基于橋面綠化滴灌系統(tǒng)的自動控制技術(shù)研究

張晨東

摘要：為節(jié)約水資源，農(nóng)作物灌溉采用滴灌這一先進(jìn)節(jié)水灌溉技術(shù)。本文是在橋面綠化工程中采用的開環(huán)控制滴灌系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對控制系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)滴灌自動控制，將控制系統(tǒng)升級為閉環(huán)控制，能對農(nóng)作物生長的土壤濕度、溫度等進(jìn)行自動監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)按需精準(zhǔn)灌溉。本滴灌系統(tǒng)不僅有效解決橋面綠化的灌溉問題，還可以推廣到大面積農(nóng)作物種植灌溉中，具有廣闊前景。

關(guān)鍵詞：滴灌 節(jié)水 自動控制

中圖分類號：TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）05-0000-00

隨著城市建設(shè)進(jìn)程的不斷推進(jìn)，橋梁已遍布大小城區(qū)，橋面的綠化也成為城市的一道風(fēng)景。因此，橋面綠化灌溉問題也隨之而來了。傳統(tǒng)的做法是灑水車上路進(jìn)行澆灌，不僅效率低，耗費(fèi)人力、物力大，浪費(fèi)水資源，影響交通，且很難根據(jù)植物的需求及時補(bǔ)水，從而造成綠化植物枯死率高，進(jìn)一步提高綠化成本。因而，橋面綠化灌溉問題亟待解決。

采用滴灌系統(tǒng)灌溉，可以節(jié)約水資源，是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的節(jié)水灌溉技術(shù)之一，它是利用滴灌系統(tǒng)設(shè)備，通過低壓管道系統(tǒng)與安裝在末級管道上的滴頭，將植物生長所需要的水分以較小的流量均勻、準(zhǔn)確地直接輸送到植物根部附近的土壤表面或土層中。目前，世界上已有100多個國家使用滴灌技術(shù)，滴灌技術(shù)一般以人工控制為主，利用一些簡單的觀測設(shè)備裝置，設(shè)備成本較低，但無法全面準(zhǔn)確地根據(jù)植物需水狀況、生長狀況和周圍的環(huán)境情況進(jìn)行澆灌。因此對控制系統(tǒng)還需進(jìn)一步改進(jìn)提高。

1 滴灌系統(tǒng)組成

滴灌系統(tǒng)包含以下幾個組成部分：水源、首部配置、輸水管網(wǎng)、尾部灌水器設(shè)備以及各種測量顯示儀表等。如圖1所示。

1.1水源

江河、湖泊、池塘、水庫、井水等，水質(zhì)符合滴灌要求的都可以作為水源。廈門杏林大橋滴灌系統(tǒng)的水源由于條件限制，無天然水源，由市政給水管網(wǎng)供水，并建造一個容量為12m3的水箱。杏林大橋?yàn)榭绾４髽颍瑯蛎娓叨雀撸湮恢貌灰颂停员M量減少與橋面的高度差。

1.2首部配置

首部配置主要由增壓泵、施肥罐、過濾器、壓力表、流量計(jì)及若干個閥等組成。其作用是從水箱取水、加壓后將水經(jīng)過濾（或與肥料混合）進(jìn)入澆灌干管，供滴灌使用。

1.3輸配水管網(wǎng)

首部配置處理過的水經(jīng)干管、支管，進(jìn)入毛管，按照要求分配到每個灌水單元及滴管。

1.4尾部設(shè)備

尾部設(shè)備是滴灌系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，包括毛管和與之相連滴頭，將滴灌系統(tǒng)上游送來的壓力水變成滴狀滲入作物根部或指定部位。

2 控制系統(tǒng)

目前廈門杏林大橋滴灌系統(tǒng)的控制部分是半自動控制模式。人工控制水泵、閥門的開閉，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)決定灌溉時間。如每兩天灌溉一次，每次灌溉30分鐘等。現(xiàn)場控制器安裝有雨量傳感器，降雨自動停止灌溉。對土壤的干濕程度無法精確掌握，仍會造成灌水不足或過量灌溉，且浪費(fèi)人力，生產(chǎn)效率低下。故對控制系統(tǒng)做進(jìn)一步改進(jìn)。

應(yīng)用無線傳感器技術(shù)，采用工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)建信息管理系統(tǒng)，通過傳感器采集作物和土壤水分等信息，進(jìn)行分析，通過預(yù)先編制好的控制程序進(jìn)行運(yùn)算處理，然后發(fā)出灌溉命令傳送到現(xiàn)場，自動控制電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行灌溉，形成計(jì)算機(jī)自動控制的閉環(huán)系統(tǒng)。

整個控制系統(tǒng)包括三層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，現(xiàn)場的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（管理級）、中層的現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)（監(jiān)控級）和最上層的工業(yè)以太網(wǎng)（管理級）。如圖2所示。

2.1現(xiàn)場級

根據(jù)具體作物面積及分布范圍，設(shè)置若干個無線DP從站（根據(jù)杏林大橋綠化帶長度可設(shè)置5個），通過現(xiàn)場安裝的無線傳感器采集土壤的濕度、溫度、光照強(qiáng)度、水壓力等信息，上傳至上一級控制系統(tǒng)，同時也接受來自控制中心的啟閉電磁閥的指令，執(zhí)行澆灌任務(wù)。

2.2監(jiān)控級

以工業(yè)計(jì)算機(jī)為硬件基礎(chǔ)，利用工業(yè)組態(tài)軟件WinCC實(shí)現(xiàn)測控管理，結(jié)合STEP7軟件及WinAC軟PLC等對滴灌數(shù)據(jù)信息進(jìn)行接受處理，集中到一臺PC機(jī)上，同時接受來自監(jiān)控系統(tǒng)的滴灌計(jì)劃信息、參數(shù)設(shè)定及控制指令，向下控制現(xiàn)場設(shè)備，實(shí)現(xiàn)合理灌溉。

2.3管理級

利用工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)管理機(jī)IPC與園區(qū)主機(jī)及各部門PC機(jī)之間的通信。IPC向上連接生產(chǎn)管理層，獲取管理區(qū)的生產(chǎn)管理信息、滴灌計(jì)劃等信息，WinAC控制器向下采集現(xiàn)場級傳送上來的設(shè)備狀態(tài)以及土壤濕度、溫度、水壓力、流量等數(shù)據(jù)，并通過WinCC歸檔上報，可以保存也可以打印。這些數(shù)據(jù)信息有利于管理部門對各灌溉站的運(yùn)行情況實(shí)時跟蹤，也為現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控維護(hù)、故障排除等提供有力依據(jù)。

3 結(jié)語

本系統(tǒng)的控制方式靈活多樣，既可以局部手動控制又可以全自動控制，既可以根據(jù)土壤濕度、空氣溫、濕度等環(huán)境條件進(jìn)行閉環(huán)反饋?zhàn)詣涌刂疲挚梢愿鶕?jù)管理人員制定的滴灌計(jì)劃進(jìn)行定時自動控制。真正做到了人機(jī)對話、管控一體化。

本系統(tǒng)使傳統(tǒng)管理上升到智能化管理，降低了肥料用量，降低生產(chǎn)和運(yùn)行成本，降低能耗，提高水資源的利用率和勞動生產(chǎn)率，有效保障了農(nóng)作物的成活率。因此前景廣闊，可以應(yīng)用于園林綠化的灌溉，更能夠用于大面積農(nóng)作物種植灌溉。

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