新型節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)應(yīng)用

摘要 ? ?滴灌是我國尤其是干旱區(qū)新疆農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉的主要模式，隨著滴灌技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用及提質(zhì)增效的要求，大力發(fā)展應(yīng)用滴灌自動(dòng)化技術(shù)提升灌溉運(yùn)行管理水平顯得十分迫切。針對(duì)目前國內(nèi)滴灌自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一的終端控制閥在田間應(yīng)用過程中存在對(duì)灌溉水質(zhì)和雜物處理運(yùn)行能力不足等問題，研發(fā)出了基于互聯(lián)網(wǎng)的新型節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)技術(shù)。本文利用這一新型自動(dòng)化灌溉控制技術(shù)，在新疆博州灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行了為期2年的技術(shù)示范應(yīng)用。結(jié)果表明，①新型節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)田間終端控制閥有明顯的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，對(duì)現(xiàn)有終端控制閥改進(jìn)成為較大口徑的過水通道，解決了灌溉水質(zhì)含沙量較大難處理困境;②具有灌溉系統(tǒng)故障自動(dòng)檢測推送功能，保障了灌溉系統(tǒng)及時(shí)更換部件，提升了灌溉運(yùn)行時(shí)效性;③對(duì)灌溉系統(tǒng)控制器模塊斷電、太陽能電池、存儲(chǔ)器、電機(jī)及電纜等故障具有診斷檢測推送功能，為自動(dòng)化灌溉控制系統(tǒng)運(yùn)行管護(hù)提供了技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞 ? ?節(jié)水灌溉;終端控制閥研發(fā);自動(dòng)化灌溉;技術(shù)應(yīng)用

中圖分類號(hào) ? ?TP273 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ? ?A

文章編號(hào) ? 1007-5739（2020）12-0188-02 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

Application ?of ?New ?Water ?Saving ?Irrigation ?Automation ?Control ?System

GAO Jian-xin

（Xinjiang Institute of Water Resources and Hydropower， Urumqi Xinjiang 830049）

Abstract ? ?Drip irrigation is the main mode of agricultural efficient water saving irrigation in China， especially in the arid area of Xinjiang. With the large-scale application of drip irrigation technology and the requirement of improving quality and efficiency， it is very urgent to develop the application of drip irrigation automation technology to improve the level of irrigation operation and management. In view of the problems of terminal controlvalve， which is one of the key technologies of drip irrigation automation system in China， in the field application process， such as the insufficient ability to deal with irrigation water quality and sundries， a new type of water saving irrigation automation control system technology based on Internet is developed. The results showed that the field terminal control valve of the new type water saving irrigation automation control system had obvious structural advantages. The existing terminal control valve was improved into a large-diameter water passage， which solved the difficult problem of large sediment concentration in irrigation water. It had the function of automatic detection and push of irrigation system faults， which ensured the timely replacement of irrigation system components and improved the timeliness of irrigation operation. It had the function of diagnosis， detection and push of irrigation system controller module power failure， solar cell， memory， motor and cable faults， which provided technical support for the operation and management of automatic irrigation control system.

Key words ? ?water saving irrigation; terminal control valve research and development; automatic irrigation; technical application

以滴灌為主要模式的高效節(jié)水灌溉技術(shù)在新疆的應(yīng)用不斷推進(jìn)，預(yù)計(jì)2020年推廣應(yīng)用累計(jì)面積達(dá)406.67萬hm2。隨著節(jié)水灌溉“提質(zhì)增效”要求的提出，大力發(fā)展滴灌自動(dòng)化控制灌溉技術(shù)應(yīng)用提升節(jié)水灌溉自動(dòng)化管理水平，成為高效農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展的重要方向[1-5]。田間終端控制閥是滴灌自動(dòng)化灌溉應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一，目前引進(jìn)和國內(nèi)生產(chǎn)的電磁閥以及電動(dòng)閥具有輕便耐用和啟閉功率小等優(yōu)點(diǎn)[6-8]，但由于現(xiàn)狀電磁閥及電動(dòng)閥對(duì)灌溉水質(zhì)潔凈度要求高，以及部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)原因時(shí)常發(fā)生因田間雜物而影響運(yùn)轉(zhuǎn)等問題，從而使自動(dòng)化灌溉設(shè)施運(yùn)行過程時(shí)常發(fā)生導(dǎo)流孔易堵塞、影響啟閉開度而無法調(diào)節(jié)灌溉水量，以及出現(xiàn)田間開啟與關(guān)閉時(shí)農(nóng)田作物揚(yáng)花、農(nóng)田防風(fēng)林木柳絮等纖維狀雜物進(jìn)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(dòng)等[9-11]。針對(duì)節(jié)水灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)終端控制閥這一關(guān)鍵技術(shù)問題，對(duì)現(xiàn)有PE截止閥進(jìn)行電動(dòng)改造研發(fā)，形成了電動(dòng)PE截止閥，將其接入互聯(lián)網(wǎng)，形成了基于互聯(lián)網(wǎng)+新型節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)的田間終端控制閥，解決了自動(dòng)化控制系統(tǒng)田間終端控制閥的技術(shù)困境[12]。本技術(shù)研發(fā)成果于2017年在新疆博州水利灌溉試驗(yàn)站田間中試，于2018年在試驗(yàn)站滴灌棉花農(nóng)田進(jìn)行推廣應(yīng)用。本文就新型節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了分析，旨在為應(yīng)用推廣提供技術(shù)支撐。

1 ? ?應(yīng)用區(qū)概況

研發(fā)技術(shù)成果中試區(qū)在新疆博州水利灌溉試驗(yàn)站實(shí)施，試驗(yàn)站位于精河縣境內(nèi)，距精河縣城約20 km，東距新疆首府烏魯木齊市425 km。試驗(yàn)站區(qū)承擔(dān)節(jié)水灌溉試驗(yàn)、節(jié)水灌溉技術(shù)示范推廣、土地經(jīng)營等工作。試區(qū)處于新疆天山之北西部境內(nèi)，山勢(shì)低矮，山體狹窄，干熱效應(yīng)強(qiáng)烈，光照充足，冬夏冷熱懸殊，干旱少雨、風(fēng)大沙多，平原區(qū)年均氣溫7.4 ℃，最高溫13.7 ℃，最低溫5.3 ℃;極端最高氣溫41.3 ℃，極端最低氣溫-36.4 ℃。年均無霜期171 d，最長為194 d，最短135 d。平原區(qū)年均降水量99.7 mm，降水多集中在春、夏季，達(dá)70.9 mm，占年降水量的71.33%。冬季空氣濕度大，夏季炎熱干燥，平原區(qū)年均蒸發(fā)量1 626.0 mm，其中4—9月蒸發(fā)量1 423.9 mm，占全年的88%。試區(qū)屬典型的大陸性降水稀少蒸發(fā)強(qiáng)烈干旱農(nóng)業(yè)區(qū)。

2 ? ?應(yīng)用區(qū)灌溉主要問題

棉花是試驗(yàn)站大田的主要作物之一，滴灌棉花生長期灌水次數(shù)一般達(dá)到10次以上，灌溉用水時(shí)間比較長，灌溉用水為井水抽取，井水中含沙量多達(dá)0.2 kg/m3，經(jīng)過一段時(shí)間的灌溉之后，滴灌帶末端常常會(huì)被井水?dāng)y帶的泥沙淤滿（圖1），嚴(yán)重影響田間灌溉效果。出現(xiàn)此種情況時(shí)，工作人員只有將淤滿泥沙的末端滴灌帶剪斷，拼接新的滴灌帶為作物輸水灌溉。

3 ? ?技術(shù)應(yīng)用效果

3.1 ? ?田間終端控制閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)

新型節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)田間終端控制閥，突破了傳統(tǒng)的節(jié)水灌溉自動(dòng)化終端控制閥思路，在PE截止閥基礎(chǔ)上進(jìn)行電動(dòng)化改造，并接入新疆節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。首先，電動(dòng)PE截止閥具有較大口徑過水通道（圖2），即使灌溉水含沙量大，也不會(huì)在截止閥過水通道內(nèi)沉積，避免了傳統(tǒng)電磁閥結(jié)構(gòu)易堵塞的狀況。除此之外，目前傳統(tǒng)的其他球形電動(dòng)閥在關(guān)閉情況下，灌溉水泥沙易沉積在閥體內(nèi)側(cè)表面，球形電動(dòng)閥啟閉時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)球體，沉積在閥體內(nèi)側(cè)表面泥沙會(huì)阻滯球體轉(zhuǎn)動(dòng)，致使球體無法轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)，沉積在閥體內(nèi)側(cè)表面泥沙在球體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)對(duì)球體表面造成擦痕，影響球形電動(dòng)閥封水效果。試驗(yàn)站棉花灌溉2年，灌溉控制36 hm2滴灌棉花，總計(jì)灌溉20余輪72個(gè)田間終端電動(dòng)控制閥。應(yīng)用期間沒有出現(xiàn)一次因灌溉水質(zhì)含有泥沙而發(fā)生故障，該節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)電動(dòng)控制閥，解決了灌溉水質(zhì)含沙量較大影響控制閥運(yùn)行的問題。

3.2 ? ?灌溉運(yùn)行故障檢測推送自動(dòng)功能

新型節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)具有運(yùn)行設(shè)備故障自動(dòng)檢測及故障推送功能，可將系統(tǒng)運(yùn)行中各功能部件出現(xiàn)的故障即時(shí)推送至管理人員智能終端處，管理人員根據(jù)智能終端上功能部件故障信息推送提示，及時(shí)進(jìn)行更換部件保障系統(tǒng)正常運(yùn)行，改變了過去出現(xiàn)故障由專業(yè)技術(shù)人員實(shí)地排除的狀況，提高了灌溉系統(tǒng)運(yùn)行管理時(shí)效性。2018年5月12日，試驗(yàn)站農(nóng)戶手機(jī)收到灌溉系統(tǒng)推送的田間終端功能部件故障信息“十一號(hào)終端1號(hào)閥電機(jī)脫銷故障”，意思是電機(jī)與傳導(dǎo)電機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)閥體蓋板啟閉的聯(lián)軸器脫離，無法驅(qū)動(dòng)截止閥運(yùn)行啟閉閥門。農(nóng)戶趕至田間十一號(hào)終端處將1號(hào)電動(dòng)閥拆解后，發(fā)現(xiàn)電機(jī)軸斷裂，與農(nóng)戶的手機(jī)收到故障信息一致。農(nóng)戶根據(jù)手機(jī)提示及現(xiàn)場檢查情況，采用備用電機(jī)更換故障電機(jī)及時(shí)排除了運(yùn)行故障。2018年7月15日，灌溉系統(tǒng)十七號(hào)田間終端1號(hào)電動(dòng)閥控制區(qū)域棉花灌溉結(jié)束自動(dòng)關(guān)閉閥門的過程中，管理該地塊的農(nóng)戶手機(jī)收到了“十七號(hào)終端1號(hào)閥異物堵塞故障”信息，農(nóng)戶趕至系統(tǒng)十七號(hào)田間終端拆解一號(hào)電動(dòng)閥檢查發(fā)現(xiàn)，閥體內(nèi)有一塊PVC碎片，對(duì)電動(dòng)閥封水閥蓋的關(guān)閉形成了阻塞，見圖3。

系統(tǒng)田間終端控制器檢測到該故障后，即將該故障對(duì)應(yīng)的代碼0x04通過集中控制器上傳至新疆節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制云平臺(tái)，平臺(tái)將數(shù)字代碼翻譯成文字信息推送至農(nóng)戶手機(jī)，提示農(nóng)戶十七號(hào)終端1號(hào)閥閥體內(nèi)有異物堵塞，致使閥門不能正常關(guān)閉，工作管理人員及時(shí)準(zhǔn)確方便地解決處理好了這一問題。新型節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)除了能準(zhǔn)確檢測、推送技術(shù)設(shè)備運(yùn)行故障外，還能準(zhǔn)確檢測、推送集中控制器模塊斷電、太陽能充電模塊故障、電池模塊故障、存儲(chǔ)器模塊故障、電機(jī)及電機(jī)線纜等故障，為滴灌自動(dòng)化灌溉控制系統(tǒng)運(yùn)行管理可持續(xù)應(yīng)用提供了技術(shù)保障。

4 ? ?參考文獻(xiàn)

[1] 陳虹.新疆統(tǒng)計(jì)年鑒[M].北京：中國統(tǒng)計(jì)出版社，2016.

[2] 劉劍光.節(jié)水灌溉自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[J].中外企業(yè)家，2013（35）：193-194.

[3] 張?jiān)隽?自動(dòng)化控制在節(jié)水灌溉系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].節(jié)水灌溉，2012（10）：65-68.

[4] 張秋汝.基于3G和GSM技術(shù)高度自動(dòng)哈節(jié)水灌溉系統(tǒng)的研究[J].科技信息，2012（5）：100-101.

[5] 徐征和，吳俊河，丁若冰，等.自動(dòng)化灌溉控制工程技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].中國農(nóng)村水利水電，2006（6）：66-68.

[6] 許常武，譚愛紅.閥門電動(dòng)裝置的發(fā)展趨勢(shì)[J].閥門，2002（3）：33-35.

[7] 周超群.電磁閥的原理及其在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探討[J].石油化工自動(dòng)化，2006（5）：92-93.

[8] 夏繼強(qiáng)，邢春香，滿慶豐，等.基于CAN總線的閥門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)[J].自動(dòng)化儀表，2004，25（7）：59-63.

[9] 鄧兵，潘俊民，潘志揚(yáng).數(shù)字化閥門電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)[J].自動(dòng)化儀表，2001，22（7）：17-19.

[10] 周建國，曹炬，姚全斌.單片機(jī)與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)的電動(dòng)閥門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)自動(dòng)測量與控制，2001，9（2）：33-34.

[11] 鄔寬明.CAN 總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1996.

[12] 高建新，何建村，白云崗.基于互聯(lián)網(wǎng)+電動(dòng)PE截止閥研發(fā)及應(yīng)用[J].節(jié)水灌溉，2018（7）：76-78.