基于桥面绿化滴灌系统的自动控制技术研究

张晨东

摘要：为节约水资源，农作物灌溉采用滴灌这一先进节水灌溉技术。本文是在桥面绿化工程中采用的开环控制滴灌系统的基础上，对控制系统进行软硬件设计改进，实现滴灌自动控制，将控制系统升级为闭环控制，能对农作物生长的土壤湿度、温度等进行自动监控，从而实现按需精准灌溉。本滴灌系统不仅有效解决桥面绿化的灌溉问题，还可以推广到大面积农作物种植灌溉中，具有广阔前景。

关键词：滴灌 节水 自动控制

中图分类号：TP368 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）05-0000-00

随着城市建设进程的不断推进，桥梁已遍布大小城区，桥面的绿化也成为城市的一道风景。因此，桥面绿化灌溉问题也随之而来了。传统的做法是洒水车上路进行浇灌，不仅效率低，耗费人力、物力大，浪费水资源，影响交通，且很难根据植物的需求及时补水，从而造成绿化植物枯死率高，进一步提高绿化成本。因而，桥面绿化灌溉问题亟待解决。

采用滴灌系统灌溉，可以节约水资源，是当今世界上最先进的节水灌溉技术之一，它是利用滴灌系统设备，通过低压管道系统与安装在末级管道上的滴头，将植物生长所需要的水分以较小的流量均匀、准确地直接输送到植物根部附近的土壤表面或土层中。目前，世界上已有100多个国家使用滴灌技术，滴灌技术一般以人工控制为主，利用一些简单的观测设备装置，设备成本较低，但无法全面准确地根据植物需水状况、生长状况和周围的环境情况进行浇灌。因此对控制系统还需进一步改进提高。

1 滴灌系统组成

滴灌系统包含以下几个组成部分：水源、首部配置、输水管网、尾部灌水器设备以及各种测量显示仪表等。如图1所示。

1.1水源

江河、湖泊、池塘、水库、井水等，水质符合滴灌要求的都可以作为水源。厦门杏林大桥滴灌系统的水源由于条件限制，无天然水源，由市政给水管网供水，并建造一个容量为12m3的水箱。杏林大桥为跨海大桥，桥面高度高，水箱位置不宜太低，以尽量减少与桥面的高度差。

1.2首部配置

首部配置主要由增压泵、施肥罐、过滤器、压力表、流量计及若干个阀等组成。其作用是从水箱取水、加压后将水经过滤（或与肥料混合）进入浇灌干管，供滴灌使用。

1.3输配水管网

首部配置处理过的水经干管、支管，进入毛管，按照要求分配到每个灌水单元及滴管。

1.4尾部设备

尾部设备是滴灌系统的关键部件，包括毛管和与之相连滴头，将滴灌系统上游送来的压力水变成滴状渗入作物根部或指定部位。

2 控制系统

目前厦门杏林大桥滴灌系统的控制部分是半自动控制模式。人工控制水泵、阀门的开闭，根据经验决定灌溉时间。如每两天灌溉一次，每次灌溉30分钟等。现场控制器安装有雨量传感器，降雨自动停止灌溉。对土壤的干湿程度无法精确掌握，仍会造成灌水不足或过量灌溉，且浪费人力，生产效率低下。故对控制系统做进一步改进。

应用无线传感器技术，采用工业以太网构建信息管理系统，通过传感器采集作物和土壤水分等信息，进行分析，通过预先编制好的控制程序进行运算处理，然后发出灌溉命令传送到现场，自动控制电磁阀等执行机构进行灌溉，形成计算机自动控制的闭环系统。

整个控制系统包括三层网络系统，现场的无线传感器网络（管理级）、中层的现场总线PROFIBUS-DP网络（监控级）和最上层的工业以太网（管理级）。如图2所示。

2.1现场级

根据具体作物面积及分布范围，设置若干个无线DP从站（根据杏林大桥绿化带长度可设置5个），通过现场安装的无线传感器采集土壤的湿度、温度、光照强度、水压力等信息，上传至上一级控制系统，同时也接受来自控制中心的启闭电磁阀的指令，执行浇灌任务。

2.2监控级

以工业计算机为硬件基础，利用工业组态软件WinCC实现测控管理，结合STEP7软件及WinAC软PLC等对滴灌数据信息进行接受处理，集中到一台PC机上，同时接受来自监控系统的滴灌计划信息、参数设定及控制指令，向下控制现场设备，实现合理灌溉。

2.3管理级

利用工业以太网实现管理机IPC与园区主机及各部门PC机之间的通信。IPC向上连接生产管理层，获取管理区的生产管理信息、滴灌计划等信息，WinAC控制器向下采集现场级传送上来的设备状态以及土壤湿度、温度、水压力、流量等数据，并通过WinCC归档上报，可以保存也可以打印。这些数据信息有利于管理部门对各灌溉站的运行情况实时跟踪，也为现场设备的监控维护、故障排除等提供有力依据。

3 结语

本系统的控制方式灵活多样，既可以局部手动控制又可以全自动控制，既可以根据土壤湿度、空气温、湿度等环境条件进行闭环反馈自动控制，又可以根据管理人员制定的滴灌计划进行定时自动控制。真正做到了人机对话、管控一体化。

本系统使传统管理上升到智能化管理，降低了肥料用量，降低生产和运行成本，降低能耗，提高水资源的利用率和劳动生产率，有效保障了农作物的成活率。因此前景广阔，可以应用于园林绿化的灌溉，更能够用于大面积农作物种植灌溉。

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