信息化背景下農(nóng)田水利節(jié)水灌溉工程規(guī)劃設(shè)計(jì)探討

薛彥宏 尤立業(yè) 呂鴻翔

摘 要 本文論述了可無(wú)人值守的信息化農(nóng)田水利節(jié)水灌溉工程，分析了工程的組成、系統(tǒng)功能及程序設(shè)計(jì)。上位系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬運(yùn)行界面，直觀、清晰展現(xiàn)各環(huán)節(jié)運(yùn)行狀態(tài)及所有系統(tǒng)參數(shù)。通過(guò)信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理，利用PLC的PID模塊調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)管道水壓恒定，通過(guò)土壤墑情的檢測(cè)，適時(shí)灌溉，節(jié)水節(jié)電，及時(shí)高效灌溉并實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。

關(guān)鍵詞 節(jié)水節(jié)電;灌溉;增產(chǎn);PID;信息化;無(wú)人值守

1 概述

傳統(tǒng)的灌溉系統(tǒng)一般采用明渠輸水灌溉，灌溉效果差、水量浪費(fèi)嚴(yán)重，容易受地形限制。噴灌將輸水管道埋于地下，不影響農(nóng)作物生長(zhǎng)，基本不占用耕地面積，無(wú)論地勢(shì)高低變化，都可以適時(shí)適量灌溉，避免了水資源的浪費(fèi)。噴灌與明渠灌溉相比，節(jié)約用水能達(dá)到40%左右，農(nóng)作物增產(chǎn)可達(dá)20%左右，蔬菜產(chǎn)量可以翻倍。普通的噴灌系統(tǒng)對(duì)人的依賴(lài)性較大，不能及時(shí)判斷土地是否需要灌溉，延誤灌溉時(shí)間。信息化農(nóng)田水利節(jié)水灌溉則是利用信息化處理使整個(gè)工程減少對(duì)人的依賴(lài)，自動(dòng)識(shí)別是否需要灌溉和灌溉需要的水量，實(shí)現(xiàn)智能化灌溉。

信息化農(nóng)田水利節(jié)水灌溉工程采用流量、壓力、水位等傳感器自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳遞給信號(hào)采集模塊，采集模塊再傳送給CPU，CPU通過(guò)比較、運(yùn)算，同時(shí)實(shí)時(shí)跟上位系統(tǒng)交互信息，通過(guò)程序運(yùn)算自動(dòng)控制設(shè)備啟閉，對(duì)設(shè)備的輸出進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)設(shè)備參數(shù)，可在上位人為控制調(diào)節(jié)，也可就地手動(dòng)控制調(diào)節(jié)，并實(shí)時(shí)在上位機(jī)及大屏上動(dòng)態(tài)顯示[1]。

2 工程組成

信息化農(nóng)田水利節(jié)水灌溉工程主要包括兩方面內(nèi)容：一是外部基礎(chǔ)設(shè)施，包括管道鋪設(shè)以及閥門(mén)井、儀表井等相關(guān)土建;二是自動(dòng)化控制系統(tǒng)，包括電纜、儀器儀表，電氣元器件、電腦、顯示大屏等。

2.1 外部基礎(chǔ)設(shè)施

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基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)服務(wù)于控制系統(tǒng)需求，要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定用水量、設(shè)備規(guī)格、管路及鋪設(shè)方式、使用材料等，灌溉系統(tǒng)外干管、支管都埋于地下，豎管（又稱(chēng)立管）通過(guò)三腳架支撐固定，由潛水泵從井里抽水，通過(guò)管道鋪設(shè)引水。根據(jù)噴頭的用水量和供水量，在管路中設(shè)置相應(yīng)數(shù)量的電磁閥，分批次的自動(dòng)控制噴灌。

按照就近灌溉、兼顧全局原則，將所有供水主管路聯(lián)通，并在每片主管網(wǎng)交界處設(shè)立一處閥門(mén)進(jìn)行主管路控制。邊上噴頭都選用180°旋轉(zhuǎn)，角上選用90°旋轉(zhuǎn)，中間全部為360°旋轉(zhuǎn)。在滿(mǎn)足噴頭工況的前提下，按每個(gè)噴頭的噴灑半徑為15m，行、列間距為20m，噴灑范圍交叉覆蓋（見(jiàn)噴頭布置如圖1），實(shí)現(xiàn)無(wú)盲區(qū)噴灑。

管道壓力設(shè)計(jì)最大為0.6MPa，考慮到壓力損失，將正常工作壓力設(shè)為0.25～0.35MPa為宜。以此壓力計(jì)算，在同時(shí)供應(yīng)兩行噴頭的狀況下，也能使末端噴頭達(dá)到工作壓力0.2MPa。

2.2 自動(dòng)化控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用開(kāi)放的分布式控制系統(tǒng)，根據(jù)工藝流程，整個(gè)控制系統(tǒng)由調(diào)度室上位系統(tǒng)、控制室PLC工作站和高速數(shù)據(jù)通道組成，分為兩層，第一層為現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化層及控制室部分，主要有PLC、檢測(cè)儀表、電控設(shè)備等組成;第二層為上位控制管理層部分，即調(diào)度室，主要有上位控制機(jī)、打印機(jī)、大屏系統(tǒng)圖形顯示等組成[2]。

調(diào)度室上位系統(tǒng)和PLC工作站組成一個(gè)有線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，PLC通過(guò)采集模塊采集各個(gè)運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)外輸出、控制，同時(shí)向上位系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送。上位系統(tǒng)可調(diào)用PLC工作站的全部運(yùn)行信息，在上位系統(tǒng)可控制現(xiàn)場(chǎng)主要設(shè)備的啟動(dòng)和停止。現(xiàn)場(chǎng)PLC工作站通過(guò)485通信方式采集各電參數(shù)采集器，通過(guò)信號(hào)模塊采集、輸入4～20mA信號(hào)、開(kāi)關(guān)量狀態(tài)信號(hào)，系統(tǒng)連接采用專(zhuān)業(yè)連接端子和電纜，系統(tǒng)設(shè)有完備的抗干擾和防雷措施（信息化灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2）。

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3 系統(tǒng)功能描述

系統(tǒng)通過(guò)壓力變送器、水位傳感器、管道式超聲波流量計(jì)、溫度計(jì)、濕度計(jì)等采集信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)信號(hào)隔離器進(jìn)入PLC系統(tǒng)，通過(guò)Modbus RTU協(xié)議與電參數(shù)采集器通信，采集各個(gè)電參數(shù)。CPU中央處理器進(jìn)行PID運(yùn)算后，對(duì)變頻輸出，控制泵的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)管壓恒定，通過(guò)條件運(yùn)算控制閥門(mén)的開(kāi)閉。下位CPU將數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)通訊模塊以高速傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)通訊模式傳給上位系統(tǒng)，上位系統(tǒng)將數(shù)據(jù)以形象的模擬界面在電腦及大屏上實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，并記錄保存，從而實(shí)現(xiàn)信息化[3]。

控制系統(tǒng)采用就地控制、遠(yuǎn)程手動(dòng)控制、遠(yuǎn)程自動(dòng)控制相結(jié)合的方式，當(dāng)切換在其中某一操作方式下時(shí)，其他操作方式無(wú)效。

上位軟件具有以下功能：

（1）動(dòng)態(tài)流程界面，模擬顯示整個(gè)控制流程，實(shí)時(shí)顯示各個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。遠(yuǎn)程手動(dòng)控制方式時(shí)，可以通過(guò)上位界面手動(dòng)操作，來(lái)控制設(shè)備的啟停，可以上位人為操作給定設(shè)置某些參數(shù)數(shù)值;遠(yuǎn)程自動(dòng)控制方式時(shí)，全部為程序自動(dòng)控制設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，各參數(shù)給定也均為程序運(yùn)算所得，無(wú)須人為干預(yù)，即為無(wú)人值守模式。

（2）系統(tǒng)有多個(gè)顯示界面，相互獨(dú)立且可相互切換，主界面為整體流程界面，包括各主要設(shè)備的狀態(tài)、主要參數(shù)。需要某個(gè)設(shè)備的詳細(xì)信息，則可通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊進(jìn)行切換。

（3）可存儲(chǔ)采集到的各種數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量的大小按硬盤(pán)的容量計(jì)算。保存的數(shù)據(jù)可以按內(nèi)部時(shí)間順序區(qū)分和管理，可以報(bào)表、趨勢(shì)圖等形式調(diào)用歷史記錄顯示及打印。

（4）系統(tǒng)設(shè)有設(shè)備故障報(bào)警、重要模擬量上下限報(bào)警，當(dāng)設(shè)備故障或數(shù)據(jù)異常，自動(dòng)彈出報(bào)警界面、報(bào)警語(yǔ)音提示，并顯示故障所在設(shè)備，待故障消除，數(shù)據(jù)正常后，報(bào)警自動(dòng)消除。

4 程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)中采用西門(mén)子S7-300系列PLC和ABB變頻器，完成對(duì)灌溉系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制，PLC通過(guò)數(shù)字PID功能控制變頻器頻率，使供水管供水壓力恒定。在自動(dòng)運(yùn)行模式下通過(guò)檢測(cè)土壤濕度來(lái)自動(dòng)控制灌溉?？紤]系統(tǒng)安全，防止爆管，在壓力過(guò)大（大于0.37MPa）時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止泵的運(yùn)行，必須至少開(kāi)啟一個(gè)閥門(mén)才可開(kāi)啟水泵，否則水泵將不能啟動(dòng)。停止灌溉時(shí)先停止泵，再關(guān)閥門(mén)。變頻恒壓供水，調(diào)整到合適的輸出（0～50Hz），為了保護(hù)電機(jī)，變頻運(yùn)行頻率不低于30Hz。當(dāng)水位低于下限值時(shí)報(bào)警，同時(shí)自動(dòng)停止抽水。當(dāng)土壤墑情檢測(cè)數(shù)據(jù)低于相應(yīng)濕度要求時(shí)，報(bào)警提示啟動(dòng)灌溉[4]。

5 論結(jié)束語(yǔ)

信息化農(nóng)田水利節(jié)水灌溉工程可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守和全系統(tǒng)微機(jī)化管理，自動(dòng)化程度高，灌溉均勻，受地形限制較小，并且可以實(shí)現(xiàn)自診斷功能。雖然信息化農(nóng)田水利節(jié)水灌溉工程建設(shè)投入偏大，在實(shí)際應(yīng)用的工程中已經(jīng)證明其節(jié)水節(jié)電、效率高，作物增產(chǎn)明顯，具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 遲道才.節(jié)水灌溉理論與技術(shù)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2009：26.

[2] 劉明堂，胡萬(wàn)元，陸桂明.水利信息監(jiān)測(cè)及水利信息化[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2019：56.

[3] 李正軍.計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：61.

[4] 張根寶，黃敏.工業(yè)自動(dòng)化儀表與過(guò)程控制[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006：55.

作者簡(jiǎn)介

薛彥宏（1980-），女;學(xué)歷：大學(xué)學(xué)歷，職稱(chēng)：工程師，現(xiàn)就職單位：山東齊盛機(jī)電工程有限公司，研究方向：工程自動(dòng)化設(shè)計(jì)、施工。