信息化背景下农田水利节水灌溉工程规划设计探讨

薛彦宏 尤立业 吕鸿翔

摘 要 本文论述了可无人值守的信息化农田水利节水灌溉工程，分析了工程的组成、系统功能及程序设计。上位系统动态模拟运行界面，直观、清晰展现各环节运行状态及所有系统参数。通过信号采集、数据处理，利用PLC的PID模块调节泵的转速，实现管道水压恒定，通过土壤墒情的检测，适时灌溉，节水节电，及时高效灌溉并实现增产。

关键词 节水节电;灌溉;增产;PID;信息化;无人值守

1 概述

传统的灌溉系统一般采用明渠输水灌溉，灌溉效果差、水量浪费严重，容易受地形限制。喷灌将输水管道埋于地下，不影响农作物生长，基本不占用耕地面积，无论地势高低变化，都可以适时适量灌溉，避免了水资源的浪费。喷灌与明渠灌溉相比，节约用水能达到40%左右，农作物增产可达20%左右，蔬菜产量可以翻倍。普通的喷灌系统对人的依赖性较大，不能及时判断土地是否需要灌溉，延误灌溉时间。信息化农田水利节水灌溉则是利用信息化处理使整个工程减少对人的依赖，自动识别是否需要灌溉和灌溉需要的水量，实现智能化灌溉。

信息化农田水利节水灌溉工程采用流量、压力、水位等传感器自动连续监测数据，实时将数据传递给信号采集模块，采集模块再传送给CPU，CPU通过比较、运算，同时实时跟上位系统交互信息，通过程序运算自动控制设备启闭，对设备的输出进行控制，调节设备参数，可在上位人为控制调节，也可就地手动控制调节，并实时在上位机及大屏上动态显示[1]。

2 工程组成

信息化农田水利节水灌溉工程主要包括两方面内容：一是外部基础设施，包括管道铺设以及阀门井、仪表井等相关土建;二是自动化控制系统，包括电缆、仪器仪表，电气元器件、电脑、显示大屏等。

2.1 外部基础设施

<！--[if gte vml 1]> <！[endif]-->

基础设施建设服务于控制系统需求，要根据现场情况确定用水量、设备规格、管路及铺设方式、使用材料等，灌溉系统外干管、支管都埋于地下，竖管（又称立管）通过三脚架支撑固定，由潜水泵从井里抽水，通过管道铺设引水。根据喷头的用水量和供水量，在管路中设置相应数量的电磁阀，分批次的自动控制喷灌。

按照就近灌溉、兼顾全局原则，将所有供水主管路联通，并在每片主管网交界处设立一处阀门进行主管路控制。边上喷头都选用180°旋转，角上选用90°旋转，中间全部为360°旋转。在满足喷头工况的前提下，按每个喷头的喷洒半径为15m，行、列间距为20m，喷洒范围交叉覆盖（见喷头布置如图1），实现无盲区喷洒。

管道压力设计最大为0.6MPa，考虑到压力损失，将正常工作压力设为0.25～0.35MPa为宜。以此压力计算，在同时供应两行喷头的状况下，也能使末端喷头达到工作压力0.2MPa。

2.2 自动化控制系统

控制系统采用开放的分布式控制系统，根据工艺流程，整个控制系统由调度室上位系统、控制室PLC工作站和高速数据通道组成，分为两层，第一层为现场自动化层及控制室部分，主要有PLC、检测仪表、电控设备等组成;第二层为上位控制管理层部分，即调度室，主要有上位控制机、打印机、大屏系统图形显示等组成[2]。

调度室上位系统和PLC工作站组成一个有线数据通信网络系统，PLC通过采集模块采集各个运行参数数据、设备运行状态，并对外输出、控制，同时向上位系统进行实时传送。上位系统可调用PLC工作站的全部运行信息，在上位系统可控制现场主要设备的启动和停止。现场PLC工作站通过485通信方式采集各电参数采集器，通过信号模块采集、输入4～20mA信号、开关量状态信号，系统连接采用专业连接端子和电缆，系统设有完备的抗干扰和防雷措施（信息化灌溉系统结构见图2）。

<！--[if gte vml 1]> <！[endif]-->

3 系统功能描述

系统通过压力变送器、水位传感器、管道式超声波流量计、温度计、湿度计等采集信号，然后经过信号隔离器进入PLC系统，通过Modbus RTU协议与电参数采集器通信，采集各个电参数。CPU中央处理器进行PID运算后，对变频输出，控制泵的运行，实现管压恒定，通过条件运算控制阀门的开闭。下位CPU将数据通过以太网通讯模块以高速传输的以太网通讯模式传给上位系统，上位系统将数据以形象的模拟界面在电脑及大屏上实时显示出来，并记录保存，从而实现信息化[3]。

控制系统采用就地控制、远程手动控制、远程自动控制相结合的方式，当切换在其中某一操作方式下时，其他操作方式无效。

上位软件具有以下功能：

（1）动态流程界面，模拟显示整个控制流程，实时显示各个监测数据、设备运行状态。远程手动控制方式时，可以通过上位界面手动操作，来控制设备的启停，可以上位人为操作给定设置某些参数数值;远程自动控制方式时，全部为程序自动控制设备运行状态，各参数给定也均为程序运算所得，无须人为干预，即为无人值守模式。

（2）系统有多个显示界面，相互独立且可相互切换，主界面为整体流程界面，包括各主要设备的状态、主要参数。需要某个设备的详细信息，则可通过鼠标点击进行切换。

（3）可存储采集到的各种数据，数据量的大小按硬盘的容量计算。保存的数据可以按内部时间顺序区分和管理，可以报表、趋势图等形式调用历史记录显示及打印。

（4）系统设有设备故障报警、重要模拟量上下限报警，当设备故障或数据异常，自动弹出报警界面、报警语音提示，并显示故障所在设备，待故障消除，数据正常后，报警自动消除。

4 程序设计

控制系统中采用西门子S7-300系列PLC和ABB变频器，完成对灌溉系统的数据采集和控制，PLC通过数字PID功能控制變频器频率，使供水管供水压力恒定。在自动运行模式下通过检测土壤湿度来自动控制灌溉。考虑系统安全，防止爆管，在压力过大（大于0.37MPa）时，系统会自动停止泵的运行，必须至少开启一个阀门才可开启水泵，否则水泵将不能启动。停止灌溉时先停止泵，再关阀门。变频恒压供水，调整到合适的输出（0～50Hz），为了保护电机，变频运行频率不低于30Hz。当水位低于下限值时报警，同时自动停止抽水。当土壤墒情检测数据低于相应湿度要求时，报警提示启动灌溉[4]。

5 论结束语

信息化农田水利节水灌溉工程可以实现生产现场无人值守和全系统微机化管理，自动化程度高，灌溉均匀，受地形限制较小，并且可以实现自诊断功能。虽然信息化农田水利节水灌溉工程建设投入偏大，在实际应用的工程中已经证明其节水节电、效率高，作物增产明显，具有广泛的推广应用价值。

参考文献

[1] 迟道才.节水灌溉理论与技术[M].北京：中国水利水电出版社，2009：26.

[2] 刘明堂，胡万元，陆桂明.水利信息监测及水利信息化[M].北京：中国水利水电出版社，2019：56.

[3] 李正军.计算机测控系统的设计与应用[M].北京：机械工业出版社，2004：61.

[4] 张根宝，黄敏.工业自动化仪表与过程控制[M].西安：西北工业大学出版社，2006：55.

作者简介

薛彦宏（1980-），女;学历：大学学历，职称：工程师，现就职单位：山东齐盛机电工程有限公司，研究方向：工程自动化设计、施工。