浅析自动化控制技术在滴灌工程中的应用

周仲军

摘要：自动化控制技术在滴灌工程中的应用是一项新型的农业现代化技术，根据水利学设计原理设计的自动化控制系统能够科学的调整滴灌系统和轮灌制度，实现了现代农业集约化经营的要求。文章介绍、分析了自动化控制技术在滴灌工程中的应用，并提出了需要注意的问题和未来的发展方向。

关键词：自动化控制技术 滴灌工程 集约型农业

我国是一个水资源短缺的国家。由于农业灌溉技术水平不高，往往造成了水资源的浪费，且灌溉不能满足农作物生长的需要。干旱缺水已成为制约农业发展的重要因素。灌溉是弥补自然降水在数量上的不足与时空上的不均，保证适时适量地满足作物生长所需要水分的重要措施。以往的农田灌溉都是采用大水漫灌或人工洒水。不但造成水的浪费，而且往往由于不能及时灌水、过量灌水或灌水不足，难以控制水均匀度，对植物的正常生长产生不利影响。建立农业节水灌溉的自动化系统，采用高效的节水灌溉方式已势在必行。一方面可以集中管理，加强控制;一方面可以按时按需定量供水，严格控制灌溉用水量，达到节水用水目的。柳江县成团镇鲁比葡萄基地自动化滴灌工程已于2010年建成，使用的自动化控制滴灌技术初见成效，发挥良好的工程效益和社会效益。因而，探讨自动化控制技术在滴灌工程中的应用，具有十分积极的意义。

一、自动化控制技术在滴灌工程中的应用概述

1.工作原理

自动化控制技术在滴灌工程中的应用，其工作原理是利用布设于田间的设备进行土壤、田间、作物生长信息的监测与采集工作，将采集数据反馈到控制中心，经过系统软件的分析，再将决策传到终端由终端执行灌溉管理指令。例如对含水量信息进行监测，比较灌溉补偿点及饱和点，由中央控制系统的相关软件分析并决定是否灌溉，将开启阀门或者是关闭的信号传输到终端（阀门）控制系统，从而通过阀门的开关实现自动化灌溉。与国际上先进的自动化控制技术相比，目前我国的农业传感器水平仍然比较落后，但土壤水分传感器已经达到同类水平的标准。

2.系统组成

自动化控制技术在滴灌工程中的应用，其系统组成有起分析决策作用的中央控制器和起信息采集、监测作用的相关设备以及电磁阀、田间工作站、阀门控制器或是远程网络终端单位。

中央控制器是整个系统的主站，由微机、系统软件等相关设备、软件构成。微机由计算机、激发打印机、电源控制箱、中央控制器等组成；系统软件有信息采集与处理、显示、记录与报警、阀门状态监控等模块组成，除预测预报之外，系统软件还具备过程监视、报警、过程控制和数据的全过程管理功能，能够实现完全自动控制。

田间信息采集、监测设备是整个系统的根本，依靠传感设备将被测量物的相关信息依据一定规律以信号的方式进行反馈。传感器包括土壤类传感器、作物类传感器、气象类传感器和系统类传感器，分别负责土壤类的温度、水分以及养分，作物类的长势、水分以及养分，气象类的雨量、光照、风速以及蒸发，系统类的水质、水压、流量以及阀门状态等数据资料的采集与监测。

电磁阀根据田间灌溉设计来确定按照个数以及具体位置、间隔，进行田间灌溉的具体控制。

田间工作站需要根据实际需要确定布设数量和位置，如果地形平坦、信号效果好，田间工作站的数量就可以相对少些，覆盖范围可以适当增加；如果地面遮挡物较多，信号效果不好，则应适当加密田间工作站的布设密度。田间工作站是整个系统的中转站，起着连接中央控制器与终端设备的作用。

阀门控制器或是远程网络终端单位是接收并执行田间工作站传递的指令的下端。其与电磁阀直接相连，可以控制不止一个电磁阀，接收指令后控制电磁阀，并采集田间信息传输到田间工作站。

3.子系统配置

自动化控制技术在滴灌工程中的应用，需要根据实际需要配置灌溉自动控制、农田信息监测、作物生长图形采集、水肥智能决策等子系统和网络化管理平台，为用户提供不同层次的管理选择方式。用户可以根据工程条件、项目投资以及管理水平等各方面因素，确定自动化控制系统各层次子系统的配置。

4.灌溉方式

目前，自动化控制技术在滴灌工程中的应用主要有三类灌溉方式，分别是自动化控制、人工参与控制和手动控制灌溉方式。第一种方式受田间信息采集、分析水平的制约，目前還是按照节水工程设计中关于耗水定额、作物需肥、灌溉时间等规定进行自动化控制，通常有根据时间设定轮灌、根据监测结果设定轮灌、根据实际情况进行随机设定轮灌三种。第二种方式根据土壤湿度、气象信息等参数进行人工参与控制灌溉，用户可以根据监测结果用手机等设备实施智能化控制灌溉。第三种方式主要用于系统出现意外时，通过人工手动的方式控制电磁阀开闭，以确保不耽误灌溉、节水节能。

5.控制方法

自动化控制技术应用于滴灌工程中的主要有三种基本控制方法，分别根据时间、水量和反馈进行控制。时间控制是按照设定好的时间进行关放水，水量控制是按照设定好的配水量进行关放水，反馈控制是根据湿度感受器反馈的信号进行关放水。

6.制定灌溉计划

首先，需要制定管理计划来提高农作物产量和质量，降低用水量，提高用水效益。管理计划的制定需要为用户提供完善的作物生产管理系统，保证用户能够了解农田土壤水分状况，从而确定日水分利用量，做出科学的灌溉管理决策，根据农田灌水量需求安排灌溉次序、调整灌溉计划；其次，详细制定灌溉计划，确定灌溉的时机和灌水量，使用土壤水分测定等技术和相关处理软件使灌溉计划更加科学化、合理化、精细化，确保土壤水分保持在农作物生长需要的最佳状态。

7.软件系统

自动化控制技术在滴灌工程中的应用，需要软件系统的支持。通常，软件系统采用便于数据查询、存储、使用的树状结构，管理人员能够借助农田中的各个监测点实时收集相关数据，并通过计算机和相关软件进行处理、显示，为用户提供农作物种植所需的准确、详细资料。另外，还需要显示任何一个监测点某一年份的情况，明确灌溉饱和与需要灌溉的点位以及土壤水分平衡、土壤水分含量、日水分使用、日用水量等情况，预测出再次灌溉的时间、用水量，以保障日常管理工作的准确、高效，为未来制定灌溉计划提供科学、完善、合理的评价标准。

在数据输入方面，读数记录屏可以显示土壤水分张力计监测到的数据、作物籽粒大小等田间数据，以准确计算作物生长所需的水量和灌溉时机。气象数据可以通过人工输入或是气象站自动载入的方式进行数据输入，掌握气象数据能够计算出水分蒸发总量，从而更为合理的制定作物灌溉计划。

软件系统能够准确计算土壤水分达到饱和点需要的时间和水分，计算出作物播种直到成熟收获各个阶段的天数，与往年的作物生长数据进行同步分析，确定作物水分的使用效益和作物总产量。对于玉米、棉花等作物，借助作物—水分方程和气象资料能够较为精准的计算出作物产量，借助速率方程能够计算作物该阶段以及整个生命周期的生长速率，借助土壤水分测定仪器能够指导用户有效利用水资源，最大限度的提高农业效益。

二、自动化控制技术在滴灌工程中的应用效果

1.自动化控制技术在滴灌工程中应用的成效

滴灌工程中应用自动化控制技术能够在现有的滴灌系统基础上，将人工现场作业的工作方式转变为由自动化控制系统完成，通过GSM网络等途径实现滴灌作业的远程控制、自动化控制。例如将球阀更换为电磁阀，可以由中央监控器控制灌溉，避免随意开启、关闭阀门的现象，有利于农田灌溉系统的管理。自动化控制系统能够保证灌溉时间、灌溉水量，实现节水节能的目标，提高设备、能源、灌溉用水的利用率，提高生产效率，节省劳力，并保证了滴灌系统的均匀度和合理性，为作物需水量等农艺技术的进一步研究提供了有效、准确、丰富的科研资料。

使用自动化控制技术，使滴灌系统必要的灌溉水量得到保证、非必要灌溉水量受到控制，并实现了水肥的均匀化，据统计，使用自动化控制技术的灌水均匀度得到了20%以上的提高。以棉花为例，使用自动化控制技术的滴灌系统实现株数提高10%、结铃率提高7%、铃重提高5%的增产效果，每亩节省灌溉水量达到40立方米，管理定额也整整提高了一倍。

2.自动化控制技术在滴灌工程中应用的问题及对策

目前，自动化控制技术在滴灌工程中的应用还面临着成本问题、操作性问题和數据库问题。成本问题方面，控制站、电缆等设施、设备、材料在自控系统的投资中占据70%左右的比例，需要尽量降低控制站建设的数量，努力提高单站的性能和控制面积，暂时忽略田间管理的不便而加强分干管的数量，降低管道直径，以提高整个系统的利用效率，控制管网成本；操作性问题方面，应在确保控制系统性能良好的基础上，简化操作，产品尽量模块化，以减少维护；数据库问题方面，不应局限于示范区，而应结合大田试验研究成果，将数据完整、准确录入，建立专家信息服务平台。

另外，针对自动化控制技术与水利学结合存在的问题，应充分优化设计方案，协调滴灌自动化控制系统；针对自动化与水利施工结合存在的问题，尽量保证二者的同步进行，自动化改造时必须详细查清水利施工资料；针对人员素质存在的不足，需要在降低自动化系统难度、提高可操作性的基础上，积极提高使用者的知识和技术水平，以先进的管理和认真的操作保障自动化管理与操作的水平。

3.自动化控制技术在滴灌工程中的应用前景

自动化控制是滴灌工程发展的必经之路，在总结滴灌管理经验的基础上，用户已明确认识到自动化控制的优势和必要性；我国每年新建及现有的许多滴灌系统都需要实现自动化改造，因而自动化控制技术在滴灌工程中的应用有着极为广阔的前景；在自动化控制技术和滴灌系统相关技术、设施不断完善的基础上，滴灌自动化的经济效益以及社会效益也会随之提高。

总结：

综上所述，自动化控制技术在滴灌工程中的应用，不仅便于田间规范化管理，还在降低劳动强度、解放劳动力、提高劳动效率、节能节水的基础上，有利于实现农作物的增产创收，有助于实现灌溉的自动化，为我国全面实现农业现代化打下了坚实的基础。

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