灌溉自动控制在节水工程中的应用

葛芸萍,崔秋云

（1.黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004；2.黄河河务局三义寨闸管处,河南 开封 475001）

0 引言

由于世界水资源日趋紧张，各国都在积极探索行之有效的节水途径和措施。 喷灌和滴灌技术是为了节约水资源、提高灌溉效率而发展起来的现代灌溉技术之一。 当前计算机控制技术在我国众多领域获得了广泛应用，水资源管理也从传统的以人为主的管理方式转变为以计算机控制技术为手段的自动化监控与调度的先进管理模式。 发达国家已开发并制造了一系列用途广泛、功能极强的数字式灌溉控制器，并得到广泛应用。 而我国在节水灌溉方面还基本停留在人工操作层面，即使有些地方采用了灌溉工程自动控制系统， 但只是小面积的局部控制，大规模灌溉工程计算机监控系统的应用还受各种条件的制约。

1 国内外灌溉自动化技术的发展状况

1.1 国内灌溉自动化技术的发展状况

国内在灌溉自动控制系统方面还处于研制、试用阶段，能实际投入应用且应用较广的灌溉控制器还不多见。 天津市水利科学研究所研制的温室滴灌施肥智能化控制系统主要用于现代温室。 日光温室作物的灌溉营养液施肥，环境监测的智能控制，均采用世界先进的可编程序控制器和触摸屏控制技术，性能可靠、功能齐全、人机界面友好、操作简单，价格低廉。 系统具有人工干预灌溉施肥功能，定时、定量灌溉施肥功能，条件控制灌溉施肥功能。 北京澳作生态仪器有限公司的澳作智能节水灌溉控制系统可与各种滴、喷灌系统连接，实时监测土壤墒情，根据要求自动灌溉。 系统的控制方式灵活，手动、半自动、全自动任选，且可随意在计算机上更改，可同时控制多个设备，受控区位置及形状，环境参数及设备状态可同时显示在中心计算机上。 其他国内研制的自动灌溉控制器，直接用PC 机进行控制，这样使成本增加， 不易在田间较恶劣环境下使用等缺陷。

1.2 国内灌溉自动化技术的发展状况

一些先进国家，如美国、以色列和加拿大等，在节水灌溉技术方面起步较早，并日趋成熟。 这些国家从最早的水力控制、机械控制，到后来的机械电子混合协调式控制，再到当前应用广泛的计算机控制、模糊控制和神经网络控制等，控制精度和智能化程度越来越高，可靠性越来越好，操作也越来越简便。

2 节水灌溉自动化技术发展趋势

2.1 技术日趋成熟

经过多年的发展，国外灌溉控制器已逐步趋于成熟和系列化，但价格昂贵，国内虽引进一些，但多数是在农业示范区、科研院所、高校等单位使用。 国外生产的灌溉控制器性能优越， 但没有考虑我国自然条件（气候、土地资源等）、农民经济状况等因素，因而其在国内的应用并不普及。 国内虽然有多家单位在研制灌溉控制器，但多数是在小规模、小范围内实验和理论的探讨，并未推广、应用。 究其原因，一是开发性能完善的灌溉控制系统需要大量的人力、物力的投入，需要多部门、多学科的融合，这在一定程度上限制了性能完善、适应性强的控制器的开发。二是现在开发出来的灌溉控制器价格昂贵，尽管农民知道它们能节省人力、节约用水、提高产量，但由于一次性投资太大，多数农民承受不起，这也在一定程度上限制了灌溉控制器的普及。

2.2 具有广阔的市场前景和潜在的经济社会效益

发达国家在节水灌溉控制器的开发方面已越来越成熟，且发展趋势是研制大型分布式控制系统和小面积单片机控制系统，并带有通信功能，能与上位机进行通信，可由计算机对其编程操作。 同时，随着人工智能技术的发展，模糊控制、神经网络等新技术为节水灌溉控制器的研制开辟了广阔的应用前景。 根据我国国情和各地经济、技术发展的实际情况，采用成本低、操作简便的节水灌溉控制器，不仅具有广阔的市场，而且能够创造巨大的经济和社会效益。

3 可编程控制器在节水灌溉工程中的应用

3.1 系统优点

目前，世界上许多工业化国家都把可编程控制器（PLC）的使用作为衡量电气控制水平的标志。 可编程控制器汇集了超大规模集成电路的众多优点，因而在智能仪表、计算机和各种数字系统中得到了广泛应用。 在我国的国防、电力、通信等领域可编程控制器已被大量应用，但是由于可编程控制器价格高、技术性强，目前在农业中应用很少。 把可编程控制器应用在节水灌溉控制系统中，能够简化系统的硬件结构，提高系统的可靠性，增加系统的灵活性，可收到“以软（件）代硬（件）”的效果。

自动灌溉监控系统有如下优点：

（1）能够充分发挥现有节水设备的作用，优化调度，提高效率。

（2）通过自动控制技术的应用，进一步节水节能，降低灌溉成本、提高灌溉质量。

（3）能够使灌溉更加科学、方便，提高管理水平。

3.2 节水灌溉自动控制系统的功能要求

根据基本资料及技术要求，并结合当地灌溉环境和作物的生长情况，可制订灌溉强度和控制系统的逻辑功能。 假设功能要求如下。

3.2.1 盆栽花卉喷灌

盆栽花卉是从苗圃或温室移栽到花盆、待上市的成品花卉。 因为数量多，并且苗木比较高大，需要较大的灌溉强度，所以采用旋转式喷头。 喷头共36个，安装为6 列，每3 列为一组，要求两组交替喷灌工作。 每组工作5 min，停20 min，每天8 点开始到17 点停止。

3.2.2 温室花卉滴灌

6 个温室，每个温室300m2，使用地埋式滴灌带，滴灌采用定时灌溉方式控制，按照作物栽培专家经验，针对种植品种确定供水量，定时向作物供水，供水到一定时间后，停止灌水。 6 个温室按两组控制，每3 个温室为一组。两组交替工作，每隔2 d 灌溉1 d。

3.2.3 手动和自动控制功能

考虑到系统的可靠性和经济性，要求系统有手动控制和自动控制功能。 系统在自动（或手动）工作方式时，能自动（或手动）控制供水水泵的运行与停止和各电磁阀的开关。

3.2.4 其他要求

要求自动监控系统对沙床苗圃和盆栽花卉进行灌溉时，遇到阴雨天会自动停止对沙床苗圃和盆栽花卉的灌溉。 温室滴灌不仅要受时间控制，而且要求在软件中有温度、湿度测控功能，即温度、湿度达到某一控制点就报警并改变程序的运行方式。

3.3 系统工作原理

系统输入端有自动/手动选择开关，自动工作时有总开、总停按钮，有故障消音按钮，温度、湿度开关量信号输入若干。 输出端需要控制8 个电磁阀和1 台水泵，并需故障报警控制等。 花卉喷灌采用PLC的中断功能，设6 个单元，3 个单元为1 组，每组1个电磁阀，每个电磁阀工作5 min 停20 min。工作时间为10 点到15 点。 花卉滴灌利用PLC 的定时和记数功能组合，分6 个单元，3 个单元为1 组，每组1个电磁阀，每个电磁阀工作1 d 停2 d。 阴雨天利用雨量传感器的开关量作为一个PLC 的输入信号，从而实现自动停止相关程序的功能。 其工作原理如图1 所示。

图1 可编程控制器工作原理示意图Fig.1 Working principle of programmable controlter

3.3.1 硬件设计方案

根据要求，在盆栽花卉区设2 个电磁阀分别控制花卉区喷灌，在温室花卉区设2 个电磁阀分别控制两组温室的滴灌，设1 个电磁继电器控制供水的水泵。

为避免意外事故或故障的进一步扩大，需要有报警点输入并且用声光信号显示故障类型，同时发出警报提醒值班人员及时处理事故。当故障出现时，故障指示灯闪烁且报警电铃响起， 操作人员可以按下“消音”按钮以解除铃响，但故障指示灯仍在闪烁，直到故障消除，故障指示灯才停止闪烁。 但是，这样做就必须至少给每一个工作点一个故障指示输出，增加成本。 因此，所有故障统一用一个报警器报警，并删除故障点指示输出。 但程序中保留各故障点的监控逻辑，必要时可通过增加输出点来检测故障。

考虑到系统的可扩展性，为以后的温度、湿度、定量、定制等测控功能留有一定的扩展空间，应留一定的I/O 端口备用。 综合考虑以上因素初步选用三菱的FX2n-48MR 可编程控制器。

为使对系统有一个形象的说明， 用系统控制框图表示，如图2 所示。

图2 系统控制框图Fig.2 System control

3.3.2 软件设计方案

本设计中，喷灌的工作周期是24 h，时钟控制上有4 个工作状态转变点：

0 h，8 h，17 h 和24 h，可用1 个定时器和3 个计数器c1、c2、c3 组合起来解决。工作逻辑上有3 种工作状态：一号电磁阀工作（5 min）；二号电磁阀工作（5 min）；停止工作（20 min）。 可用3 个定时器解决。

滴灌的工作周期是72 h， 时钟控制上有4 个工作状态转变点：0 h，24 h，48 h 和72 h， 刚好都是24的整数倍， 而且工作逻辑简单， 只有yes/no 两种状态。

用1 个定时器和3 个计数器c1、c2、c3 构建有4 个工作状态转变点（0 h，8 h，17 h 和24 h）的24 h时钟，用于喷灌的时钟控制；用3 个定时器构建喷灌的工作逻辑。 并利用计数器c3 的24 h 逻辑功能，再加计数器c4， 构建有4 个工作状态转变点 （0 h，24 h，48 h 和72 h）的72 h 时钟，用于滴灌的时钟控制。其I/O 分配图如图3 所示。

图3 I/O 分配图Fig.3 I/O distribution

4 结论

自动灌溉监控系统是利用气象因素如风速、雨量、日照量等，土壤湿度理论计算和实际检测相结合。自动完成灌溉水量检测、预留手动干预灌溉控制、通过网络适配器和市话网使可编程控制器与远程的微机相连。利用智能灌溉管理软件实现远程自动控制，这样就使其不仅具有较高的科技含量而且具有较强的实用性。

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