自动化控制在滴灌工程中的应用

2011-04-12张珀浩

时代农机 2011年7期

张珀浩

（新疆天业节水灌溉股份有限公司,新疆石河子 832014）

1 自动控制系统的组成

滴灌的自动控制系统包括水源、首部控制装置、测量的仪器仪表、配水管网以及远程监控服务器、现场控制站和电磁阀、控制电缆、相关软件等。自动化控制系统无需像智能控制系统那样在现场设置传感器，相关技术人员利用电缆在系统首部操作灌溉触摸屏，来实现对现场给水栓电磁阀开关的控制，从而确定出灌溉的时间、水量以及灌溉周期。对于面积较大的自动控制系统来说，因为相距较远，所以最主要的问题就是如何在控制中心与各执行机构间实现可靠、经济的通讯。

2 自动控制系统的通讯方式

在自动控制系统中，控制中心以执行机构的通讯方式有线传输电信号、有线传输液力信号以及无线传输无线电信号三种。

（1）有线电信号传输。这种传输方式的执行机构为电液联合阀或者电磁阀，以电缆线为通讯载体。电缆线可以采用两种方式实现对电磁阀的控制，其一是接受开关信号的电磁阀门，即电信号为控制阀门开、关的指令，且执行该指令所需的能量由电线提供，因此相对来说比较节约电能。另外一种方式是连续通电对电磁阀门进行开、关的控制，即通电状态阀门一直处于开启或者关闭的状态，在断电开启或关闭阀门。该方式控制器是对电磁阀进行直接控制。采用电缆线进行通讯，系统不易受到外界因素的干扰，提高了系统的可靠性，并且传输数据的量也比较大，无论是设计还是施工都相对方便。不过传统的电缆线控制要使用大量的电缆线，现在利用现场总线技术进行控制，大大减少了电缆线的用量，降低了系统的成本。

（2）液力线传输。液力线传输方式的执行机构是液力阀，以液力线为通讯载体。液力线同样通过两种方式实现对液力阀的控制，其一是利用接收开关信号的阀门，即以控制阀门开、关的指令作为水力信号，阀门的开、关动作所需能量来自于系统的水压；其二是利用连续供水力的方式对阀门进行开、关的控制，即通水状态阀门一直处于开启或者关闭的状态，阀门在断水后进行开启或者关闭。上述两种方式中，液力线与控制中心间的通讯所采用的是中间控制单元RTU，其与整个系统控制中心的通讯是由电缆线的方式来实现的。利用液力线传输的方式进行系统通讯，其安装工序相对简单，劳动强度低，且线路的维护与检测均比较容易，但是液力信号在传输过程中，如果遇到复杂的地形则使用不便，并且容易受到外界因素的干扰，现场的RTU只可对执行机构发送开关命令而无法监测，因此相对而言这种通讯方式的经济性及可靠性均相对较差。

（3）无线信号传输。该传输模式的执行机构为电磁阀或者液力阀，以无线电信号为载体。无线电控制所采取用的阀门要可以接受开关信号，而阀门开、关的命令即为无线电信号，其所使用的能量来自于蓄电池，因此致对蓄电池的容量作定期检查，以保证系统运行正常。现阶段常见的通讯方式也有两种，其一是控制中心向电磁阀直接发送通讯信号；另外一种则是结合有线方式，即从控制中心到现场无线RTU的通讯方式为无线信号传输，而RTU到电磁阀则采用有线方式。前者大大降低了灌溉现场的电缆用量，减少了系统成本，不过需要设置专用的无线控制阀门，其中装设有无线电信号的发射与接收器以及电源，所以该无线控制阀门的成本比较高。而后者所采用的阀门及线路均与前两种方法一样，只是从控制中心到RTU的线缆数量有所减少。不过应用该种方式需要向无线电的管理部门申请频点，批准后才能使用，而且每年要缴纳一定费用；并且传输数据的速率也不是很高，易受外界干扰，比如信号的频率相同，或者有高大的建筑物、密林等会对信号的正常工作产生干扰，甚至天气环境恶劣也会直接影响到无线信号的传输。采用无线方式实现系统控制中心到现场设置的通讯，而现场的RTU到电磁阀的通讯则通过有线方式与自动化控制系统的连接来实现。无线方式通讯自动化控制系统对单片机进行模块化软件管理，把滴灌技术、湿度传感器技术、无线遥控技术以及现场智能控制阀和自动控制中央管理系统等进行综合、统一，再结合农业生产的实践经验，从而提高系统的可靠性、适用性及经济性。该系统的主要组成部分包括中央控制器、现场自动控制阀、泵站运行监控设施、数传电台以及中心控制计算机等。系统的首部管理房内设置灌溉控制箱、操作触摸屏以及变频柜和移动式编程器等主要电子设备，对现场的灌溉情形进行实时的监测与控制。整个系统可以分为四个单元，其一是中心单元，其主要设备包括计算机、通讯控制器以及稳压器；其二是首部单元，主要设备有滴灌控制箱、变频柜、超声波流量仪；其三为通讯单元，设备包括无线收发设备；其四即为现场控制单元，设备有阀门远程控制器、电磁阀以及连接电缆等。

3 自动化控制系统的运行

3.1 滴灌系统的结构及运行

自动化控制系统对灌区的实时控制是通过电脑控制中心来实现的，而水源则是地表水与地下水相结合共同提供。主要的过滤设备为砂石过滤器，潜水泵作为泵站的水泵；主干管、分干管选择高密度聚乙烯PE管材，埋深0.3m，而毛管则选用厚度在0.2mm左右的滴灌带。管材的使用年限在3年左右，过滤器自动冲洗。

3.2 滴灌自动化控制系统具体运行方式

（1）四场滴灌自动化控制系统的运行。滴灌自动控制系统的管理区域，如果地面水的出水量可达每小时280m3，则一条支管分配到的水量为每小时80m3；每次主控部分控制四条支管的开启，对现场划分好的灌溉小区进行灌溉。灌溉方式则为微机控制的自动轮灌模式，每个灌溉小区的实际控制面积相当于一条主管道的控制面积。在进行实际操作时，要按照传感器所传回的土壤水分情况与自然因素等相结合，再利用系统的相关软件加以分析，最终确定出实际的灌水时间、次数及水量。

（2）五场滴灌自动化控制系统的运行。五场滴灌系统中，对现场的控制是通过多个自动调压阀来实现的。首部过滤器为叠片式，流量为每小时600m3，两台每小时300m3的潜水泵进行供给。将现场的电磁阀全部启动。如果流量达到每小时300m3，则现场电磁阀启动一半即可，然后如此往复却覆盖区实行轮灌。同样实际的操作是要按照传感器所传回的土壤的水分情况结合自然因素，再利用系统软件加以分析，最终确定出灌溉的时间、水量及周期等。