基于互聯(lián)網(wǎng)+電動(dòng)PE截止閥研發(fā)及應(yīng)用

高建新，何建村，白云崗

(新疆水利水電科學(xué)研究院，烏魯木齊 830049)

高效節(jié)水灌溉技術(shù)的“節(jié)水、節(jié)肥、高產(chǎn)、高效、促進(jìn)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境改善、促進(jìn)農(nóng)村生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)方式轉(zhuǎn)變”優(yōu)勢(shì)效應(yīng)得到了較好的顯現(xiàn)，是解決干旱區(qū)域水資源短缺、提高水資源利用效率的有效措施[1]。近年來(lái)，新疆高效節(jié)水發(fā)展迅猛，截至2016年底，新疆高效節(jié)水灌溉技術(shù)推廣應(yīng)用面積超過(guò)333.33 萬(wàn)hm(含兵團(tuán)100 萬(wàn)hm)，占全國(guó)總面積的60%以上；預(yù)計(jì)到2020年，新疆高效節(jié)水灌溉技術(shù)規(guī)劃推廣應(yīng)用面積將達(dá)406.67 萬(wàn)hm[2]。隨著新疆節(jié)水向“提質(zhì)增效”的發(fā)展，人工控制隨意性造成的弊端愈發(fā)凸顯，自動(dòng)化控制灌溉已成為大勢(shì)所趨。據(jù)科學(xué)測(cè)算，手動(dòng)高效節(jié)水技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)化升級(jí)改造后，可使人工管理定額提高近6倍，人工管理費(fèi)用降低50%左右；水、肥灌溉均勻度均可提高20%左右；可使種植棉花籽棉單產(chǎn)增產(chǎn)5%～10%左右、節(jié)水20%～30%、降低施肥成本10%、畝均增效可達(dá)100元；因此提升節(jié)水灌溉自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)節(jié)水、減員、增效就成為當(dāng)前節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展的重要方向[3-6]。

目前在新疆節(jié)水灌溉自動(dòng)化市場(chǎng)上應(yīng)用的田間終端控制閥主要系引進(jìn)美國(guó)、以色列等國(guó)的電磁閥及國(guó)內(nèi)部分研發(fā)單位自主研發(fā)的電動(dòng)閥。電磁閥具有輕便耐用，在自動(dòng)控制方面還具有響應(yīng)時(shí)間短，動(dòng)作快捷，啟閉功率小等優(yōu)點(diǎn)[7]。但其對(duì)灌溉水質(zhì)的潔凈度要求很高，導(dǎo)流孔易堵塞、啟閉需要較高的管道水壓，啟閉只能是全開(kāi)或全閉，無(wú)法調(diào)節(jié)灌溉水量；球形電動(dòng)閥外觀(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)、緊湊合理、簡(jiǎn)單、巧妙，電動(dòng)閥控制板，信號(hào)接收電線(xiàn)、電機(jī)及電動(dòng)閥減速器等都被集成在了電動(dòng)閥腹腔內(nèi)，形成了渾然一體的效果，較好的克服了電磁閥易受灌溉水質(zhì)影響的問(wèn)題[8,9]。但在開(kāi)啟與關(guān)閉時(shí)，楊花、柳絮等纖維狀雜物進(jìn)入球狀閥芯與閥體之間的接縫后，常會(huì)使球狀閥芯在閥體內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)困難，有時(shí)球狀閥芯甚至?xí)霈F(xiàn)無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)的情況，造成打不開(kāi)關(guān)不住的問(wèn)題；電動(dòng)閥采用有線(xiàn)供電方式為提供啟閉動(dòng)力，電源線(xiàn)沿輸水管道布設(shè)，電源線(xiàn)用量較大，自動(dòng)化控制系統(tǒng)的成本增大，同時(shí)在作物生長(zhǎng)期影響田間機(jī)械作業(yè)，如中耕、打藥等，甚至受到破壞[10-12]。

針對(duì)現(xiàn)狀節(jié)水灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)終端控制閥存在的問(wèn)題，在嘗試了多種解決方案后，我們通過(guò)對(duì)現(xiàn)有PE截止閥進(jìn)行電動(dòng)改造，形成電動(dòng)PE截止閥，將其接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，使其成為互聯(lián)網(wǎng)+新型節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)的組成部分即田間終端控制閥，借助PE截止閥閥體自身獨(dú)特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)解決了自動(dòng)化控制系統(tǒng)田間終端控制閥易受灌溉水質(zhì)影響的問(wèn)題。

1 電動(dòng)PE截止閥工作原理及其特點(diǎn)

電動(dòng)PE截止閥由電機(jī)、傳動(dòng)裝置、PE截止閥等構(gòu)成，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，如圖1所示。PE截止閥閥體內(nèi)裝置有可對(duì)水流進(jìn)行控制的閥蓋，阻斷水流時(shí)將閥蓋降落在閥體內(nèi)進(jìn)出水口上即可實(shí)現(xiàn)；開(kāi)啟水流時(shí)，將閥蓋提起，即可使水流暢通。閥蓋的起降均可由遠(yuǎn)程控制電機(jī)借助傳動(dòng)裝置帶動(dòng)閥蓋實(shí)現(xiàn)。鑒于電動(dòng)PE截止閥的啟閉原理，電動(dòng)PE截止閥可以通過(guò)對(duì)閥蓋升降高度即閥蓋開(kāi)度大小的控制調(diào)節(jié)通過(guò)閥體的過(guò)水流量，滿(mǎn)足電動(dòng)PE截止閥控制不同面積作物對(duì)灌溉水量的需求。電動(dòng)PE截止閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量較輕，具有易于拆卸、維修和運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)。

圖1 電動(dòng)PE截止閥結(jié)構(gòu)示意圖

將電動(dòng)PE截止閥研發(fā)成功后，我們對(duì)其進(jìn)行了大量的運(yùn)行測(cè)試，在這個(gè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，PE截止閥獨(dú)特的啟閉方式通過(guò)調(diào)整進(jìn)出水方向，可以在一定程度上降低電動(dòng)PE截止閥的啟閉功耗。從閥蓋方向進(jìn)水時(shí)可以利用管道水壓輔助閥門(mén)進(jìn)行啟閉，關(guān)閥的時(shí)候，閥蓋由克服水壓向下運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為將水壓施加在閥蓋上向下運(yùn)動(dòng)，如圖1所示。從表1可看出，從閥蓋方向進(jìn)水關(guān)閥所用的最大瞬時(shí)功率可比從閥蓋背面進(jìn)水時(shí)關(guān)閥所用的最大瞬時(shí)功率平均降低92.8%；開(kāi)閥的時(shí)候，由從閥蓋背面進(jìn)水頂托閥蓋上升轉(zhuǎn)為從閥蓋方向進(jìn)水將閥蓋提離閥體進(jìn)出水口后，部分水壓即可開(kāi)始自行卸載，隨著閥蓋開(kāi)度越提越大，自行卸載的水壓也越大，從閥蓋方向進(jìn)水比從閥蓋背面進(jìn)水開(kāi)閥瞬時(shí)功率僅增加了約33%；綜合比較即將從閥蓋方向進(jìn)水時(shí)開(kāi)閥所用的最大瞬時(shí)功率與從閥蓋背面進(jìn)水時(shí)關(guān)閥所用的最大瞬時(shí)功率比較，過(guò)水流量在40～70 m3/h時(shí)，瞬時(shí)功率平均降低約25%；過(guò)水流量在75～95 m3/h時(shí)，瞬時(shí)功率平均降低約52%。從表1數(shù)據(jù)可看出，通過(guò)調(diào)整閥體進(jìn)出水方向，可有效降低電動(dòng)PE截止閥啟閉功耗。在這種情況下，再疊加電動(dòng)PE截止閥中利用機(jī)械原理設(shè)計(jì)的減速裝置降低電機(jī)功率的效應(yīng)，電動(dòng)PE截止閥僅需配備極小功率的電機(jī)就可滿(mǎn)足實(shí)際灌溉控制。

表1 電動(dòng)PE截止閥不同流量開(kāi)關(guān)閥瞬時(shí)功率比較表

將電動(dòng)PE截止閥作為互聯(lián)網(wǎng)+新型節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)的終端控制閥具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，首先是閥體內(nèi)部過(guò)水通道較大，從圖1即可看出，即使灌溉水質(zhì)較為渾濁，灌溉水依然可以通暢的流過(guò)電動(dòng)PE截止閥；其次是電動(dòng)PE截止閥即使在管道沒(méi)有水壓或是管道水壓較小的情況下，依靠自身動(dòng)力也能順利進(jìn)行啟閉。電動(dòng)PE截止閥先天具有的這兩個(gè)優(yōu)勢(shì)成功地解決了電磁閥與現(xiàn)狀球形電動(dòng)閥易受灌溉水質(zhì)、水壓影響而不能正常運(yùn)行的問(wèn)題，因此，我們?nèi)卵兄频碾妱?dòng)PE截止閥徹底解決了節(jié)水灌溉自動(dòng)化技術(shù)中終端控制閥在現(xiàn)狀灌溉水質(zhì)處理水平下無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際灌溉運(yùn)行的問(wèn)題。

2 節(jié)水灌溉自動(dòng)化技術(shù)中控制系統(tǒng)的研究創(chuàng)新

互聯(lián)網(wǎng)+新型節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)，由上位控制平臺(tái)(節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制網(wǎng)站)、集中控制器、田間終端三部分組成，如圖2所示。

圖2 互聯(lián)網(wǎng)+新型節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)示意圖

灌溉控制人員通過(guò)手機(jī)、電腦等智能終端登錄節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制網(wǎng)站對(duì)田間終端電動(dòng)PE截止閥發(fā)送控制指令，指令信號(hào)借助GPRS無(wú)線(xiàn)通訊信號(hào)送達(dá)集中控制器，再由集中控制器通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)將控制指令轉(zhuǎn)發(fā)至田間終端驅(qū)動(dòng)電動(dòng)PE截止閥執(zhí)行灌溉控制指令。互聯(lián)網(wǎng)+新型節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)涉及軟件工程、自動(dòng)化控制、機(jī)械設(shè)計(jì)等學(xué)科，對(duì)運(yùn)行維護(hù)人員的知識(shí)水平有很高的要求。實(shí)際情況是很難有專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員能同時(shí)掌握上述相關(guān)學(xué)科的專(zhuān)業(yè)知識(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，實(shí)際運(yùn)行中面對(duì)的更是無(wú)任何專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)的灌溉控制人員。降低系統(tǒng)維護(hù)難度，使系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)易于維護(hù)成為我們研發(fā)互聯(lián)網(wǎng)+新型節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)著重考慮的一個(gè)方面。針對(duì)此我們?cè)谙到y(tǒng)中研發(fā)出了故障監(jiān)測(cè)即時(shí)推送功能，將系統(tǒng)集中控制器和田間終端分解為各個(gè)功能模塊，即插即用，當(dāng)某一功能模塊出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)后，即可將該功能模塊的故障信息即時(shí)推送至用戶(hù)持有的智能終端，用戶(hù)根據(jù)系統(tǒng)推送的故障信息，用備用的功能模塊替換掉故障功能模塊即可，無(wú)須用戶(hù)對(duì)故障功能模塊進(jìn)行維修，即能保障系統(tǒng)的再次運(yùn)行，如圖3和圖4所示。

圖4 互聯(lián)網(wǎng)+新型節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)終端功能模塊分解圖

系統(tǒng)研發(fā)成功后，首先通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了系統(tǒng)功能模塊劃分的合理性，并將系統(tǒng)功能模塊進(jìn)一步優(yōu)化為1號(hào)電動(dòng)閥模塊、2號(hào)電動(dòng)閥模塊、電池模塊、太陽(yáng)能充電模塊、存儲(chǔ)芯片模塊、集中控制器模塊；其次檢驗(yàn)了系統(tǒng)對(duì)各功能模塊故障信息監(jiān)測(cè)并即時(shí)將故障信息推送至灌溉控制人員手持智能終端的有效性，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)即時(shí)推送功能進(jìn)行了進(jìn)一步的完善，根據(jù)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障及在實(shí)際測(cè)試運(yùn)行中出現(xiàn)的故障產(chǎn)生機(jī)理，研發(fā)出了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)措施。系統(tǒng)發(fā)生的如表2所列的每一項(xiàng)故障，灌溉控制人員手持智能終端都能即時(shí)收到相應(yīng)的推送信息。

表2 互聯(lián)網(wǎng)+新型節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)故障代碼表

通過(guò)實(shí)際測(cè)試檢驗(yàn)可看出互聯(lián)網(wǎng)+新型節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)田間終端已不僅僅是被動(dòng)地接入了互聯(lián)網(wǎng)，其還能通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與控制人員實(shí)現(xiàn)信息互動(dòng)，對(duì)其實(shí)時(shí)感知，已經(jīng)上升到了智聯(lián)網(wǎng)在節(jié)水灌溉自動(dòng)化中應(yīng)用的層面，達(dá)到了人機(jī)能實(shí)時(shí)互動(dòng)的程度，實(shí)現(xiàn)了人工智能在節(jié)水灌溉自動(dòng)化技術(shù)中的初步應(yīng)用。

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前節(jié)水灌溉自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展面臨的瓶頸問(wèn)題，對(duì)其研究解決方案只能考慮在新疆現(xiàn)階段經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平下予以實(shí)現(xiàn)，而不能超越當(dāng)前時(shí)代。對(duì)互聯(lián)網(wǎng)+新型節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)的研發(fā)完全著眼于在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)條件下，能否解決節(jié)水灌溉自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展中面臨的問(wèn)題這一目標(biāo)進(jìn)行，目前經(jīng)過(guò)項(xiàng)目組在新疆博州水利灌溉試驗(yàn)站的田間中試，實(shí)際運(yùn)行效果完全達(dá)到了研發(fā)之初設(shè)定的各項(xiàng)研發(fā)目標(biāo)，使互聯(lián)網(wǎng)+新型節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)助力新疆節(jié)水灌溉得到迅速發(fā)展成為了可能。