基于互聯網+電動PE截止閥研發及應用

高建新，何建村，白云崗

(新疆水利水電科學研究院，烏魯木齊 830049)

高效節水灌溉技術的“節水、節肥、高產、高效、促進農業生態環境改善、促進農村生產經營方式轉變”優勢效應得到了較好的顯現，是解決干旱區域水資源短缺、提高水資源利用效率的有效措施[1]。近年來，新疆高效節水發展迅猛，截至2016年底，新疆高效節水灌溉技術推廣應用面積超過333.33 萬hm(含兵團100 萬hm)，占全國總面積的60%以上；預計到2020年，新疆高效節水灌溉技術規劃推廣應用面積將達406.67 萬hm[2]。隨著新疆節水向“提質增效”的發展，人工控制隨意性造成的弊端愈發凸顯，自動化控制灌溉已成為大勢所趨。據科學測算，手動高效節水技術進行自動化升級改造后，可使人工管理定額提高近6倍，人工管理費用降低50%左右；水、肥灌溉均勻度均可提高20%左右；可使種植棉花籽棉單產增產5%～10%左右、節水20%～30%、降低施肥成本10%、畝均增效可達100元；因此提升節水灌溉自動化水平，實現節水、減員、增效就成為當前節水灌溉技術發展的重要方向[3-6]。

目前在新疆節水灌溉自動化市場上應用的田間終端控制閥主要系引進美國、以色列等國的電磁閥及國內部分研發單位自主研發的電動閥。電磁閥具有輕便耐用，在自動控制方面還具有響應時間短，動作快捷，啟閉功率小等優點[7]。但其對灌溉水質的潔凈度要求很高，導流孔易堵塞、啟閉需要較高的管道水壓，啟閉只能是全開或全閉，無法調節灌溉水量；球形電動閥外觀結構設計科學、緊湊合理、簡單、巧妙，電動閥控制板，信號接收電線、電機及電動閥減速器等都被集成在了電動閥腹腔內，形成了渾然一體的效果，較好的克服了電磁閥易受灌溉水質影響的問題[8,9]。但在開啟與關閉時，楊花、柳絮等纖維狀雜物進入球狀閥芯與閥體之間的接縫后，常會使球狀閥芯在閥體內轉動困難，有時球狀閥芯甚至會出現無法轉動的情況，造成打不開關不住的問題；電動閥采用有線供電方式為提供啟閉動力，電源線沿輸水管道布設，電源線用量較大，自動化控制系統的成本增大，同時在作物生長期影響田間機械作業，如中耕、打藥等，甚至受到破壞[10-12]。

針對現狀節水灌溉自動化系統終端控制閥存在的問題，在嘗試了多種解決方案后，我們通過對現有PE截止閥進行電動改造，形成電動PE截止閥，將其接入互聯網，實現遠程控制，使其成為互聯網+新型節水灌溉自動化控制系統的組成部分即田間終端控制閥，借助PE截止閥閥體自身獨特的結構優勢解決了自動化控制系統田間終端控制閥易受灌溉水質影響的問題。

1 電動PE截止閥工作原理及其特點

電動PE截止閥由電機、傳動裝置、PE截止閥等構成，結構較為簡單，如圖1所示。PE截止閥閥體內裝置有可對水流進行控制的閥蓋，阻斷水流時將閥蓋降落在閥體內進出水口上即可實現；開啟水流時，將閥蓋提起，即可使水流暢通。閥蓋的起降均可由遠程控制電機借助傳動裝置帶動閥蓋實現。鑒于電動PE截止閥的啟閉原理，電動PE截止閥可以通過對閥蓋升降高度即閥蓋開度大小的控制調節通過閥體的過水流量，滿足電動PE截止閥控制不同面積作物對灌溉水量的需求。電動PE截止閥結構簡單，重量較輕，具有易于拆卸、維修和運輸等特點。

圖1 電動PE截止閥結構示意圖

將電動PE截止閥研發成功后，我們對其進行了大量的運行測試，在這個過程中發現，PE截止閥獨特的啟閉方式通過調整進出水方向，可以在一定程度上降低電動PE截止閥的啟閉功耗。從閥蓋方向進水時可以利用管道水壓輔助閥門進行啟閉，關閥的時候，閥蓋由克服水壓向下運動轉為將水壓施加在閥蓋上向下運動，如圖1所示。從表1可看出，從閥蓋方向進水關閥所用的最大瞬時功率可比從閥蓋背面進水時關閥所用的最大瞬時功率平均降低92.8%；開閥的時候，由從閥蓋背面進水頂托閥蓋上升轉為從閥蓋方向進水將閥蓋提離閥體進出水口后，部分水壓即可開始自行卸載，隨著閥蓋開度越提越大，自行卸載的水壓也越大，從閥蓋方向進水比從閥蓋背面進水開閥瞬時功率僅增加了約33%；綜合比較即將從閥蓋方向進水時開閥所用的最大瞬時功率與從閥蓋背面進水時關閥所用的最大瞬時功率比較，過水流量在40～70 m3/h時，瞬時功率平均降低約25%；過水流量在75～95 m3/h時，瞬時功率平均降低約52%。從表1數據可看出，通過調整閥體進出水方向，可有效降低電動PE截止閥啟閉功耗。在這種情況下，再疊加電動PE截止閥中利用機械原理設計的減速裝置降低電機功率的效應，電動PE截止閥僅需配備極小功率的電機就可滿足實際灌溉控制。

表1 電動PE截止閥不同流量開關閥瞬時功率比較表

將電動PE截止閥作為互聯網+新型節水灌溉自動化控制系統的終端控制閥具有顯著的優點，首先是閥體內部過水通道較大，從圖1即可看出，即使灌溉水質較為渾濁，灌溉水依然可以通暢的流過電動PE截止閥；其次是電動PE截止閥即使在管道沒有水壓或是管道水壓較小的情況下，依靠自身動力也能順利進行啟閉。電動PE截止閥先天具有的這兩個優勢成功地解決了電磁閥與現狀球形電動閥易受灌溉水質、水壓影響而不能正常運行的問題，因此，我們全新研制的電動PE截止閥徹底解決了節水灌溉自動化技術中終端控制閥在現狀灌溉水質處理水平下無法滿足實際灌溉運行的問題。

2 節水灌溉自動化技術中控制系統的研究創新

互聯網+新型節水灌溉自動化控制系統，由上位控制平臺(節水灌溉自動化控制網站)、集中控制器、田間終端三部分組成，如圖2所示。

圖2 互聯網+新型節水灌溉自動化控制系統示意圖

灌溉控制人員通過手機、電腦等智能終端登錄節水灌溉自動化控制網站對田間終端電動PE截止閥發送控制指令，指令信號借助GPRS無線通訊信號送達集中控制器，再由集中控制器通過無線射頻技術將控制指令轉發至田間終端驅動電動PE截止閥執行灌溉控制指令。互聯網+新型節水灌溉自動化控制系統涉及軟件工程、自動化控制、機械設計等學科，對運行維護人員的知識水平有很高的要求。實際情況是很難有專業技術人員能同時掌握上述相關學科的專業知識對系統進行維護，實際運行中面對的更是無任何專業基礎的灌溉控制人員。降低系統維護難度，使系統出現故障時易于維護成為我們研發互聯網+新型節水灌溉自動化控制系統著重考慮的一個方面。針對此我們在系統中研發出了故障監測即時推送功能，將系統集中控制器和田間終端分解為各個功能模塊，即插即用，當某一功能模塊出現故障時，系統通過監測發現后，即可將該功能模塊的故障信息即時推送至用戶持有的智能終端，用戶根據系統推送的故障信息，用備用的功能模塊替換掉故障功能模塊即可，無須用戶對故障功能模塊進行維修，即能保障系統的再次運行，如圖3和圖4所示。

圖4 互聯網+新型節水灌溉自動化控制系統終端功能模塊分解圖

系統研發成功后，首先通過試驗測試驗證了系統功能模塊劃分的合理性，并將系統功能模塊進一步優化為1號電動閥模塊、2號電動閥模塊、電池模塊、太陽能充電模塊、存儲芯片模塊、集中控制器模塊；其次檢驗了系統對各功能模塊故障信息監測并即時將故障信息推送至灌溉控制人員手持智能終端的有效性，同時對系統故障監測即時推送功能進行了進一步的完善，根據系統可能出現的故障及在實際測試運行中出現的故障產生機理，研發出了相應的監測措施。系統發生的如表2所列的每一項故障，灌溉控制人員手持智能終端都能即時收到相應的推送信息。

表2 互聯網+新型節水灌溉自動化控制系統故障代碼表

通過實際測試檢驗可看出互聯網+新型節水灌溉自動化控制系統田間終端已不僅僅是被動地接入了互聯網，其還能通過互聯網與控制人員實現信息互動，對其實時感知，已經上升到了智聯網在節水灌溉自動化中應用的層面，達到了人機能實時互動的程度，實現了人工智能在節水灌溉自動化技術中的初步應用。

3 結 語

針對當前節水灌溉自動化技術發展面臨的瓶頸問題，對其研究解決方案只能考慮在新疆現階段經濟社會發展水平下予以實現，而不能超越當前時代。對互聯網+新型節水灌溉自動化控制系統的研發完全著眼于在當前經濟社會條件下，能否解決節水灌溉自動化技術發展中面臨的問題這一目標進行，目前經過項目組在新疆博州水利灌溉試驗站的田間中試，實際運行效果完全達到了研發之初設定的各項研發目標，使互聯網+新型節水灌溉自動化控制系統助力新疆節水灌溉得到迅速發展成為了可能。