路徑和衛(wèi)星站數(shù)據(jù)通訊路徑。中央控制器通訊路徑是指從中央控制器到CCU的路徑，它可以采用電纜、電話、移動(dòng)電話或者無(wú)線電、光纜等多種通訊方式。衛(wèi)星數(shù)據(jù)通訊路徑是指從CCU到衛(wèi)星控制器的路徑，它可以采用電纜或無(wú)線電兩種通訊方式。

（5）解碼器

解碼器有兩種類型：脈沖解碼器和傳感解碼器。

脈沖解碼器檢測(cè)由傳感設(shè)備（比如流量傳感器）所引起的脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行相關(guān)的控制。傳感解碼器則用于監(jiān)測(cè)開(kāi)/關(guān)設(shè)備，比如雨量傳感器或濕度傳感器等。通過(guò)解碼器記錄在CCU中的田間狀況并反映給計(jì)算機(jī)中央控制器。

（6）流量傳感器和主閥

在一個(gè)由MAXICOM2控制的灌溉系統(tǒng)中，流量傳感器和主閥可安裝在每個(gè)節(jié)點(diǎn)位置。傳感器通過(guò)脈沖解碼器向CCU或區(qū)域衛(wèi)星報(bào)告當(dāng)前流量，CCU將實(shí)際流量與預(yù)計(jì)中的理論值進(jìn)行比較。當(dāng)發(fā)生流量異常時(shí)，不僅檢查問(wèn)題出現(xiàn)的區(qū)域并將有問(wèn)題區(qū)域隔離，從而保證在檢修時(shí)不會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。流量傳感器也能夠記錄每個(gè)區(qū)甚至整個(gè)區(qū)域的用水總量。

（7）雨量計(jì)

雨量計(jì)通過(guò)收集降雨量信息并向CCU發(fā)出信息報(bào)告。根據(jù)用戶設(shè)定的界限值，監(jiān)測(cè)程序運(yùn)行或中斷灌水程序。

（8）氣象站

氣象站通過(guò)收集氣溫、風(fēng)速、降雨、太陽(yáng)輻射和濕度等數(shù)據(jù)，在用戶設(shè)定的時(shí)間，由MAXICOM2中央控制器從氣象站下載數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算出E T值，用以調(diào)整所有灌溉程序的運(yùn)行時(shí)間。

（9）遙控系統(tǒng)

遙控系統(tǒng)允許通過(guò)無(wú)線電或電話在遠(yuǎn)處訪問(wèn)MAXICOM2，操作員可通過(guò)無(wú)線電或電話的數(shù)字按鍵鍵盤(pán)啟動(dòng)、停止、暫停、優(yōu)先運(yùn)行程序或某站點(diǎn)等。

圖3為上海迪士尼綠化灌溉示意圖。

圖3 上海迪士尼綠化灌溉示意圖

5 自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行

園區(qū)中主題樂(lè)園、酒店等地塊內(nèi)所有自動(dòng)灌溉設(shè)備均由這套中央控制系統(tǒng)統(tǒng)一管理。不同區(qū)域灌溉設(shè)施的控制均接入此套中央控制系統(tǒng)內(nèi)接受程序的統(tǒng)一管理，無(wú)須另外建設(shè)中央控制系統(tǒng)和氣象站。

由中央計(jì)算機(jī)到終端電磁閥的工作過(guò)程為：中央計(jì)算機(jī)編程，并將程序下達(dá)到CCU，CCU再將各輪灌區(qū)灌溉控制程序發(fā)到相關(guān)區(qū)域控制器，區(qū)域控制器依照中央計(jì)算機(jī)制作的程序啟閉各輪灌區(qū)電磁閥。

灌溉水系統(tǒng)管網(wǎng)事故狀況主要是由于管網(wǎng)爆管所引起。當(dāng)供水管網(wǎng)水力條件發(fā)生較大變化，比如新增加一個(gè)大的突發(fā)流量時(shí)，供水管網(wǎng)的全部節(jié)點(diǎn)的水壓都會(huì)受到大小不等的影響。通過(guò)接受由灌溉自控系統(tǒng)實(shí)施回傳的管網(wǎng)信息（包括測(cè)壓電水壓、管段流量及各水源供水量），對(duì)管網(wǎng)的狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)不斷地監(jiān)視，分析運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，發(fā)現(xiàn)新增突發(fā)流量及突發(fā)流量的位置。并且通過(guò)和以往的用水?dāng)?shù)據(jù)比對(duì)，判斷新增突發(fā)流量是否為異常流量，從而及時(shí)找到爆管發(fā)生區(qū)域或爆管點(diǎn)，并通過(guò)相應(yīng)的程序關(guān)閉這些區(qū)域灌溉設(shè)備，通過(guò)報(bào)警通知管理人員進(jìn)行維修。另通過(guò)流量管理軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的流量最優(yōu)分配和最大利用率。

6 結(jié)語(yǔ)

本工程中全系統(tǒng)、大規(guī)模的智能精細(xì)化的綠化灌溉理念徹底顛覆了粗放化的傳統(tǒng)綠化灌溉模式。這類大規(guī)模的智能灌溉控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例在國(guó)內(nèi)類似項(xiàng)目中屬首次新實(shí)踐。