淺談小型高效節(jié)水灌溉工程自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)

周曉虎

（靈臺(tái)縣水務(wù)局，甘肅 靈臺(tái) 744400）

1 農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)概述及應(yīng)用現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)主要用于農(nóng)業(yè)灌溉，從事農(nóng)業(yè)灌溉的人群基本為農(nóng)民，故而農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的操作應(yīng)該相對(duì)簡(jiǎn)單，使農(nóng)民在操作過(guò)程中不需耗費(fèi)太多的時(shí)間和精力。事實(shí)上，農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的組成部件也較為簡(jiǎn)單，內(nèi)部構(gòu)成較為單一，沒(méi)有太多復(fù)雜的零部件，這也使得農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)在使用之后很容易進(jìn)行清洗，其自身也能保持很好的潔凈度。農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的抗腐蝕性能優(yōu)良，這主要是灌溉過(guò)程不單只有水分，還有部分化學(xué)農(nóng)藥，要避免化學(xué)農(nóng)藥對(duì)灌溉設(shè)備產(chǎn)生腐蝕，必須具備良好的抗腐蝕性。農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的自動(dòng)化程度非常高，這主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，灌溉系統(tǒng)可對(duì)水肥比例進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以獲得水肥最佳比例；第二，灌溉過(guò)程能保證施肥均勻，避免了這里多那里少的情況；第三，灌溉系統(tǒng)能進(jìn)行自動(dòng)判斷，在植物生長(zhǎng)的不同周期采取不同的施肥量。除此之外，該系統(tǒng)還可以調(diào)整為手工模式，并有效控制精度，充分利用水資源，避免了浪費(fèi)情況的發(fā)生。

2 小型高效節(jié)水灌溉工程系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)的功能和作用

小型高效節(jié)水灌溉工程建設(shè)過(guò)程中，自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)揮著重要的作用，由于灌區(qū)一般面積較大，管線較長(zhǎng)，種植片區(qū)又較多，傳統(tǒng)的人工管理模式必須具有較好的管理設(shè)施、足夠的管理人員和較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)，這種方式浪費(fèi)了大量人力物力，加大了管理成本。而自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)的推廣應(yīng)用，可大大解放勞動(dòng)力，提高管理精細(xì)化程度，達(dá)到了節(jié)約灌溉用水，實(shí)現(xiàn)科學(xué)、高效管理的目的。灌溉工程根據(jù)作物需水量、灌溉制度和墑情情況，采用水資源輸送、水質(zhì)處理、定量施肥、墑情監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程監(jiān)控等自動(dòng)化工藝，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)工程自動(dòng)化控制和運(yùn)行。小型高效節(jié)水灌溉工程自動(dòng)化系統(tǒng)的使用可實(shí)現(xiàn)下述功能：對(duì)系統(tǒng)管網(wǎng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)，設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)，分區(qū)用水流量、墑情數(shù)據(jù)、水質(zhì)指標(biāo)等進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，全面掌握整體灌區(qū)動(dòng)態(tài)運(yùn)行情況;實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離自動(dòng)化水資源輸送、調(diào)度、控制，進(jìn)行自動(dòng)化水處理，根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)水肥一體化灌溉；在管網(wǎng)出現(xiàn)壓力異常、設(shè)備存在故障時(shí)，能夠及時(shí)報(bào)警，自動(dòng)保護(hù)灌溉設(shè)施，避免帶病運(yùn)行或損壞；可及時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、多站點(diǎn)、多監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)視；實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，全面統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)、進(jìn)行報(bào)表匯總，輔助管理決策者進(jìn)行分析研判，適時(shí)調(diào)整管理策略。

3 小型高效節(jié)水灌溉工程系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用

本自動(dòng)化系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、視頻監(jiān)視顯示系統(tǒng)4個(gè)子系統(tǒng)組成。通過(guò)子系統(tǒng)的運(yùn)行將全面得到系統(tǒng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的各種信息，并使其得以控制和運(yùn)行。

3.1 監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)可自動(dòng)實(shí)時(shí)采集和處理來(lái)自各現(xiàn)場(chǎng)控制層及調(diào)度系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，對(duì)采集信息進(jìn)行數(shù)字化處理分析，為實(shí)施自動(dòng)化控制提供基礎(chǔ)信息。監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)根據(jù)灌溉工程特點(diǎn)及規(guī)模設(shè)置，各部位工作原理不同，監(jiān)測(cè)精度和要求也不相同。本地?cái)?shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程站點(diǎn)液位數(shù)據(jù)采集小于3 s，遠(yuǎn)程站點(diǎn)數(shù)據(jù)采集（除液位數(shù)據(jù)外）小于5 s，能夠一次性傳送完整數(shù)據(jù)；壓力、流量（瞬時(shí)、累積等）、溫度、液位及水質(zhì)相關(guān)參數(shù)（pH、濁度等）測(cè)量精度≤0.5%；電氣相關(guān)參數(shù)（電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數(shù)等）測(cè)量精度≤1%。

3.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)

主要包括中央控制、站點(diǎn)控制、遠(yuǎn)程控制及電氣控制、系統(tǒng)安全防護(hù)等內(nèi)容。在管理中心設(shè)置中央控制臺(tái)（含服務(wù)器、顯示面板、組態(tài)軟件和控制軟件）、PLC模塊和控制軟件、控制調(diào)度等操作面板。在系統(tǒng)安裝測(cè)控終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻水泵、加壓泵、砂石過(guò)濾器、疊片過(guò)濾器、施肥一體機(jī)等設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與監(jiān)控管理。遠(yuǎn)程站點(diǎn)在自動(dòng)運(yùn)行模式下均可通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)由中央的控制軟件根據(jù)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化操作，也可人為遠(yuǎn)程，按需選擇工作模式。在各遠(yuǎn)控區(qū)域布設(shè)土壤墑情傳感器，墑情數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在總控終端，同時(shí)關(guān)聯(lián)到對(duì)應(yīng)的控制軟件模塊，從而實(shí)現(xiàn)定量灌溉、定時(shí)灌溉、按需灌溉。自動(dòng)控制系統(tǒng)是自動(dòng)化控制的核心，所采用的設(shè)備應(yīng)該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、維護(hù)方便，具有很好的防誤操作、防潮、防腐、防雷擊等能力，系統(tǒng)可在無(wú)人值守的條件下長(zhǎng)期工作。核心模塊具有在電磁兼容設(shè)計(jì)，適合電磁環(huán)境和較高溫度下的應(yīng)用需求。遠(yuǎn)程點(diǎn)應(yīng)采用先進(jìn)電源技術(shù)，供電電源適應(yīng)范圍寬，提高設(shè)備穩(wěn)定性，能在復(fù)雜的環(huán)境下開(kāi)展工作。

3.3 通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)是監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的溝通渠道，凡需要監(jiān)測(cè)控制的所有地點(diǎn)都需要用通信系統(tǒng)連接，通訊覆蓋對(duì)象包括項(xiàng)目的所有監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)。由于灌溉工程具有站點(diǎn)多、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)多等因素，組建穩(wěn)定可靠的通信網(wǎng)絡(luò)十分重要，是系統(tǒng)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)控制的基礎(chǔ)保證。通信系統(tǒng)的組建應(yīng)該是根據(jù)具體工程的通信環(huán)境輔以不同的優(yōu)化組網(wǎng)方案。與中央控制室距離較近的監(jiān)控點(diǎn)一般采用有線（含光纜）通訊方式；與中央控制室較遠(yuǎn)的站點(diǎn)、田間電動(dòng)閥、攝像頭等距離較大的監(jiān)控點(diǎn)之間一般采用無(wú)線通訊方式，自設(shè)電臺(tái)或利用無(wú)線寬帶網(wǎng)絡(luò)；中央監(jiān)控室為主動(dòng)站，其他監(jiān)控副站為被動(dòng)從站，以一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的方式與從站通訊，監(jiān)控室為全向天線，各副站為定向天線，實(shí)現(xiàn)通信聯(lián)系。

3.4 視頻監(jiān)視與顯示系統(tǒng)

主要包括遠(yuǎn)程站點(diǎn)的視頻攝錄、視頻傳輸、視頻信號(hào)接收與解調(diào)、圖像處理、中央控制室電視墻等。根據(jù)灌溉工程實(shí)際情況，本系統(tǒng)主要的設(shè)備可采用野外用視頻攝像頭、多路視頻復(fù)用發(fā)射機(jī)、全向、定向通信天線、視頻接收解調(diào)機(jī)圖像處理器、電視墻（9畫(huà)面，46英寸<1英寸=2.54 cm>）等。該系統(tǒng)操作界面盡量完備和簡(jiǎn)潔，充分利用圖像、圖表等比較直觀的技術(shù)，符合操作人員的操作習(xí)慣，并能提供實(shí)時(shí)、有效、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息。整體系統(tǒng)從硬件方面做到安全可靠，從軟件方面制定嚴(yán)格的權(quán)限安全體系，確保運(yùn)行安全。

4 結(jié)論

高效節(jié)水灌溉在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有十分重要的作用，通過(guò)高效節(jié)水灌溉，實(shí)現(xiàn)了增產(chǎn)增收，極大地促進(jìn)了農(nóng)業(yè)健康、快速、可持續(xù)發(fā)展。采取先進(jìn)的自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)灌溉系統(tǒng)自動(dòng)化管理，也是現(xiàn)代灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然要求。自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，不僅節(jié)省了人力資源消耗，也通過(guò)智能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，有效地節(jié)約水資源，提升水資源的利用率，促進(jìn)了灌溉工程的精細(xì)化、科學(xué)化運(yùn)行管理。