苏塘灌区自动灌溉控制软件的设计与实现

张玉平，王香玲

（中国水利水电科学研究院中水科技公司，北京 100038)

新疆兵团新建团场38团位于且末县境内，昆仑山、阿尔金山北麓，塔里木盆地东南缘，莫勒切河和喀拉米兰河流域下游平原区，东西长约49.1 km，南北宽3.2～12.5 km。东距且末县城150 km，西距民丰县城150 km，距塔里木油田基地直线距离120 km。新建38团开发规模为148.29万亩，形成包括生态保护区80万亩、重点开发区60万亩（实际净灌溉面积30万亩）的垦区。2008年6月动工兴建。

2010年通过激烈的市场招标，最终采用了北京中水科水电科技开发有限公司研制的H9000 V4.0计算机监控系统作为38团灌区输配水自动化管理平台，项目于2010年3月初开工，计划2012年9月底全部LCU投运完毕。

田间微灌自动控制系统作为输配水自动化系统的一部分，采取先示范后逐步推进的原则，选择1分干-3分干1、2、3出水口的南北两侧系统共6个田间系统实施田间微灌自动控制示范系统。田间微灌以系统为单位，1个支管进水口控制范围为1个田间系统，田间灌溉形式为滴灌。田间微灌自动控制系统只控制枣树灌溉，因此自动控制面积等于果树种植面积，田间微灌自动控制示范系统控制6个田间系统2 886.51亩。田间微灌自动控制系统只控制果树灌溉，1个标准田间系统有32条辅管，每两条辅管为同一进水口。根据田间轮灌制度安排，在两条辅管的同一个进水口处安装电磁阀，即1个标准系统配置16个电磁阀，自动灌溉控制软件的主要任务即远程控制田间电磁阀。

本文以苏塘灌区为例，首先介绍苏塘灌区自动灌溉控制高级应用软件的设计原则，软件结构，软件功能，最后介绍灌溉高级应用软件的实现。

1 自动灌溉控制软件的设计原则

目前我国大型灌区灌溉范围广，人员设置少，管理水平落后；灌区的各级管道呈树状分布，输水过程中管道存在水锤问题，尤其是在阀门开启、关闭时表现突出，如果通过人工手动控制各级管道上的阀门，不但浪费大量的人力，也不能精准控制水资源，从而造成水资源的浪费。自动灌溉控制软件充分考虑大型灌区农田水利灌溉的需求，通过事先设置相关参数，自动进行计算分析，自动控制输水各级管道中阀门的开启、关闭，以消除水锤危害，保证供水安全，精准控制各田间系统灌溉水量，最终提高农田水利灌溉管理水平。

自动灌溉控制软件的设计原则如下：

（1）操作方便

不需要频繁修改的参数、功能切换按钮、自动灌溉控制计算结果等集中到一幅画面，每个田间系统的监视和操作单独设立画面。

（2）功能实用

从灌区实际出发，综合考虑各种灌溉需求，使软件满足实用化要求。

（3）安全灌溉

输水管道为封闭式管道，容易产生水锤，自动灌溉过程中需要以安全为主，否则容易造成设备损坏从而影响系统供水。

（4）预留接口、接入方便

灌区共327个田间系统，由于目前大部分均不具备自动控制条件，因此分阶段实施自动控制，田间微灌自动控制示范系统只控制其中的6个田间系统，待其他田间系统条件成熟时再分批纳入自动控制。为了将来其他田间系统方便地接入，软件需预留接口，做到灵活配置。

（5）界面设计人性化、与其他画面风格统一

自动灌溉控制软件依托于H9000 V4.0计算机监控系统平台，为了运行人员操作方便，与自动灌溉控制相关的画面风格需与监控系统其他画面保持统一。

2 自动灌溉控制软件的功能设计需求

根据用户、设计院的讨论结果，灌溉高级应用软件的需求如下：

（1）按轮灌制度定时轮灌

远程自动控制田间灌溉，按照制定的轮灌制度对作物实行定时、定量的精准灌溉。既能分区成组控制，又能单点控制。整个系统的轮灌分两类轮灌方式：田间进水口阀门的轮灌和田间系统内阀门的轮灌。

田间进水口阀门的轮灌：327个田间进水口阀门因数量大，需要进行自动轮灌，设置年轮灌制度表，每年的轮灌周期最多可达30个，轮灌制度表需在实际生产中根据情况调整。

田间系统的轮灌：目前，田间微灌示范系统中的阀门为3英寸电磁阀，每个系统安装16个电磁阀，共6个田间微灌示范系统。田间微灌示范系统可通过自动轮灌的方式灌溉。

其余的田间系统（327-6=321个）安装的是手动球阀，需要人工手动方式轮灌，暂不能自动轮灌，待时机成熟再接入。

（2）骨干管网阀门控制

骨干管网阀门控制方式：可采用单设备控制或多设备联合控制。

表1 田间进水口阀门年轮灌运行时间表

（3）田间微灌自动控制系统

按照田间轮灌制度安排，根据输水时间控制滴灌电磁阀的开关。

灌区输配水工程在运行管理中，要严格遵守各级阀门的启闭时间，必须遵守先开阀后关阀、先开启下级阀门再开启上级阀门、先关闭上级阀门再关闭下级阀门的要求，同时要防止水锤和负压破坏闸阀和管道。

3 自动灌溉控制软件的功能

综合功能设计需求后，设计自动灌溉高级应用软件功能如下：

（1）功能的投入/退出

软件设有自动灌溉功能投入/退出切换按钮，当自动灌溉功能投入时，系统按设定的周期，自动计算，执行自动灌溉相关功能。当自动灌溉功能退出时，不执行自动灌溉功能。

（2）模式的切换（自动/半自动/手动）

软件设有自动/半自动/手动切换按钮，当处于自动模式时，软件根据监测的土壤信息，按照事先设置的作物需水量，自动计算各级阀门的开启、关闭时间，无需人工干预。这种系统中，除灌水器、管道、管件及水泵、电机外，还包括中央控制器、自动阀、传感器（土壤水分传感器、温度传感器、压力传感器、水位传感器和雨量传感器等）及电线等，造价较高，目前我国的灌区设备配置不全，尚不具备条件，在整个系统条件成熟时可以采用该模式；当处于半自动模式时，软件根据事先设置的各级轮灌周期，综合考虑各种安全条件，通过分析计算，自动按时按顺序开启、关闭各级阀门，对灌区自动灌溉，这是目前最常用的模式；当切换到手动控制方式时，由运行人员在画面上手动对每个阀门单独控制。

（3）控制/指导

为了供水系统的安全，特设置“控制/指导”切换按钮，模拟试验时切换到指导模式，检查程序所计算的结果是否正确，真正需要下达命令时再切换到“控制”模式。

切换到指导模式时，自动灌溉程序只在画面上给出开启、关闭阀门的操作指导，不下达命令到LCU；

切换到控制模式时，自动灌溉程序将下达开启、关闭阀门命令到LCU。

（4）计划/设定

自动灌溉控制的方式主要有以下两种：

方式一：按灌溉计划自动灌溉

操作人员预先设定一段时间的灌溉计划，包括启动的时间（月、日、时、分）、灌溉持续时间（起始时间、结束时间）、重复执行次数、重复执行的时间间隔等，自动灌溉系统按照该计划自动进行灌溉。

方式二：操作人员随时设定灌溉周期

针对以上两种方式，软件设有计划/设定切换按钮，当处于计划模式时，软件按事先设定好的轮灌周期自动开启、关闭各级阀门灌溉；当处于设定模式时，软件按运行人员在画面上设置的轮灌周期自动灌溉。

4 自动灌溉控制软件的实现

（1）软件的开发

软件采用ansi c语言开发，主框图如图1：

（2）相关配置

为了方便用户的维护，轮灌周期表、管网阀门、轮灌组定义等相关配置文件以文本文件的方式存放。

（3）画面设计

灌区画面的设计首先与监控系统的画面统一，同时又具有灌区系统的特有风格，即监视控制的设备多而分散。

灌区系统的高级应用功能通过轮灌画面来实现。其画面如图2：

图2

支管监视画面如图3：

图3

由于轮灌设备数量庞大，而且属于不同的分水口系统，所以像这样的轮灌画面多达一百多幅。通过这些轮灌画面，实现田间微灌示范系统阀门的监视与自动控制。

（4）闭锁条件

为了可靠、安全地控制灌溉，需要设置一些闭锁条件。当系统出现影响安全的事故或故障时，发出报警，高级应用软件自动退出运行，以免误发命令。软件设置以下闭锁条件：

执行/挂起

综合考虑各种运行过程中的故障，判断数据的合理性等，闭锁条件均满足时才真正执行，并下达命令；否则自动灌溉程序处于挂起状态，防止误发令。

骨干管网阀门可控/不可控

只有骨干管网阀门闭锁条件满足时，才为可控状态，否则为不可控状态。只有处于可控状态时，自动灌溉程序才控制该阀门。

田间微灌系统可控/不可控

只有田间微灌系统的闭锁条件都满足时，才进入可控状态，否则为不可控状态。只有处于可控状态时，自动灌溉程序才控制该田间微灌系统。

（5）维护管理

自动灌溉程序提供日志文件供管理人员查看历史记录，包括下达的命令、下达命令的时间、当时的状态等。

5 结语

推进农田灌溉现代化和管理科学化，使农业生产方式由粗放型向集约型转变，促进传统农业向现代农业转变是我国未来农业发展所需要解决的难题。目前我国的灌溉自动化水平还较低，在自动灌溉控制软件方面的研究还很少，工程应用上还存在较大差距。因此在现阶段研制具有当今世界先进水平的灌溉自动化系统的高级应用软件，从而实现大型灌区中推广自动灌溉，具有重要和深远的意义。苏塘灌区的自动灌溉高级应用软件即将在现场投入运行，在实际运行过程中还需要对软件进一步完善以适应现场的要求。

[1]张玉平，迟海龙.农田水利灌溉高级应用软件研究[A].水力发电学会论文集[C].2010.

[2]滴灌系统的自动化控制的研究[J/OL].中国自动化网.