農(nóng)村灌區(qū)輸配水自動(dòng)化技術(shù)分析

摘要：自動(dòng)化技術(shù)是發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的重要基礎(chǔ)，保障灌區(qū)輸配水穩(wěn)定對(duì)于農(nóng)業(yè)發(fā)展有著關(guān)鍵影響，因而輸配水自動(dòng)化技術(shù)對(duì)于農(nóng)村灌區(qū)至關(guān)重要。本文首先分析了農(nóng)村灌區(qū)輸配水系統(tǒng)的基本構(gòu)成，然后對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行了探討，最后分析了農(nóng)村灌區(qū)輸配水自動(dòng)化技術(shù)系統(tǒng)的部分功能，以供參考。

關(guān)鍵詞：農(nóng)村灌區(qū)；輸配水；自動(dòng)化技術(shù)

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)不斷發(fā)展，精細(xì)化、高效化、現(xiàn)代化已成為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)的主要目標(biāo)。為保障農(nóng)村灌區(qū)的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展，需要自動(dòng)化輸配水管理系統(tǒng)向其提供可靠的技術(shù)支持和水資源保障。

1.1 灌溉用水的取水系統(tǒng)

根據(jù)水源位置差異，取水系統(tǒng)的利用方式也不盡相同。以河川徑流灌溉取水為例，主要有以下4種方式。

無(wú)壩取水：若河川水位較高，而農(nóng)村灌區(qū)的地理位置較低，可在位于河道上游的適宜位置選址建設(shè)取水口。

有壩取水：若農(nóng)村灌區(qū)地理位置高于河川水位，則需要修建水壩引水，利用引渠取水灌溉。

抽水取水：若農(nóng)村灌區(qū)地理位置較高，且無(wú)法修壩取水，則要考慮選取合適位置在河道附近建設(shè)抽水泵站，便于借助揚(yáng)水的方式組織實(shí)施取水灌溉。

水庫(kù)取水：如果農(nóng)村灌溉用水量需求較大，現(xiàn)有的河道供水量難以滿足實(shí)際需求，則要適時(shí)修建水庫(kù)，利用蓄水、抽水、揚(yáng)水等方式進(jìn)行取水灌溉。

1.2 灌溉渠道的輸配水系統(tǒng)

依據(jù)農(nóng)村灌區(qū)的面積大小和地理?xiàng)l件，可將灌溉渠道的輸配水系統(tǒng)劃分為4級(jí)，即農(nóng)、斗、支、干。倘若農(nóng)村灌區(qū)面積過大且地形十分復(fù)雜，可以按照因地制宜的原則增設(shè)分渠。如果灌區(qū)面積較小且地理?xiàng)l件較為優(yōu)越，則可視情況將斗渠或是支渠等灌溉渠道刪減一些。另外，對(duì)農(nóng)村灌區(qū)渠道以下的臨時(shí)性田間設(shè)施，還會(huì)設(shè)置有灌水溝、毛渠、畦等多種輸配水系統(tǒng)。

輸水主要依靠干渠，而配水主要依靠斗渠、支渠。當(dāng)前多數(shù)農(nóng)村灌區(qū)要求輸配水系統(tǒng)既要滿足及時(shí)灌水的需求，也要具備穩(wěn)定排水的功能，即多雨時(shí)節(jié)要依靠輸配水系統(tǒng)及時(shí)完成排水，而干旱時(shí)節(jié)則要依靠輸配水系統(tǒng)有序有效灌溉，并且在灌溉時(shí)要將多余的水分快速排出。因此，農(nóng)村灌區(qū)的輸配水系統(tǒng)要與農(nóng)田的排水系統(tǒng)形成緊密關(guān)聯(lián)的整體，才能保障輸配水效果符合農(nóng)村灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求。

2.1 計(jì)算機(jī)技術(shù)

目前，許多國(guó)外制造商已經(jīng)在Windows平臺(tái)上開發(fā)了SCADA的組態(tài)軟件。該系統(tǒng)采用多種軟件平臺(tái)，可完成與灌區(qū)調(diào)度相關(guān)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)記錄等工作，并具有較好的圖形化、可視化人機(jī)交互界面平臺(tái)。目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)灌區(qū)自動(dòng)化系統(tǒng)開發(fā)的SCADA組態(tài)軟件，與國(guó)外許多同類產(chǎn)品相比，缺乏明顯優(yōu)勢(shì)。根據(jù)SCADA技術(shù)的發(fā)展和不斷規(guī)范，制定了相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為我國(guó)水利信息化、自動(dòng)化建設(shè)與發(fā)展提供了有力的技術(shù)保障。

2.2 控制技術(shù)

SCADA系統(tǒng)中的slave是一個(gè)控制裝置，也可以說是一個(gè)底層計(jì)算機(jī)，其下部控制裝置主要由智能測(cè)控裝置、遠(yuǎn)程測(cè)控終端、智能控制器、智能儀表、PLC控制系統(tǒng)等組成。在SCADA系統(tǒng)中，控制裝置數(shù)量眾多，其價(jià)格和可靠性都會(huì)受到很大的影響。根據(jù)控制元件的不同，控制裝置分為以下幾種。

PLC+PC控制模式：各大生產(chǎn)廠商的PLC型號(hào)不盡相同，且都擁有一套系列化系統(tǒng)產(chǎn)品平臺(tái)，不僅具有自動(dòng)閉合的網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也提供了十分豐富的接口。

單片機(jī)模式+PC：對(duì)于灌區(qū)SCADA系統(tǒng)來(lái)說，單片機(jī)是構(gòu)成底層計(jì)算機(jī)的主要方式手段。

輸入遠(yuǎn)程測(cè)控終端（RTU）+PC：該控制模式具有遙測(cè)、遙信、遙調(diào)、遙控等多種功能。

混合控制模式：目前大部分SCADA系統(tǒng)都是采用RTU和PLC組成的混合SCADA底層計(jì)算機(jī)執(zhí)行控制處理。

智能化現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和控制單元：在SCADA系統(tǒng)中，一般都是由slave控制，還有一部分是直接與PC計(jì)算機(jī)相連，形成基于通信環(huán)境的控制系統(tǒng)。

2.3 傳感技術(shù)

在農(nóng)村灌區(qū)SCADA系統(tǒng)的管理場(chǎng)景中，需要安裝大量的傳感設(shè)備和執(zhí)行設(shè)備，這些設(shè)備共同完成SCADA的數(shù)據(jù)采集，并完成對(duì)SCADA的控制反饋。SCADA中采用了兩種不同的傳感器，即非智能型傳感設(shè)備及智能型傳感設(shè)備。非智能型傳感設(shè)備運(yùn)行的主要作用是將電能轉(zhuǎn)化為規(guī)范化的信號(hào)，并將不用電能的量化數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為規(guī)范化的傳輸指令。智能型傳感設(shè)備不僅具備非智能型傳感設(shè)備的基本性能，同時(shí)具備顯示數(shù)據(jù)、上下限報(bào)警、PID調(diào)整、簡(jiǎn)易數(shù)碼邏輯管控等多種功能。目前的新型智能化傳感設(shè)備還具有現(xiàn)場(chǎng)總線的能力，可以與SCADA的下級(jí)控制器和PC主機(jī)進(jìn)行通信，形成SCADA系統(tǒng)，組成灌溉系統(tǒng)的SCADA體系。當(dāng)前，農(nóng)村灌區(qū)構(gòu)建的SCADA系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)的傳感參數(shù)包括流速流量、表面蒸發(fā)量、濁度、電流電壓、閘門開度，以及水位開關(guān)、限位開關(guān)等。

2.4 通信技術(shù)

選用通信技術(shù)和通信設(shè)備是建設(shè)農(nóng)村灌區(qū)SCADA系統(tǒng)的重要部分?？捎糜赟CADA系統(tǒng)的通信技術(shù)主要有以下幾種。

串行互連總線：包括RS-232、USB、RS-485等總線技術(shù)。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：主要通過TCP/ IP協(xié)議，利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)，通過路由器、中繼器、遠(yuǎn)程訪問服務(wù)器等通信設(shè)備系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換。

測(cè)控總線標(biāo)準(zhǔn)：例如P r o f i b u s、P H O E B U S、HART、Modbus、Lonworks等。

無(wú)線通信：包括擴(kuò)頻通信、衛(wèi)星通信、短波通信、CDMA等。

有線通信：結(jié)合了寬帶數(shù)據(jù)網(wǎng)、局域數(shù)據(jù)網(wǎng)以及光纖工程，改善了農(nóng)村灌區(qū)SCADA系統(tǒng)通信技術(shù)的便捷性。

3.1 水位流量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)功能

該功能可以完成對(duì)渠系、灌溉用水的水情監(jiān)測(cè)，掌握水位變化的數(shù)據(jù)并利用計(jì)算機(jī)服務(wù)器將采集的數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸。水位流量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)功能將通信、水文監(jiān)測(cè)、計(jì)算機(jī)等技術(shù)相融合，解決了灌區(qū)用水資料不能精確測(cè)報(bào)的難題，使以往的手工監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)模式大為改觀，使預(yù)報(bào)精度、速度、監(jiān)測(cè)內(nèi)容及范圍大為擴(kuò)展。水位流量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)功能可以實(shí)現(xiàn)水位、泥沙等要素的實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)水庫(kù)防洪抗旱具有重要意義。此外，水位流量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)功能可在數(shù)據(jù)傳輸、決策支持等各環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化處理，決策人員就可以掌握灌溉主動(dòng)權(quán)，便于合理調(diào)整計(jì)劃，從而使水利設(shè)施的使用效益發(fā)揮到最大化。

3.2 閘門自動(dòng)化遙控功能

閘門自動(dòng)化遙控功能以遙測(cè)技術(shù)、通信技術(shù)為基礎(chǔ)，同時(shí)結(jié)合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)，該功能可以實(shí)現(xiàn)閘門運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和控制，能夠按照灌區(qū)灌溉計(jì)劃有序控制閘門開閉，對(duì)于較大的農(nóng)村灌區(qū)，還能對(duì)各分站的閘門運(yùn)行狀態(tài)實(shí)施遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)控。閘門自動(dòng)化遙控功能可應(yīng)用于弧形門、平板門等，采用自動(dòng)化遙控功能控制閘門，可實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門的即時(shí)控制，合理調(diào)整閘門開關(guān)時(shí)長(zhǎng)，節(jié)省灌溉用水。

3.3 泵站計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能

利用泵站計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，可以依據(jù)抽水量、泵流量等參數(shù)，合理分配不同區(qū)域的灌溉時(shí)間，提高灌溉用水的利用效率。同時(shí)，泵站計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能不需要管理人員直接進(jìn)入灌溉現(xiàn)場(chǎng)，只需在控制室內(nèi)，就可以實(shí)現(xiàn)即時(shí)、精準(zhǔn)、快速掌握泵站運(yùn)行情況，使泵站設(shè)備管理人員在發(fā)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備發(fā)生異常情況的第一時(shí)間就可以快速處理。同時(shí)，根據(jù)泵站管理制度適時(shí)決定是否停機(jī)，以此將情況影響控制在最小范圍之內(nèi)。

綜上所述，輸配水自動(dòng)化技術(shù)是支撐農(nóng)村灌區(qū)穩(wěn)定發(fā)展農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵，在應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)的過程中，要注重有效應(yīng)用和優(yōu)化水位流量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)功能、閘門自動(dòng)化遙控功能、泵站計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能等其他功能。一方面保障自動(dòng)化技術(shù)在各項(xiàng)功能中得到有效利用，另一方面保障輸配水效果能夠滿足農(nóng)村灌區(qū)用水需求，以此展現(xiàn)在農(nóng)村灌區(qū)應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)及相關(guān)技術(shù)開展輸配水管理工作的價(jià)值。

作者簡(jiǎn)介：宋成（1983-），男，本科，工程師。研究方向：水利工程建設(shè)管理。