玉米膜下滴灌工程自动化控制技术分析

王 涛，尹志宏

(1.甘州区水务局乌江水利管理所，甘肃 张掖 734000；2.甘州区水务局大满水利电力管理处，甘肃 张掖 734000)

玉米膜下滴灌工程自动化控制技术分析

王 涛1，尹志宏2

(1.甘州区水务局乌江水利管理所，甘肃 张掖 734000；2.甘州区水务局大满水利电力管理处，甘肃 张掖 734000)

以甘州区党寨镇卅店村四社大田玉米膜下滴灌项目研究为依据，对玉米膜下滴灌和自动控制系统目标、设计原理、设计方案、自动控制系统组成等进行阐述。该玉米膜下滴灌工程自动化控制技术的应用，对确保项目区的农业生产，探索先进的灌溉模式，节约用水，促进作物生长，起到举足轻重的作用。

玉米；膜下滴灌； 自动化控制技术；高效节水；示范区

0 引 言

甘州区2012年被国家确定为甘肃省第四批中央财政小型农田水利重点县高效节水灌溉项目示范区，项目区3 a(2012—2014年)主要建设内容包括发展高效节水灌溉面积4 453 hm2，其中：管灌面积1 993.2 hm2，滴灌面积2 047.6 hm2(其中井水滴灌882.93 hm2、河水滴灌811.33 hm2、日光温室353.33 hm2)。

目前，甘州区发展高效节水灌溉面积1.67 万 hm2，到2015年将达到1.87 万 hm2，占全区有效灌溉面积的26%。节水灌溉工程在甘州区已经大面积得到了推广，应用及管理技术较为成熟。在此基础上发展自动化灌溉技术是精准农业发展的必然趋势。

2012年10月，甘州区依托中央财政小型农田水利重点县项目，高起点建设，将高效节水工程建设技术、计算机技术、自动控制技术、通信技术、传感技术、图像模拟处理等现代先进高科技技术充分融合，建立起了一个实用性强，扩展空间大的综合水利管理信息化平台，在张掖绿洲示范园区党寨镇三十里店村42 hm2大田制种玉米膜下滴灌工程采用了先进的智能化控制系统，介绍如下。

1 系统概述

1.1 自动控制系统目标

1)实现了灌溉自动化与水资源监测的完美结合，达到精确灌溉，节省水、肥、杀虫剂、人工等，基本消除在灌溉过程中人为因素对作物造成的不利影响，提高操作的准确性和高效性，以达到科学管理的目的。

2)地块自成独立的灌溉系统，能够实现自动控制和手动控制灌溉。同时，根据对实时的土壤湿度、气象数据等多项数据的采集自动计算农作物的实际需水量，实现科学精准的灌溉，便于总结丰产灌水经验。

3)在管理区能够直观地监视各地块的灌水情况，并能控制灌溉。通过对首部能效、管网压力的监测实时掌握设备各个环节的能耗损失，得到节能降耗的目的。

4)监测灌溉系统的主要工作参数，对各环节监测数据的分析、收集滴灌系统节水的相关数据，达到节约水源的目的，最大限度利用水资源，同时，流量、压力传感器的应用可自动监测、记录、警示由于输水管断裂引起的漏水及电磁阀故障，保证系统运行安全可靠。

5)可按照设计好的轮灌计划表进行定时定量灌溉，以便提供足够的土壤入渗时间，减少坡地或黏性土地地面径流损失，同时，自动/手动灌溉均可，在阀门上手动启、闭电磁阀，也可在计算机上手动启、闭任何一个电磁阀。

6)各地块的自动化系统可根据需要进行设备调整或更换，便于后期的组合升级。

1.2 设计原理

田间灌溉自动控制系统由中央控制室、泵房首部控制站、田间路由器、阀门控制器、电磁阀、阀状态反馈传感器、田间气象站、土壤湿度采集站、土壤湿度传感器、首部运行监测等构成。

自动化控制系统由一台Pc机与1个大田灌溉控制器相连，Pc机设置在中央控制室，大田灌溉控制器设置在泵房首部控制站，田间分布有无线地址解码器RTU(以下简称“RTU”)，RTU接收Pc机或大田控制器的控制指令(短信指令)，驱动控制分布在地面管网出水口的电磁阀开关， 同时Pc机或大田控制器可以控制井泵的启闭来加压供水，从而实现滴灌系统的自动灌溉。泵房首部控制站与田间路由器、田间阀门控制器、田间气象站、土壤湿度采集站、土壤湿度传感器采用无线通讯。田间电磁阀和阀门控制器之间采用电缆连接。

阀门控制器接受泵房首部控制站的控制信号，控制阀门的启闭，并在阀门状态发生变化时，将真实的阀门开闭状态返回至田间控制首部控制站，使首部控制站得到阀门的实际开闭状态，全面反映实际轮灌执行情况，掌握系统的运行情况，了解田间气象信息、土壤含水率等调整灌溉和灌溉效果的相关参数。

本项目配备有小型气象站和施肥装置，通过小型气象站采集项目区的风速、风向、雨量、光照辐射、大气温度、相对湿度及土壤湿度等气象数据， 通过将采集的数据分析整理， 管理人员可以根据这些数据配合农艺的需要及时调整灌溉时间和轮灌周期，使农作物始终保持最佳的生长状态。基本原理如图1所示。

1.3 设计原则

1)先进性：可以保证系统硬件、系统软件、控制及监测系统应用软件的技术先进性，系统运行时的高度自动化，技术先进。

2)安全性：能够保证系统运行时的高可靠性，达到系统电源、信号接口的安全保护，关键部位出错时的快速切换。可以尽量避免硬件设备被雷电破坏，达到计算机网络安全认证，防止非法访问。

3)扩充性：系统设备的选型和网络的结构可以满足网络扩充的需要和未来应用软件开发的需求。

4)一致性：硬件和软件的选型可以符合将来系统的管理和维护，提供统一的人机接口界面。

5)完整性：系统结构、硬件设备和软件开发符合整个系统的要求。

6)可靠性：不因其本身的局部故障影响现场设备的正常运行，而且系统的可用性指标均达到国家水电、水利行业的规定。

7)开放性：系统预制有通信接口，可实现与其它自动化控制系统根据需要实现信息共享，同时可以与上级部门连接实现信息传递汇报。

8)可操作性：在建成之后易于维护人员管理。

图1 自动控制系统设计原理图

1.4 技术方案

1)可靠性高：不因其本身的局部故障影响现场设备的正常运行，而且系统的可用性指标均达到国家水电、水利行业的规定；零件不易丢失和损坏， 自控系统、过滤器和田间阀门等均可实现无人值机。

2)易用性好：操作简单，好学易用。

3)安全生产：操作安全。

4)费用合理：硬件及软件初期投资合理，后期使用、维护费用低[1]。

5)扩展性强：保留充足扩展空间和能力。

2 设计方案

2.1 田间自动化灌溉模式

本项目按照已制定的灌溉制度作为基本的灌水计划。灌溉计划可以根据作物生长状态，随时在大田控制器和Pc机上进行调。田问阀门按照设计轮灌组进行编组，后期可以调整。大田控制器内部的编组是逻辑软连接，可以重新编制。

土壤湿度传感器和气象站将采集的数据传输给Pc机，经过分析，可以做出灌溉决策。本项目仅将采集的数据作为决策参考。

小型气象站是气象信息数据的采集工具，将采集的数据作为决策参考，科学地指导农业生产。

2.2 自动和手动灌溉模式

2.2.1 大田控制器和Pc机上的远程自动灌溉

在大田控制器和Pc机的屏幕上有全部阀门的状态显示，进行相应键盘的操作，可以选择任意阀门的开闭。

2.2.2 田间手动灌溉

每个田间电磁均有手动开关， 管理人员可以在田问直接开启/关闭各阀门。

2.3 土壤湿度测量

通过田间安装的土壤湿度计， 将作物根系不同生长层的土壤湿度定时测量并通过RTU回传给大田控制器及Pc机， 用户可以随时进行查询。

2.4 数据共享

在管理房的Pc机可以通过互联网进行远程数据传输和共享，可以让农业专家及时地分析田间的实际情况，并提供及时的农艺支持，建立数据模型供有关部门进行方针决策。大田控制器及Pc机记录并统计出每个田间阀门的开启时长、过流量、系统总流量、各种传感器信息、每个地块的灌溉运行记录及运行状况，在管理房都能直观的掌握。

3 自动化灌溉系统组成及各部分功能

3.1 系统组成

根据系统功能划分：决策系统、信号传输系统、应用系统(仪器设备)、能量供应系统(电力供应)。

根据系统组织结构划分：由水务局山洪灾害预警信息中心、龙窝管理站分中心、泵房首部控制站、无线路由站、控制点(无线阀控器、阀门状态反馈传感器与电磁阀)、田间气象站、土壤湿度采集站、首部运行监测的通讯网络等构成。

1)泵站首部控制站：首部控制站主要根据指令或轮灌制度，自动通过无线通讯给无线阀控器下达启闭指令，对电磁阀门进行远程启闭，实施田间自动灌溉。也可以人工干预进行点片灌溉。在必要的情况下，由具有授权的农艺技术人员结合实际情况对轮灌制度进行调整。

2)无线阀控器及路由器：无线阀控器是一个能够对控制指令进行解析和转换的设备，接收首部控制站或路由站转发来的指令，控制电磁阀开关，同时也能向首部控制站反馈电磁调压阀的状态。一个无线阀控器可控制两个电磁阀。

3)电磁阀：电磁阀作为控制支管水流的一种执行器，一条支管上设一个电磁阀。

4)田间气象站：监测田间微观气象，对空气温度、湿度、风速、风向、降水量等五要素进行实时采集，以无线方式传送到首部控制站。

5)土壤湿度采集站：在典型地块的有代表性的位置，设置多个土壤湿度采集点，并在该点不同深度埋设土壤湿度传感器。在灌溉过程中，了解土壤不同深度的土壤湿度变化，非灌溉期间土壤水分流失的规律，分析灌溉间隔、灌溉时长对作物根系水量供应的影响，为制定进一步高效节水的灌溉模式提供基础数据。

6)首部运行监控器：监视首部水泵运行工作电压、三相电流、消耗电量、系统出口压力以及流量等参数。

3.2 工作原理

3.2.1 田间阀控器系统功能范围

田间无线阀控器从首部控制站或信息中心接收命令，开启关闭阀门，并检测阀门的状态反馈给首部控制站和信息中心。无线阀控器通过本地RS232端口来设置网络地址、设备地址、通信通道及各种通信参数如速率、数据位、校验位等。1个无线阀控器可带1个电磁阀。

电磁调压阀开关由正反向直流脉冲电压信号控制，与控制设备连接。要开启阀门时，线圈收到一个直流脉冲信号，使得柱塞堵住进水端口，连同控制腔与排水端口，控制腔排放，阀门开启。要关闭阀门时，线圈收到一个反向直流脉冲信号，柱塞向相反方向移动，堵住排水端口，进水端口和控制腔连通。这样压力水流从阀门进口(上游)充满控制腔，关闭阀门。

3.2.2 泵房首部自动化设备简介

首部控制站通过无线的方式给无线阀控器下命令，无线阀控器接收信号后控制电磁阀的启闭，实施田间灌溉。每个电磁阀平均控制7亩地，电磁阀可以通过接收阀控器的正反向脉冲电压信号进行开关，也可以用手柄人工操作，手炳是可拆卸的，拆卸后不影响电磁阀使用。

首部控制站可与县信息中心(可选)采用GPRS通讯，首部控制站和无线阀控器之间采用无线通讯，无线阀控器和电磁阀之间采用电缆连接。

3.2.3 气象站及田间监控设备功能简介

田间气象站监测田间空气温度、空气湿度、风速、风向、及降水量等五大要素，为农业生产和灌溉提供气象信息。

田间视频监控设备是用来监控田间农作物和整个局面的，监控头在中央监控室控制下可以自动旋转，平行旋转角度360°。竖直旋转角度9°。

3.2.4 土壤湿度采集站

无线土壤湿度采集站可定时采集土壤含水率数据，并向首部控制站发送。无线阀控器通过本地RS232端口来设置网络地址、设备地址、定时采集时间间隔等。1个无线土壤湿度采集站可接做多4个湿度传感器。

4 自动化灌溉系统主要设备的安装与调试

4.1 首部灌溉自动控制器的安装

首部灌溉自动控制器共1套，首部灌溉自动控制器安装在泵房内，其距离最远的路由器RTU的直线距离小于无线传输半径2 km。控制器应安装在室内安全的地方，室外架设无线通讯用天线杆，高度≥8 m。雷雨多发区应安装避雷系统。天线接口与首部灌溉控制器天线接口连接牢固。首部灌溉控制器电源为220 V，50 Hz。

4.2 无线路由器RTU的安装

无线路由器RTU将RTU、太阳能、无线通讯集成安装在田间站上。

安装顺序：将集成的田间站安装在田间RTU的几何中心线上，将无线路由器RTU安装在田间站上，最后将蓄电池按正极接正极，负极接负极连接到无线路由器RTU上。无线路由器RTU应保证与所属的田间RTU地址要一一对应，应和设计图纸对应的地址一致。无线路由器RTU天线杆的架设：将3 m长吸盘天线安装在8 m高的安装杆的托盘处即可。

4.3 无线田间阀控器RTU和电磁阀的安装

无线田间阀控器RTU将RTU、太阳能、无线通讯集成安装在支架杆上。

安装顺序：将集成的支架杆插入田间电磁阀的旁边，然后将电磁阀的线接入无线阀控器F1和F2通道上(注意正负连接正确)，反馈传感器的线接到S1和S2通道上。并将反馈传感器接到电磁阀的出口处，最后将锂电池上电，无线田间阀控器RTU安装时注意RTU地址要一一对应，应和设计图纸对应的地址一致。电磁阀安装前应对电磁阀的规格型号进行复查，阀体内应保持清洁，不得混入杂物。电磁阀与PVC三通用￠110的法兰连接，法兰之间必须加载合格的胶垫。阀体上的箭头应与管道中介质流动方向一致。电磁阀安装时须垂直于水平管道，线圈朝上，倾斜度不允许超过30°，否则不能保证阀口密封。

4.4 土壤湿度监测站的安装

土壤湿度监测站安装位置要求离滴灌带10 cm，安装深度分4层15 cm、30 cm、45 cm，60 cm。 安装位置的选择要有代表性。土壤湿度监测站采用太阳能板供电，续航供电时间为6昼夜，内部软件可设置采集湿度的间隔时间，从0.1～10 h均可。安装完成后可在首部控制器进行监测。

4.5 气象站的安装

气象站一般安装在开阔的地方，固定在直径40mm的铝合金安装支架上，高度2 m左右。气象监测站由气象传感器、无线采集器、太阳能供电系统、铝合金安装支架，室内监测仪表等组成。无线采集器采集气象数据，并通过无线微波发送数据到监测中心。太阳能供电系统：包括太阳能电池板、充放电控制器、充电电池组，保证采集系统的能量供给，在持续阴雨天连续工作长达15 d。

4.6 系统调试

1)通讯调试：将无线路由器RTU及无线阀控器RTU正确安装，并保证电源正常接通，测试RTU是否正常，当无线路由器RTU及无线阀控器RTU都通讯正常时，打开首部灌溉控制器及首部监控中心，此时首部灌溉控制器及首部监控中心与无线阀控器RTU进行通讯，并在信息窗口显示。

2)灌溉调试：将电磁阀的手动开关置于自动位置，田间主管道内压力由变频控制在不大于最大工作压力值。打开首部灌溉控制器和首部监控中心，对系统中的每一个电磁阀进行手动操作开/关，当电磁阀手动打开后，待1 min左右，支管地块变为绿色，说明电磁阀打开，支管正常进水，否则要到田间检查该电磁阀，排除故障。

3)首部运行监视器调试：打开首部监控中心首部画面的手动模式，手动打开和关闭水泵，检查首部水泵运行是否正常，电压、电流能否正常采集，直至调试正常为止。

4.7 灌溉系统的操作和灌溉程序的编制

灌溉系统的操作分为手动模式和自动模式：

1)手动模式用于灌溉系统测试和操作灌溉程序员水平较低的情况下使用。进入手动模式，点击要打开或关闭的电磁阀，屏幕弹出对话框，选择要操作的菜单即可。

2)自动模式用于对灌溉系统比较熟练和对地块的灌溉要求比较高的情况下使用。

a)以土壤湿度为主参数进行自动灌溉：系统设有土壤湿度传感器对典型点的土壤湿度进行连续的测量，以多点土壤湿度指标为主要依据进行自动灌溉，灌溉量按地块面积比例均匀分配到每个轮灌区，由田间灌溉控制器自动执行灌溉任务。

b)以预先制定程序为主进行自动灌溉：系统允许操作人员预先设定一段时间(可以是一次也可以是整个灌溉期)的灌溉计划，系统按照该灌溉计划自动进行灌溉，同时根据近期天气情况(和降水量)对灌溉计划进行修正，最后系统将修正后的灌溉计划传给田间灌溉控制器自动执行灌溉任务。

该项目2012年实施，系统利用率高，节省时间，节省人力， 增产效果显著，具有优越的示范代表性，实现工程管理规范化、自动化、数字化，贯彻精准灌溉、科学灌溉的指导思想，使该系统高效可靠、先进实用，从而实现田间灌溉工程管理现代化，亟待大面积推广。

[1]王坚，李巍.玉米膜下滴灌工程自动化控制技术分析[J].硅谷，2012(07)：210-211.

Automation Control Technology Analysis of Corn under Film Drip Irrigation Engineering

WANG Tao1and YIN Zhi-hong2

(1.Wujiang Water Conservancy Management Branch of Ganzhou District，Zhangye 7304000,China; 2.Daman Water Conservancy & Power Management Branch of Ganzhou District， Zhangye 7304000,China)

Taking the corn under film drip irrigation project research conducted at Sishe field，Sanshi village，Dangzaidian town Ganzhou district as the basis，the corn under film drip irrigation automatic control system target,design principle，design scheme，an automatic control system are elaborated.The application of the corn under film dripping engineering automation control technology plays a vital role in ensuring agricultural production，exploring the advanced irrigation patterns，water conservation，promoting crop growth in the project areas.

under film drip irrigation；automatic control technology；high efficient water-saving demonstration district

1007-7596(2015)01-0004-05

2014-04-12

王涛(1978-)，男，甘肃张掖人，工程师，从事灌溉工程管理、水利水电工程勘测设计、工程造价与监理、节水灌溉研究工作；尹志宏(1974-)，男，甘肃张掖人，助理工程师，从事灌溉工程管理、节水灌溉研究工作。

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