自動控制系統在節水灌溉中的應用

程小純

摘 要農業的迅速發展使農業用水量越來越大，然而我國水資源嚴重不足，而傳統農業灌溉方式對水的有效利用率較低導致大量浪費水資源，發展節水灌溉迫在眉睫。本文提出了一種節水灌溉自動控制系統的設計方案，該方案投資相對較小，既可一定程度實現農業灌溉自動化，又能極大程度地利用水資源。

【關鍵詞】節水灌溉 自動控制 系統 水資源

隨著中國農業的迅速發展，農業用水量越來越大，然而我國水資源嚴重不足，且傳統農業灌溉方式對水的有效利用率僅在45%左右而導致水資源的大量浪費。所以，現階段不合理的傳統農業灌溉方式急需改變，發展節水灌溉，節約水資源。節水灌溉，是遵循農作物在不同生長發育階段對水資源需求不同的客觀規律，進行適時適量灌溉，盡可能少地利用水資源而盡可能多地獲得農作物產出的一種新型灌溉模式。本文提出了一種節水灌溉自動控制系統的設計方案，該方案投資相對較小，既可一定程度實現農業灌溉自動化，又能極大程度地利用水資源。

1 系統硬件設計

本系統主要通過監測稻田等灌溉區的土壤含水量，由系統判別何時灌溉多大程度的水，進而節省稻田等灌溉區的用水量，從而提高水資源的利用率。系統主要由一個中央泵房、若干個灌溉小區和若干米的干渠及支渠組成。它的控制系統由中央計算機遠程控制若干臺水泵和相應的閥門，同時對灌溉區的若干臺儀表進行數據采集，再由系統進行相應處理，達到自動控制節水灌溉系統的效果。

本系統采用由中央控制主機、對應的現場控制單元、若干個傳感器以及RS-485通訊線等組成的具有三級結構的集散型操作和控制系統，如圖1所示。該系統可以同時監測和控制若干個灌溉小區農作物的生長水分狀況。其中中央控制級由一臺計算機構成，它的主要任務是控制灌溉小區的各種儀表；中間控制級由現場服務器構成，它主要承擔各個儀表和中央控制級計算機之間的通訊任務；在系統控制的各個灌溉小區，就地控制級由一套現場控制單元構成，其作用是存貯和預處理所采集到的數據，并且起到對現場水泵動作和電動閘閥實現控制的作用。經過實際運行，結果表明本系統的硬件設計符合節水灌溉自動控制系統的設計要求，性能穩定、施工簡便、易于擴充、功能完善、性價比高。

2 系統數據采集

2.1 田間墑情采集

田間墑情采集主要是測定田間土壤的水分。采用探頭式土壤水分計來測量旱作物和低水分段；而采用探頭式土壤水分計測量高水分段，明顯精度不夠，所以要進行試驗以建立淺層地下水埋深和稻田等灌溉區土壤水分的關系曲線。根據田間土壤的水分含量，系統根據不同農作物的需水量判定是否需要灌溉。

2.2 雨水利用與雨量觀測

充分地利用雨水，可以降低成本、節省水資源、減少灌水量，可以利用水質好、污染少的雨水促進作物生長而增加農業產量，提高農產品質量，是發展節水灌溉的重要環節。系統通過對雨水量的檢測，根據實際情況適時適量地對不同農作物進行灌溉。

2.3 河、渠水位測量

河、渠水位的高低，是系統自動判定是否需要對灌區內農作物進行灌溉的重要條件。本系統主要采用由精密電阻和干簧管組成的浮球式磁感應水位傳感器對河、渠水位的高低進行測量，然后系統根據河、渠水位的高低適時適量地對不同農作物進行灌溉。經過實際運用，效果良好。

2.4 計量供水

系統主要在泵站、渠系、田間這三個地方設置了兩種不同的水量計量設備。在泵站主要采用的是管道流量計；而在渠系和田間主要采用的是由磁性液位計、長喉道量水槽、流量積算儀等部分組成的數字式長喉道明渠量水計。實際測試表明，泵站所采用的管道流量計、渠系和田間所采用的數字式長喉道明渠量水計，能滿足灌溉區域各種情況的量水精度要求，從而使節水灌溉自動控制系統根據實際情況適時適量地對不同農作物進行灌溉實現節水。

3 系統軟件設計

3.1 管理子系統

系統管理系統主要采用Visual Basic語言進行開發，共分為4個子系統：泵房管理子系統的功能是通過實時監測降雨量等數據控制水泵；土壤監測子系統記錄土壤的狀態，同時反映出田地對水的需求量，從而實現對土壤的監測；閘門控制子系統的功能是控制每個灌溉小區（每塊田地）閥門的開關；數據庫管理子系統的作用是對各種采集過來的數據進行處理，以曲線圖或柱狀圖顯示出來供用戶查看。

3.2 系統功能模塊

灌區用水自動化管理系統分為10個功能模塊：泵站控制模塊主要實現灌區內大型泵站的計算機遠程控制操作；雨量采集模塊用于實時采集灌區內的降雨量；電量采集模塊主要完成灌區泵站用電的計量；閘門控制模塊主要是對灌區內的支渠閘門實現開啟操作；稻田水位采集模塊主要用于測量灌區土壤水分；河水位和蓄水池水位采集模塊用于采集河流和蓄水池的水位；瞬時流量和累計流量采集模塊分別對各泵站和各閘門水口的瞬時流量和累計流量進行實時監測；關鍵設備運行檢測報警模塊可以保證整個系統能可靠、安全、不間斷地長時間工作；數據庫查詢統計模塊主要用于記錄泵站的工作狀況以及統計灌區的用水量、水位水情等各類信息；通信模塊主要用于系統各設備之間的通訊。

4 結語

通過對本文提出的節水灌溉自動控制系統的實際運行，可見該系統性能穩定、結構簡單、對操作員要求低，可比較全依據農作物的需水狀況進行灌溉，節約成本，較為有效地實現了節水灌溉。

參考文獻

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作者單位

衡水市職業技術教育中心 河北省衡水市 053000