8DYP-315型电动圆形喷灌机研究与田间监测

张　平，王全喜，程锦远，李永龙，翟改霞，钱　旺

(中国农业机械化科学研究院 呼和浩特分院，呼和浩特　010020)



8DYP-315型电动圆形喷灌机研究与田间监测

张平，王全喜，程锦远，李永龙，翟改霞，钱旺

(中国农业机械化科学研究院 呼和浩特分院，呼和浩特010020)

摘要：阐述了8DYP-315型电动圆形喷灌机的设计与研发，并通过安装在8DYP-315型电动圆形喷灌机上的远程数据监测系统、远程启停系统及调频控制系统，实现对圆形喷灌机运行状态及作物生长环境相关数据的实时监测与控制，保证喷灌机与实施地水源、土壤、气候、作物、地形及经济性等多方面因素的结合。同时，分析采集到的监测数据，掌握了地下水位变化、土壤不同土层含水率变化及喷灌机运转状况等影响作物生长的因素，改善了圆形喷灌机在信息化实时监控方面的不足，保障了圆形喷灌机示范工作的推进。

关键词：圆形喷灌机；数据采集；远程监测；调频控制；实时监测

0引言

电动圆形喷灌设备体积庞大、功能复杂，集合了水利、机械、车辆、自动化、农作物及土壤学等众多学科技术。如果要使电动圆形喷灌机发挥出增产致富的效力，必须充分考虑到电动圆形喷灌机与实施地水源、土壤、作物、地形、气候及经济等多方面因素的适应情况[1-2]。近几年，很多地区在推广应用圆形喷灌机灌溉大田作物过程中，暴露出了诸多问题，如没有充分考虑到自然降水量及地下水位变化等因素，造成地下水位越来越低，水越抽越少的情况；没有充分考虑到作物不同生育期内需水要求及灌水定额等，未正确地实时调整喷灌机的工作运行参数，使喷灌机没有真正发挥效益；没有考虑到喷灌机的电量使用情况，致使很多农牧户觉得耗电量大，后期停用圆形喷灌机等。这些因素影响了电动圆形喷灌机的灌溉质量及效率，导致作物减产，阻碍了电动圆形喷灌机的推广应用[3-4]。

1整机结构及工作原理

1.1　8DYP-315型电动圆形喷灌机结构及参数

8DYP-315型电动圆形喷灌机由中国农业机械化科学研究院呼和浩特分院研制，其结构由中心支轴、桁架跨体、塔架车、带尾枪的末端悬臂及远程监控系统5大部分组成[5]。中心支轴通过地角螺栓或者锚链固定在混凝土基座上，作为整个设备旋转的中心枢纽。中心支轴出水口一端连接带有喷头的桁架跨体，两两桁架跨体之间又通过行走塔架车依次相连，在末端的塔架车上伸出一带有尾枪的末端悬臂，扩大其喷洒面积；控制柜安装在中心支轴上，用来控制设备的运行及水量控制等；远程监控系统也安装在中心支轴上，用于实时监测和远程控制地块数据及喷灌机运行状态[6]。8DYP-315型电动圆形喷灌设备结构技术参数见表1，设备示意图如图1所示。

表1　设备主要技术参数

1.2　工作原理

8DYP-315型电动圆形喷灌机的中心支轴通过地角螺栓或者锚链固定在混凝土基座上，作为整个设备旋转的中心枢纽，中心支轴竖管底部的90°弯头是设备的供水口，水流经中心支轴竖管与旋转弯头进入主管道，通过主管道的输送，经由安装在其上的喷洒竖管到达喷头，喷洒到地块上。设备的运转通过塔架车的行走得以实现，多跨装有喷头的桁架跨体支承在若干个塔架车上，之间用柔性软管联接，以适应坡地作业。在每个塔架车上，配有防水电机作为行走动力，还配有电控同步系统用来启闭塔架车上的电机。喷灌机运行时，在电控系统控制下最先启动末端塔架车上电机，当相邻两个桁架形成一个不大于1°角的工况时，塔架车上端塔盒内同步控制机构起作用，启动相邻塔架车上的电机，塔架车就依次运转起来，绕着中心支轴旋转，从而实现了圆形喷洒作业[7]。

1.中心支轴　2.桁架跨体　3.塔架车　4.末端悬臂　5.远程监控系统

2关键部件的设计

2.1　中心支轴处多附唇形旋转密封

中心支轴部分的关键部件是唇形旋转密封，其密封好坏直接影响了喷灌机的供水情况，本设备的密封处采用了多附唇形密封机构。工作时，水自下而上流动，水从中心支轴竖管流经多附唇形密封圈时，在水压作用下，撑开多附唇形密封圈的下侧及内侧锯齿形附唇，保证内侧多层锯齿形附唇与中间套管紧密贴合，下侧锯齿形附唇与中间竖管紧密贴合，从而确保管路密封性能，具体结构如图2所示。

1.中间套管　2.多附唇形密封圈　3.中心支轴竖管

2.2　塔盒内同步行程导杆机构

由多跨体组成的电动圆形喷灌机在运转过程中，通过控制末端塔架车来控制设备的整体运行，只有当末端塔架车开始行进时，其他塔架车才会间断移动。因所有运行塔架车上的电机转速都相同，所以每个更靠近中心支轴的塔架车上的电机运转的时间要成比例的缩短；当末端驱动塔架车开始行走时，其他的驱动塔架车才会间断的移动，这样才能够使所有的跨体都保持在一条直线上[8]。为了保证这一点，就需要有保持设备各跨体运行同步的机构，即同步行程导杆机构。该机构主要由行程导杆、转轴、爪形凸轮盘、微动开关①、微动开关②及电机接触器等部分组成，如图3所示。

1.电机接触器　2.转轴　3.行程导杆　4. 微动开关②

除了末端塔架车外，其余每个塔架车的跨体外侧都安装着行程导杆，导杆的一端连接在塔盒底部的一根转轴上，能够进行小距离的移动，转轴上端连接着一个爪形凸轮盘。当末端塔架车开始行进时，和末端塔架车临近的塔架车(即倒数第2跨)上的行程导杆开始被慢慢旋转，通过转轴带动爪形凸轮盘进行转动。这个爪形凸轮盘控制着行程开关的开启与闭合，从而造成电机接触器的触发或停止，并且输送或断开电源给塔架车下端的减速电机，使这个塔架车赶上末端塔架车，从而使这两个跨体保持在一条直线上。当倒数第2跨一开始移动时，又使倒数第3跨的塔架车造成了新的角度偏差，触发电机接触器的吸合，引发倒数第3跨的运行。这个循环往复的过程使每个塔架车按照特定的时间开始动作，使得各跨体一直保持在一条直线上。

2.3　远程数据监测系统

电动圆形喷灌机的远程数据监测系统是集数据采集与远程传输功能于一体的精准灌溉系统，不仅可以实时监测农田的空气温湿度、土壤温湿度、光照及现场拍照等与作物生长相关的环境参数，更能通过网络将监测数据及喷灌机的实际运行状况实时输送到用户手中，为用户及时调整农艺及灌溉制度提供数据资料，有效降低田间现场的环境管理风险。远程数据监测系统由数据采集系统和数据远程传输系统组成，远程数据监测系统原理图如图4所示。

其中，数据采集系统由环境温度传感器、环境湿度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、光照传感器、摄像头、太阳能板及外接电源等组成，可以实现对农田作物生长环境参数的采集，实物如图5所示。

图4　喷灌机远程数据监测系统原理图

Fig.4The principle diagram of the sprinkler remote data monitoring system

图5　远程数据监测系统

数据远程传输系统由PC机、防水箱、DTU模块及供电电源等硬件设备及无线数据传输平台组成。配置参数的PC机与DTU连接原理图如图6所示。

图6　数据远程传输系统

2.4　远程启停系统

电动圆形喷灌机的远程启停系统是基于GPRS数据传输和MCGS组态软件模块，以PC机或手机短信的形式远程遥控喷灌机的启停，用户在未到达大型喷灌机现场的情况下，可以通过该系统远程启停喷灌设备，方便对喷灌机的实时操作。远程启停系统主要由现场传感器、数据采集模块、预装有MCGS嵌入版的触摸屏电脑、GPRS无线数据传输模块、上位PC机、MCGS通用版组态软件和相应的应用软件等组成，原理如图7所示。

远程启停系统还附带有短信报警功能。短信报警终端通过开关量输入节点与远程监测系统连接，设定初始值后，当监测数据超过设定值时，控制终端发送警报短信给用户手机，确认警情；然后，用户可以选择性的用自己的手机发送控制指令启停喷灌机。所有通信都基于无线通讯，只要有手机信号就可以实施通讯，进行远程遥控。

图7　远程启停系统原理图

2.5　调频控制系统

在电动圆形喷灌机运行过程中，由于灌溉面积、农作物生长要求及用水目标等因素的不同，水的应用情况也有所不同。在实际运行过程中，仅通过出水口调节阀的节流来控制喷灌系统管道压力，会增加管道阻力，造成电能的较大浪费。本设备是通过变频技术控制喷灌机供水水泵电机的启动电流，使输水管道中的水压保持恒定或产生微小波动，实现限制水泵启动电流，稳定工作水压的目的，从而提高喷灌均匀度，同时大大降低能源消耗。

电动圆形喷灌机的调频控制系统主要由PC机、变频器、压力传感器等硬件及组态软件开发平台等组成，原理如图8所示。

图8　调频控制原理图

3田间监测

3.1　田间监测地基本情况

田间监测地位于内蒙古鄂托克前旗昂素镇哈日根图嘎查，属于中温带温暖型干旱、半干旱大陆性气候，冬寒漫长，夏热短促，干旱少雨，风大沙多，蒸发强烈，日光充足；多年平均降水量为260.6mm，降水量年内分配不均匀；7-8月降水量一般占年降水量的30%~70%，6-9月降水量一般占年降水量的60%~90%。

该监测地在当地具有代表性，土地面积连片平整，有农业生产需要的基本机械设备，牧区牧户有多年使用大型喷灌机的知识和经验，有较好的大型喷灌机运行及维修条件；水源有保证，电力供应充足，电压满足设备作业要求；土壤条件满足农业生产的要求，有无限通讯网络，方便喷灌设备远程智能信息化监测的实现。

3.2　田间监测内容

3.2.1地下水位及土壤含水量的监测

通过在8DYP-315型电动圆形喷灌机的供水井处放置水位传感器，实现对地下水位的监测，从而分析得出喷灌对地下水位的影响程度。同时，通过在距离地表分别10、20、40、60cm不同深度土层上埋设水分传感器，实现对不同深度土层土壤含水量的监测，掌握喷灌对不同深度土层土壤含水量的影响。根据采集的数据，分析得出变化曲线，具体监测数据变化曲线分别如图9和图10所示。

图9　地下水位变化曲线

图10　不同土层土壤含水量变化曲线

根据地下水位监测数据显示：在5-8月期间，地下水位变化较缓，水位大致在距地表以下350cm左右波动，表明该处喷灌强度不超过土壤入渗速率，地下水量能够及时自动补给、水量充足，完全能够保证作物生长需水；从8-10月中旬，该地区进入雨季，自然降水量增大，地下水补给速率大于灌溉用水速率，地下水位上升，最高时地下水位可以达到距地表260cm左右，充分说明该地区的喷灌强度对地下水位变化影响不大，不会造成地下水位越来越低，水越抽越少的情况出现。

从0～30cm浅层土壤含水率变化趋势可以看出：喷灌机刚开始灌溉时，土壤含水量显著增加，灌溉10天以后，土壤含水量开始逐渐下降，到6月底土壤含水率降到最低点8.5%左右，说明该监测区土壤保水性较差，水分不容易聚集，对生育期内需水量较大的作物而言，应提高灌水定额。对比0~30cm与40~60cm不同深度土层，可以得出0～30cm浅层土壤含水量明显高于40～60cm深层土壤含水量，充分说明了对作物的水分补充主要集中在土壤表层。虽然土壤保水性较差，水分易下渗，但不会产生深层渗漏，这将有效提高作物生长期水分利用率，保证农作物的正常生长。从曲线可以得出，该处的田间最大持水量大致在10%～11%左右。

3.2.2电动圆形喷灌机运行状况监测

通过对8DYP-315型电动圆形喷灌机和维蒙特圆形喷灌机的运行状态进行对比监测，分析安装和未安装调频控制系统对设备节水与节电效果的影响。同时，应用远程数据采集系统对作物的生长环境进行了监测，为进一步的科学灌溉提供数据支撑。设备运行监测数据统计如表2所示；作物的生长环境因子监测数据如图11所示。

表2　设备运行监测数据统计表

图11　作物生长环境因子监测数据

通过数据分析得出：8DYP-315型圆形喷灌设备相比维蒙特圆形喷灌机而言，节电30%左右，节水10%左右。节电的主要原因在于调频控制系统的使用。未安装调频控制系统时，水压不能调节，水压处于最大值；安装有调频控制系统可以使水压由原来的35psi调整为20psi，等同于电机功率的下降。电机的功率与水泵叶轮转速成正比立方的关系，在保证喷灌机喷头雾化的条件下，合理减低水泵叶轮转速，会使水泵功率迅速下降，从而实现节电。另外，由于水压降低使单位时间内喷头的出水量减少，可以使喷灌机低速慢行，导致喷灌机行走电机更多时间处于非运转状态，起到节电效果。节水的主要原因在于：同时安装有土壤湿度传感器和调频控制系统会使灌溉更加合理，有了灌溉的尺度，方便控制，不会出现过量灌溉。由于喷灌机是用走走停停的办法控制行走速度的，所以适当的调低水压，可以使出水速度减小；即使喷灌机行走速度减慢，但使得喷洒更加均匀，灌溉过程避免出现地表径流，更合理地利用水资源。

同时，调频控制系统还可以起到稳定电流和水压的作用，杜绝了水泵启动带来的喷灌机电源跳闸现象的发生，保证使喷灌机始终工作在水压恒定的合理状态，节电节水，运行可靠。

4结论

设计并研制了8DYP-315型电动圆形喷灌机，该喷灌机具有以下特点：①中心支轴旋转密封处采用多附唇形密封技术，可提高设备密封性能及防止管道漏水；②圆形喷灌设备配备了智能喷灌设备远程监控系统，提高了自动化程度，实现了通过网络或手机的远程数据监测与控制；③研发了精准灌溉控制系统，采用变频技术，对水泵电机的启动电流及水压进行控制，限制启动电流，稳定水压，起到节电、节水效果。

通过对监测区内进行喷灌设备信息化监测，更准确地掌握监测区内电动圆形喷灌机的运转情况及灌溉土壤的数据情况。其中，远程数据监测系统实现了喷灌机现场空气和土壤温湿度的监测、喷灌机的水压、水位、流量、电量及运行情况等数据的监测。这为电动圆形喷灌设备运行稳定性及实现作物生长农艺要求提供了基础性保障。

参考文献：

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[5]郑耀泉.喷灌与微灌设备[M].北京：水利电力出版社, 1998.

[6]周立华,仝炳伟.时针式喷灌节水试验示范区喷灌效果分析与研究[J].节水灌溉,2008(6):24-26.

[7]严海军,金宏智,李军叶,等.圆形和平移式喷灌机塔架车的纵向稳定性[J].农业机械学报，2005(11)：48-51,17.

[8]苑严伟,徐海港,姜金铸,等.电动平移式喷灌机行走同步控制与仿真[J].科技导报,2010,28(14):80-84.

Abstract ID:1003-188X(2016)11-0209-EA

Study and Field Monitoring of 8DYP-315 Type Electric Circular Sprinkler

Zhang Ping，Wang Quanxi，Cheng Jinyuan， Li Yonglong，Zhai Gaixia，Qian Wang

(Hohhot Branch of Chinese Academy of Agricultural Mechanical Sciences, Hohhot 010020, China)

Abstract：The design and research of 8DYP-315 type electric circular sprinkler were expounded in the paper. And based on the systems installed on the 8DYP-315 type electric circular sprinkler such as remote data monitoring system, remote start-stop system and frequency modulation control system,the real-time monitoring and controlling on the the related data of the crop growth environment and the running stat of the sprinkler were supervised. And in this way, it could guarantee a combination of the sprinkler and factors that influence the crop growth such as ground water, soil, climate, crop, topography and economy. At the same time,by analyzing the monitoring data,the factors that influence the crop growth such as the changes of underground water level, the soil moisture content changes of the different layers and sprinkler operation condition and so on were mastered. So that the circular sprinkler’insufficient in the aspect of information real-time monitoring can be improved,and the further promotion of circular sprinkler demonstration will be ensured.

Key words：circular sprinkler； data collection； remote monitoring； frequency control； real-time monitoring

中图分类号：S275.5；S49

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)11-0209-05

作者简介：张平(1983-),男,内蒙古扎兰屯人,工程师,硕士, (E-mail)zhangping11112007@163.com。

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目(2014BAD06B04)

收稿日期：2015-10-12