自動化控制灌溉在滴灌工程中的應用

汪 玲，周 萍

(1.新疆農二師設計院有限責任公司，新疆庫爾勒841000;2.新疆五家渠農六師勘測設計研究有限責任公司，新疆五家渠831300)

1 前言

自動化控制灌溉系統(tǒng)的建立可以進一步提高新疆現(xiàn)有節(jié)水灌溉農業(yè)的管理水平。原有的節(jié)水灌溉系統(tǒng)雖然在降低作物灌溉制度，提高作物產量上有明顯的作用，但由于人工操作的可變性過大，致使灌溉的合理性無法得到進一步的提高。而自動化控制灌溉是通過對土壤、作物、氣象等各類因素的采集、分析后由操作系統(tǒng)發(fā)送相關信息指令對田間各類控制閥門進行控制，以此來實現(xiàn)降低人工分析決策的不合理性因素對農業(yè)灌溉的影響。作為現(xiàn)代化農業(yè)發(fā)展的趨勢，在新疆現(xiàn)狀農業(yè)灌溉已大面積實施節(jié)水工程的前提下，進一步推廣自動化控制灌溉在節(jié)水工程中的使用對促進新疆農業(yè)經濟發(fā)展具有極大的意義。在此基礎上，本文通過對自動化控制系統(tǒng)的工作原理、設備組成以及實際應用中在設計方案的選取上做一簡單分析。

2 自動化控制灌溉系統(tǒng)情況介紹

2.1 自動化控制灌溉系統(tǒng)的工作原理

所謂的自動化控制灌溉即利用田間布設的相關設備采集或監(jiān)測土壤信息、田間信息和作物生長信息，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳到首部控制中心，在相應系統(tǒng)軟件分析決策下，對終端發(fā)出相應灌溉管理指令。

自動化控制系統(tǒng)的工作原理為:通過土壤、氣象、作物等類傳感器及監(jiān)測設備將土壤、作物、氣象狀況等監(jiān)測數(shù)據(jù)通過墑情信息采集站，傳到計算機中央控制系統(tǒng)，中央控制系統(tǒng)中的各類軟件將匯集的數(shù)值進行分析，比如將含水量與灌溉飽和點和補償點比較后確定是否應該灌溉或停止灌水，然后將開啟或關閉閥門的信號通過中央控制系統(tǒng)傳輸?shù)介y門控制系統(tǒng)，再由閥門控制系統(tǒng)實施某輪灌區(qū)的閥門開啟或關閉，以此來實現(xiàn)農業(yè)的自動化控制。

與國際水平相比，我國的農業(yè)傳感器生產水平相對落后，而土壤水分傳感器生產水平已達到了國際同類水平。

2.2 自動化控制系統(tǒng)設備的組成

自動化控制系統(tǒng)的設備主要有中央控制器、田間工作站、RTU(遠程網(wǎng)絡終端單位)或解碼器(閥門控制器)、電磁閥及田間信息采集或監(jiān)測設備5個部分組成。

2.2.1 中央控制器

中央控制器(主站):主要有微機等設備及控制系統(tǒng)軟件組成。

微機設備與目前辦公設備類似，由電源控制箱、主控計算機、中央控制器和激光打印機等設備組成。

控制系統(tǒng)軟件是安裝于微機設備上的，其內容有信息采集與處理模塊、信息數(shù)據(jù)顯示模塊、信息記錄與報警模塊、閥門狀態(tài)監(jiān)控模塊和首部控制模塊等組成。

現(xiàn)有自動化監(jiān)測、控制系統(tǒng)除了具有預測預報等功能外，還在計算機上實現(xiàn)如下功能:過程監(jiān)視、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、報警、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)管理和過程控制等。并實現(xiàn)實時過程智能決策，達到完全自動控制。

2.2.2 田間工作站(中繼站)

田間工作站的設計根據(jù)地形及設備信號接收的限制來確定布設位置及個數(shù)。

在實際操作中若地形平坦，無遮擋物，信號傳輸效果好。則相應一個田間工作站可控制面積較大，反之，則田間工作站布設較多。

田間工作站是中央控制器與RTU或解碼器及田間信息采集監(jiān)測設備的中轉站。采集的信息需要通過中間站輸送到中央控制器，而中央控制器發(fā)送的指令則需通過田間工作站傳達到各個RTU或解碼器。

2.2.3 RTU(遠程網(wǎng)絡終端單位)或解碼器(閥門控制器)

RTU(遠程網(wǎng)絡終端單位)或解碼器(閥門控制器)是接收由田間工作站傳來的指令并實施指令的下端。

解碼器(閥門控制器)直接與管網(wǎng)布置的電磁閥相連接，接收到田間工作站的指令后對電磁閥的開閉進行控制，同時也能夠采集田間信息，并上傳信息至田間工作站。一個閥門控制器可控制多個電磁閥。

2.2.4 電磁閥

電磁閥是控制田間灌溉的閥門。

電磁閥由田間節(jié)水灌溉設計輪灌組的劃分來確定安裝位置及個數(shù)。

2.2.5 墑情信息采集站及田間信息采集、監(jiān)測設備

田間信息采集及監(jiān)測設備是自動化控制系統(tǒng)的最根本。

田間信息采集主要依賴于傳感設備。傳感設備就是能夠感受規(guī)定的被測量物并按照一定規(guī)律轉換成可能輸出信號的器件或裝置。自動化灌溉可能設計的傳感器主要分為:土壤類、作物類、氣象類及系統(tǒng)類傳感器。主要測量土壤水分、養(yǎng)分、溫度、作物水分、養(yǎng)分、長勢、氣象類的光照、蒸發(fā)、風速、雨量及系統(tǒng)類的水壓、閥門狀態(tài)、流量、水質等數(shù)據(jù)資料。經由墑情信息采集站將信息傳輸至中央控制器，通過中央控制器安裝的各類自動化監(jiān)測軟件系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)分析，再以數(shù)值和曲線形式顯示歷史與實的時參數(shù)值和變化曲線，并進行信息實時報警與記錄。

2.3 自動化控制系統(tǒng)子系統(tǒng)的配置

自動化控制系統(tǒng)可根據(jù)用戶不同層次的實際需求，由灌溉自動控制子系統(tǒng)、農田墑情監(jiān)測子系統(tǒng)、作物生長圖像采集子系統(tǒng)、水肥智能決策子系統(tǒng)、作物網(wǎng)絡化管理平臺等多個子系統(tǒng)配置，能為用戶提供多種管理選擇方式。依據(jù)工程基礎條件、管理水平、項目投資等因素來確定項目子系統(tǒng)類型的配置及灌溉方式的選擇。

2.4 自動化控制系統(tǒng)的灌溉方式選取

根據(jù)現(xiàn)狀新疆兵團節(jié)水灌溉模式及管理水平目前已實現(xiàn)的控制灌溉方式主要分為3類，在實際操作中可根據(jù)具體情況選取適合自己的控制灌溉方式:

2.4.1 自動化控制灌溉方式

由于實際情況中存在墑情采集及分析水平不足的因素，在現(xiàn)狀自動化控制中主要還是依據(jù)節(jié)水工程設計中規(guī)定的耗水定額、灌溉時間及作物的需肥等數(shù)據(jù)來作為自動化控制發(fā)出命令的依據(jù)。

根據(jù)節(jié)水設計可進行閥門編組輪灌，可供選擇的輪灌方式有:①灌水時間設定輪灌:根據(jù)設定時間編組輪灌;②灌溉量設定輪灌:根據(jù)墑情及土壤的監(jiān)測結果預設灌溉制度進行輪灌并施加肥料;③隨機設定輪灌:根據(jù)實際需要進行任意閥門編組輪灌，包括補灌。

2.4.2 人工參與控制灌溉方式

系統(tǒng)以土壤濕度臨界值主參數(shù)(可包括氣象信息、作物視頻診斷等)進行人工參與智能化控制灌溉;用戶也可根據(jù)墑情監(jiān)測結果，通過G網(wǎng)用手機隨時進行智能化控制。

2.4.3 手動控制灌溉方式

在系統(tǒng)出現(xiàn)意外情況下，可人工手動進行電磁閥開啟。以保證連續(xù)灌溉不會中斷，不誤農時。

3 自動化控制系統(tǒng)典型設計

3.1 典型地塊的選擇

在新疆農二師31團6連選取58 hm2具有一定代表性的地塊作為典型設計田塊，共計12塊條田，長780 m，每塊條田寬60～65 m，水源滿足要求，種植作物為紅棗，株行距1.5 m×3 m，紅棗園建設已完成，確定滴灌工程的布置形式為:地表水源→首部→地埋干管→地埋支管→滴灌管的形式?？紤]滴灌與自動化工程的結合，確定分干管兩邊鋪設支管為長短管形式。一條分干管可以管4塊條田，則一個閥門控制器可控制4個電磁閥，相比較一個支管灌溉2塊條田的方案，閥門控制器可減少一半。

3.2 中央控制器的選擇

由于本典型設計的面積較少，而且在31團未有大面積實施的計劃，因此中央控制站可設置在首部附近，即省去了團部管理需鋪設線路的投資，而且便于現(xiàn)場管理。

3.3 田間工作站的設置

由于該地塊十分規(guī)整，田間工作站可均勻布置于條田中，共需要設置6個田間工作站，由于距離中央控制器500 m范圍內且無明顯遮擋物，信號傳輸效果好，可將布置于附近的2個田間工作站省去，因此最終確定布設4個田間工作站。

3.4 閥門控制器及電磁閥的設置

依據(jù)滴灌工程輪灌制度的劃分，在滴灌系統(tǒng)每個支管的出地樁處均加設電磁閥一個，由于是長短管設計，位于同一位置的出地樁處的電磁閥由一個閥控器控制。最終確定電磁閥60個，閥控器15個。

3.5 各類傳感器及墑情信息采集站的設置

在典型滴灌設計的基礎上，由于該區(qū)土壤類型單一，均勻，傳感器可適當減少布置量。根據(jù)31團現(xiàn)狀管理水平僅布設水分傳感器。共設置水分傳感器12個，墑情信息采集站6個。并在中央控制系統(tǒng)配套墑情監(jiān)測系統(tǒng)軟件。

4 結論

節(jié)水灌溉工程在新疆已經大面積得到了推廣，應用及管理技術較為成熟。在此基礎上發(fā)展自動化灌溉技術是精準農業(yè)發(fā)展的必然趨勢，此項技術雖已提出多年，但由于現(xiàn)狀農業(yè)勞動力較富裕的原因，致使該項技術的優(yōu)勢無法充分體現(xiàn)，近年來新疆也僅是分散試點運行，且大多工程位于新疆北部，新疆南部的落后地區(qū)對此項技術仍然無法得到積極響應。

針對新疆大農業(yè)的現(xiàn)狀，在節(jié)水工程大面積實施的前提下，為了達到該類工程可持續(xù)利用的目的，針對目前正在或計劃實施的節(jié)水灌溉工程，也應當適當考慮到自動化灌溉技術參與其中的可能性。而對于今后幾年該類工程建設中也應當建議配合自動化工程同時建設，有利于精準農業(yè)在新疆的進一步推廣，逐步讓農民接收該項技術。

［1］任巖，王金龍.石頭河灌區(qū)灌溉工程自動化控制系統(tǒng)綜評［J］.黑龍江水利科技，2009，37(1):11.