自动化控制灌溉在滴灌工程中的应用

汪 玲，周 萍

(1.新疆农二师设计院有限责任公司，新疆库尔勒841000;2.新疆五家渠农六师勘测设计研究有限责任公司，新疆五家渠831300)

1 前言

自动化控制灌溉系统的建立可以进一步提高新疆现有节水灌溉农业的管理水平。原有的节水灌溉系统虽然在降低作物灌溉制度，提高作物产量上有明显的作用，但由于人工操作的可变性过大，致使灌溉的合理性无法得到进一步的提高。而自动化控制灌溉是通过对土壤、作物、气象等各类因素的采集、分析后由操作系统发送相关信息指令对田间各类控制阀门进行控制，以此来实现降低人工分析决策的不合理性因素对农业灌溉的影响。作为现代化农业发展的趋势，在新疆现状农业灌溉已大面积实施节水工程的前提下，进一步推广自动化控制灌溉在节水工程中的使用对促进新疆农业经济发展具有极大的意义。在此基础上，本文通过对自动化控制系统的工作原理、设备组成以及实际应用中在设计方案的选取上做一简单分析。

2 自动化控制灌溉系统情况介绍

2.1 自动化控制灌溉系统的工作原理

所谓的自动化控制灌溉即利用田间布设的相关设备采集或监测土壤信息、田间信息和作物生长信息，并将监测数据传到首部控制中心，在相应系统软件分析决策下，对终端发出相应灌溉管理指令。

自动化控制系统的工作原理为:通过土壤、气象、作物等类传感器及监测设备将土壤、作物、气象状况等监测数据通过墒情信息采集站，传到计算机中央控制系统，中央控制系统中的各类软件将汇集的数值进行分析，比如将含水量与灌溉饱和点和补偿点比较后确定是否应该灌溉或停止灌水，然后将开启或关闭阀门的信号通过中央控制系统传输到阀门控制系统，再由阀门控制系统实施某轮灌区的阀门开启或关闭，以此来实现农业的自动化控制。

与国际水平相比，我国的农业传感器生产水平相对落后，而土壤水分传感器生产水平已达到了国际同类水平。

2.2 自动化控制系统设备的组成

自动化控制系统的设备主要有中央控制器、田间工作站、RTU(远程网络终端单位)或解码器(阀门控制器)、电磁阀及田间信息采集或监测设备5个部分组成。

2.2.1 中央控制器

中央控制器(主站):主要有微机等设备及控制系统软件组成。

微机设备与目前办公设备类似，由电源控制箱、主控计算机、中央控制器和激光打印机等设备组成。

控制系统软件是安装于微机设备上的，其内容有信息采集与处理模块、信息数据显示模块、信息记录与报警模块、阀门状态监控模块和首部控制模块等组成。

现有自动化监测、控制系统除了具有预测预报等功能外，还在计算机上实现如下功能:过程监视、数据收集、数据处理、数据存储、报警、数据显示、数据管理和过程控制等。并实现实时过程智能决策，达到完全自动控制。

2.2.2 田间工作站(中继站)

田间工作站的设计根据地形及设备信号接收的限制来确定布设位置及个数。

在实际操作中若地形平坦，无遮挡物，信号传输效果好。则相应一个田间工作站可控制面积较大，反之，则田间工作站布设较多。

田间工作站是中央控制器与RTU或解码器及田间信息采集监测设备的中转站。采集的信息需要通过中间站输送到中央控制器，而中央控制器发送的指令则需通过田间工作站传达到各个RTU或解码器。

2.2.3 RTU(远程网络终端单位)或解码器(阀门控制器)

RTU(远程网络终端单位)或解码器(阀门控制器)是接收由田间工作站传来的指令并实施指令的下端。

解码器(阀门控制器)直接与管网布置的电磁阀相连接，接收到田间工作站的指令后对电磁阀的开闭进行控制，同时也能够采集田间信息，并上传信息至田间工作站。一个阀门控制器可控制多个电磁阀。

2.2.4 电磁阀

电磁阀是控制田间灌溉的阀门。

电磁阀由田间节水灌溉设计轮灌组的划分来确定安装位置及个数。

2.2.5 墒情信息采集站及田间信息采集、监测设备

田间信息采集及监测设备是自动化控制系统的最根本。

田间信息采集主要依赖于传感设备。传感设备就是能够感受规定的被测量物并按照一定规律转换成可能输出信号的器件或装置。自动化灌溉可能设计的传感器主要分为:土壤类、作物类、气象类及系统类传感器。主要测量土壤水分、养分、温度、作物水分、养分、长势、气象类的光照、蒸发、风速、雨量及系统类的水压、阀门状态、流量、水质等数据资料。经由墒情信息采集站将信息传输至中央控制器，通过中央控制器安装的各类自动化监测软件系统对采集的数据分析，再以数值和曲线形式显示历史与实的时参数值和变化曲线，并进行信息实时报警与记录。

2.3 自动化控制系统子系统的配置

自动化控制系统可根据用户不同层次的实际需求，由灌溉自动控制子系统、农田墒情监测子系统、作物生长图像采集子系统、水肥智能决策子系统、作物网络化管理平台等多个子系统配置，能为用户提供多种管理选择方式。依据工程基础条件、管理水平、项目投资等因素来确定项目子系统类型的配置及灌溉方式的选择。

2.4 自动化控制系统的灌溉方式选取

根据现状新疆兵团节水灌溉模式及管理水平目前已实现的控制灌溉方式主要分为3类，在实际操作中可根据具体情况选取适合自己的控制灌溉方式:

2.4.1 自动化控制灌溉方式

由于实际情况中存在墒情采集及分析水平不足的因素，在现状自动化控制中主要还是依据节水工程设计中规定的耗水定额、灌溉时间及作物的需肥等数据来作为自动化控制发出命令的依据。

根据节水设计可进行阀门编组轮灌，可供选择的轮灌方式有:①灌水时间设定轮灌:根据设定时间编组轮灌;②灌溉量设定轮灌:根据墒情及土壤的监测结果预设灌溉制度进行轮灌并施加肥料;③随机设定轮灌:根据实际需要进行任意阀门编组轮灌，包括补灌。

2.4.2 人工参与控制灌溉方式

系统以土壤湿度临界值主参数(可包括气象信息、作物视频诊断等)进行人工参与智能化控制灌溉;用户也可根据墒情监测结果，通过G网用手机随时进行智能化控制。

2.4.3 手动控制灌溉方式

在系统出现意外情况下，可人工手动进行电磁阀开启。以保证连续灌溉不会中断，不误农时。

3 自动化控制系统典型设计

3.1 典型地块的选择

在新疆农二师31团6连选取58 hm2具有一定代表性的地块作为典型设计田块，共计12块条田，长780 m，每块条田宽60～65 m，水源满足要求，种植作物为红枣，株行距1.5 m×3 m，红枣园建设已完成，确定滴灌工程的布置形式为:地表水源→首部→地埋干管→地埋支管→滴灌管的形式。考虑滴灌与自动化工程的结合，确定分干管两边铺设支管为长短管形式。一条分干管可以管4块条田，则一个阀门控制器可控制4个电磁阀，相比较一个支管灌溉2块条田的方案，阀门控制器可减少一半。

3.2 中央控制器的选择

由于本典型设计的面积较少，而且在31团未有大面积实施的计划，因此中央控制站可设置在首部附近，即省去了团部管理需铺设线路的投资，而且便于现场管理。

3.3 田间工作站的设置

由于该地块十分规整，田间工作站可均匀布置于条田中，共需要设置6个田间工作站，由于距离中央控制器500 m范围内且无明显遮挡物，信号传输效果好，可将布置于附近的2个田间工作站省去，因此最终确定布设4个田间工作站。

3.4 阀门控制器及电磁阀的设置

依据滴灌工程轮灌制度的划分，在滴灌系统每个支管的出地桩处均加设电磁阀一个，由于是长短管设计，位于同一位置的出地桩处的电磁阀由一个阀控器控制。最终确定电磁阀60个，阀控器15个。

3.5 各类传感器及墒情信息采集站的设置

在典型滴灌设计的基础上，由于该区土壤类型单一，均匀，传感器可适当减少布置量。根据31团现状管理水平仅布设水分传感器。共设置水分传感器12个，墒情信息采集站6个。并在中央控制系统配套墒情监测系统软件。

4 结论

节水灌溉工程在新疆已经大面积得到了推广，应用及管理技术较为成熟。在此基础上发展自动化灌溉技术是精准农业发展的必然趋势，此项技术虽已提出多年，但由于现状农业劳动力较富裕的原因，致使该项技术的优势无法充分体现，近年来新疆也仅是分散试点运行，且大多工程位于新疆北部，新疆南部的落后地区对此项技术仍然无法得到积极响应。

针对新疆大农业的现状，在节水工程大面积实施的前提下，为了达到该类工程可持续利用的目的，针对目前正在或计划实施的节水灌溉工程，也应当适当考虑到自动化灌溉技术参与其中的可能性。而对于今后几年该类工程建设中也应当建议配合自动化工程同时建设，有利于精准农业在新疆的进一步推广，逐步让农民接收该项技术。

［1］任岩，王金龙.石头河灌区灌溉工程自动化控制系统综评［J］.黑龙江水利科技，2009，37(1):11.