新疆滴灌自動化關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研發(fā)及展望

摘 要：新疆以滴灌為主要模式的農(nóng)業(yè)高效節(jié)水面積有373萬hm2，占總灌溉面積的62.8%，滴灌為新疆農(nóng)業(yè)節(jié)水增效、協(xié)調(diào)經(jīng)濟社會生態(tài)環(huán)境用水結(jié)構(gòu)，提高水資源利用效率發(fā)揮了重要作用。隨著滴灌節(jié)水技術(shù)大面積規(guī)模化應(yīng)用，近年來滴灌自動化灌溉控制技術(shù)得到應(yīng)用發(fā)展，為滴灌技術(shù)提質(zhì)增效、工程綜合效益發(fā)揮、灌溉農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化管理提供了重要支撐。本文對滴灌控制系統(tǒng)田間終端控制閥和控制方式關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及存在問題，進行了回顧和總結(jié)分析，介紹了新疆自主創(chuàng)新研發(fā)的互聯(lián)網(wǎng)+新型節(jié)水灌溉自動化控制系統(tǒng)終端控制閥應(yīng)用，并就拓展互聯(lián)網(wǎng)和云端技術(shù)+灌溉自動化控制、灌溉用水?dāng)?shù)字化、農(nóng)田灌溉監(jiān)測智能化研發(fā)應(yīng)用進行了展望。

關(guān)鍵詞：滴灌自動化;終端控制閥;控制方式;應(yīng)用研發(fā);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(qū)新疆農(nóng)業(yè)高效節(jié)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(nóng)業(yè)高效節(jié)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(yīng)用，使得滴灌高效節(jié)水節(jié)肥、增產(chǎn)高效、水資源利用效率、生態(tài)用水改善等優(yōu)勢不斷顯現(xiàn)，為新疆農(nóng)業(yè)節(jié)水增效、協(xié)調(diào)經(jīng)濟社會生態(tài)環(huán)境用水結(jié)構(gòu)發(fā)揮了重要作用。隨著滴灌高效節(jié)水灌溉規(guī)?；竺娣e應(yīng)用，基于滴灌技術(shù)提質(zhì)增效推進現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變目標，大力發(fā)展應(yīng)用農(nóng)業(yè)灌溉自動化技術(shù)，進一步釋放最大限度發(fā)揮滴灌效應(yīng)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(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，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(jié)水增效;人為傳統(tǒng)滴灌管理工作效率低運行成本大，據(jù)測算[3]滴灌自動化控制技術(shù)應(yīng)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(jié)水增產(chǎn)5%～20%，實施節(jié)水灌溉自動化管理，具有節(jié)水增效節(jié)本降耗效果。本文在總結(jié)滴灌節(jié)水灌溉自動化控制相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對新疆灌區(qū)滴灌自動化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀、存在的主要問題及發(fā)展進行了分析研究。

1 自動化控制閥及控制方式現(xiàn)狀

1.1 終端電磁閥應(yīng)用

電磁閥是節(jié)水灌溉自動化控制系統(tǒng)常用的控制設(shè)備[4，5]，采用工業(yè)耐用玻璃纖維尼龍材質(zhì)，使用壽命長，對工作環(huán)境無苛刻要求;閥體采用全通徑設(shè)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(jié)省空間又輕巧美觀，具有易于安裝維護等優(yōu)點;電磁閥在自動控制方面還具有響應(yīng)時間短、動作快捷、啟閉功率小等優(yōu)點，是節(jié)水灌溉自動化控制用量較多的控制設(shè)備。該設(shè)備在新疆灌區(qū)實際應(yīng)用表明，實用效果與預(yù)期尚有較大差距，主要原因為灌溉水質(zhì)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(jié)構(gòu)，對灌溉水質(zhì)潔凈度要求很高，達不到電磁閥傳導(dǎo)壓力的導(dǎo)流孔就會常常因此而被堵塞，出現(xiàn)電磁閥開關(guān)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(jié)構(gòu)限定了其開度大小，只能是全開或全閉，無法根據(jù)灌溉需要通過調(diào)整閥門開度來調(diào)節(jié)灌溉水量。

1.2 終端電動閥應(yīng)用

1.2.1 碟式電動閥

針對電磁閥不能很好適應(yīng)灌溉水質(zhì)而正常使用的問題，研究人員研發(fā)出了全金屬材質(zhì)，閥體內(nèi)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(shè)，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(jié)水灌溉自動化控制系統(tǒng)成本因此增大;同時作物生長期由于田間農(nóng)業(yè)機械作業(yè)，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(jié)水灌溉自動化控制系統(tǒng)的正常穩(wěn)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(nèi)部有一球狀閥芯，閥芯上開有圓形出水口，閥芯內(nèi)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(zhuǎn)動軸與閥體的驅(qū)動裝置相連，帶動閥芯出水口向閥體左右兩側(cè)的出水口轉(zhuǎn)動，閥芯出水口與閥體一側(cè)出水口重合時，即可向該側(cè)支管輸水，閥芯出水口轉(zhuǎn)至與閥體出水口垂直方向時，閥體處于關(guān)閉狀態(tài)。梯形電動閥過水通道口徑較大，在灌溉水質(zhì)處理較低情況下，不易出現(xiàn)被堵塞現(xiàn)象，較好地克服了電磁閥易受灌溉水質(zhì)影響問題。梯形電動閥外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計科學(xué)、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(nèi)，形成了渾然一體的效果，工作功耗較小，新疆滴灌節(jié)水灌溉對此進行了應(yīng)用。但在近年實際運行中也暴露出了一些問題：開啟與關(guān)閉時，為了防止電動閥滲漏水，需要球狀閥芯緊貼閥體內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)動，柳樹飄絮或楊樹揚花期，灌溉水內(nèi)?；煊袟罨ā⒘醯让珷铍s物進入球狀閥芯與閥體之間接縫，影響球狀閥芯在閥體內(nèi)轉(zhuǎn)動甚至無法轉(zhuǎn)動（見圖1a）;電動閥處于關(guān)閉狀態(tài)時，閥體內(nèi)側(cè)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(dǎo)致電動閥出現(xiàn)無法打開，如果強行轉(zhuǎn)動，球狀閥芯球面上出現(xiàn)明顯擦痕擦傷，出現(xiàn)封水效果不好，漏水較大問題。

1.2.3 電動閥改進探索

當(dāng)前有關(guān)技術(shù)人員探索在手動球閥基礎(chǔ)上，加裝電動驅(qū)動裝置，將滴灌系統(tǒng)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(qū)動裝置中分別設(shè)計了控制裝置和驅(qū)動裝置，并裝置2個獨立電源，分別向控制裝置和驅(qū)動裝置供電?？紤]到驅(qū)動手動球閥啟閉所需力矩較大，需要消耗較大功耗，為此驅(qū)動裝置配置了較大容量鋰電池。但在實際中驅(qū)動裝置運行功耗較高，為節(jié)省電力，日常情況下處于休眠狀態(tài)，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(tǒng)是在滴灌系統(tǒng)首部設(shè)自動化控制室，由電腦軟件對農(nóng)田終端控制閥門進行調(diào)控，節(jié)水灌溉自動化控制系統(tǒng)配置專人在灌溉期值守。雖然管理人員可以不用手動開關(guān)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(jié)水灌溉自動化控制系統(tǒng)都是獨立的，無法與外界聯(lián)通?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)，將田間終端控制閥門直接接入互聯(lián)網(wǎng)，形成互聯(lián)網(wǎng)+節(jié)水灌溉自動化控制系統(tǒng)，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(shù)應(yīng)用管理必由之路。

2 面臨問題及技術(shù)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(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，新疆滴灌自動化灌溉系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀表明，目前引進和國內(nèi)生產(chǎn)的不同型號規(guī)格控制閥，具有輕便耐用和啟閉功率小等優(yōu)點[6-8]，但這些設(shè)備對灌溉水質(zhì)潔凈度要求高，以及由于部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)原因時常發(fā)生因田間雜物而影響運轉(zhuǎn)，時常發(fā)生導(dǎo)流孔易堵塞無法調(diào)節(jié)灌溉水量，農(nóng)田作物揚花、防風(fēng)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(nèi)正常轉(zhuǎn)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(tǒng)管理方式，嚴重影響制約了節(jié)水灌溉自動化技術(shù)應(yīng)用發(fā)展。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)探索

2.2.1 田間終端控制閥

針對灌溉自動化系統(tǒng)田間終端控制閥的技術(shù)缺陷，在嘗試了多種解決方案后，對現(xiàn)有PE截止閥進行電動改造，并可接入互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)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(jīng)大量運行測試表明，PE截止閥獨特的啟閉方式通過調(diào)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(guān)閥時，閥蓋由克服水壓向下運動轉(zhuǎn)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(nèi)部過水通道較大，即使灌溉水質(zhì)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(xiàn)狀梯形電動閥易受灌溉水質(zhì)、水壓影響而不能正常運轉(zhuǎn)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(lián)網(wǎng)結(jié)合，形成互聯(lián)網(wǎng)+新型節(jié)水灌溉自動化控制系統(tǒng)，由上位控制平臺（節(jié)水灌溉自動化控制網(wǎng)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(jié)水灌溉自動化控制網(wǎng)站”，對田間終端電動式PE截止閥發(fā)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(shù)將控制指令，轉(zhuǎn)發(fā)至田間終端驅(qū)動電動式PE截止閥執(zhí)行灌溉控制?；ヂ?lián)網(wǎng)+新型節(jié)水灌溉自動化控制系統(tǒng)涉及軟件工程、自動化控制、機械設(shè)計等學(xué)科，對運行維護人員技術(shù)有很高要求，考慮到管理人員實際文化程度降低系統(tǒng)維護難度，便于系統(tǒng)技術(shù)管理運行，為此系統(tǒng)研發(fā)出了故障監(jiān)測即時推送功能，將系統(tǒng)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(dāng)某一功能模塊出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)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(jù)系統(tǒng)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(tǒng)正常運行（圖4）。研發(fā)系統(tǒng)經(jīng)新疆博州水利灌溉試驗站36hm2滴灌田間應(yīng)用，驗證了系統(tǒng)功能模塊劃分的合理性，系統(tǒng)功能模塊進一步優(yōu)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(tǒng)對各功能模塊故障信息監(jiān)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(nóng)戶能據(jù)系統(tǒng)推送故障信息及時排障管護，提升了節(jié)水灌溉自動化人機互動智能化管理水平。

3 展望

目前研發(fā)的互聯(lián)網(wǎng)+滴灌田間終端控制閥及智能控制灌溉系統(tǒng)應(yīng)用，將傳統(tǒng)工作量大、效率低、故障難以及時發(fā)現(xiàn)處理等落后管理，變成為農(nóng)戶手機終端登陸云平臺遠程控制田間控制閥，實現(xiàn)了操作簡單易懂、方便農(nóng)戶、故障檢測及時排除等智能式管理模式。隨著現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展，進一步研發(fā)構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)和云端技術(shù)+灌溉自動化控制、灌溉數(shù)字化、灌溉監(jiān)測智能化，是當(dāng)前和今后灌溉技術(shù)研究應(yīng)用重要方向，對新疆乃至我國農(nóng)業(yè)節(jié)水綜合效益發(fā)揮、灌溉水資源有效利用具有重要意義。

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（責(zé)任編輯 李媛媛）