信息化背景下農(nóng)田水利節(jié)水灌溉工程規(guī)劃設(shè)計探討

薛彥宏 尤立業(yè) 呂鴻翔

摘 要 本文論述了可無人值守的信息化農(nóng)田水利節(jié)水灌溉工程，分析了工程的組成、系統(tǒng)功能及程序設(shè)計。上位系統(tǒng)動態(tài)模擬運行界面，直觀、清晰展現(xiàn)各環(huán)節(jié)運行狀態(tài)及所有系統(tǒng)參數(shù)。通過信號采集、數(shù)據(jù)處理，利用PLC的PID模塊調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)管道水壓恒定，通過土壤墑情的檢測，適時灌溉，節(jié)水節(jié)電，及時高效灌溉并實現(xiàn)增產(chǎn)。

關(guān)鍵詞 節(jié)水節(jié)電;灌溉;增產(chǎn);PID;信息化;無人值守

1 概述

傳統(tǒng)的灌溉系統(tǒng)一般采用明渠輸水灌溉，灌溉效果差、水量浪費嚴(yán)重，容易受地形限制。噴灌將輸水管道埋于地下，不影響農(nóng)作物生長，基本不占用耕地面積，無論地勢高低變化，都可以適時適量灌溉，避免了水資源的浪費。噴灌與明渠灌溉相比，節(jié)約用水能達(dá)到40%左右，農(nóng)作物增產(chǎn)可達(dá)20%左右，蔬菜產(chǎn)量可以翻倍。普通的噴灌系統(tǒng)對人的依賴性較大，不能及時判斷土地是否需要灌溉，延誤灌溉時間。信息化農(nóng)田水利節(jié)水灌溉則是利用信息化處理使整個工程減少對人的依賴，自動識別是否需要灌溉和灌溉需要的水量，實現(xiàn)智能化灌溉。

信息化農(nóng)田水利節(jié)水灌溉工程采用流量、壓力、水位等傳感器自動連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，實時將數(shù)據(jù)傳遞給信號采集模塊，采集模塊再傳送給CPU，CPU通過比較、運算，同時實時跟上位系統(tǒng)交互信息，通過程序運算自動控制設(shè)備啟閉，對設(shè)備的輸出進行控制，調(diào)節(jié)設(shè)備參數(shù)，可在上位人為控制調(diào)節(jié)，也可就地手動控制調(diào)節(jié)，并實時在上位機及大屏上動態(tài)顯示[1]。

2 工程組成

信息化農(nóng)田水利節(jié)水灌溉工程主要包括兩方面內(nèi)容：一是外部基礎(chǔ)設(shè)施，包括管道鋪設(shè)以及閥門井、儀表井等相關(guān)土建;二是自動化控制系統(tǒng)，包括電纜、儀器儀表，電氣元器件、電腦、顯示大屏等。

2.1 外部基礎(chǔ)設(shè)施

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基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)服務(wù)于控制系統(tǒng)需求，要根據(jù)現(xiàn)場情況確定用水量、設(shè)備規(guī)格、管路及鋪設(shè)方式、使用材料等，灌溉系統(tǒng)外干管、支管都埋于地下，豎管（又稱立管）通過三腳架支撐固定，由潛水泵從井里抽水，通過管道鋪設(shè)引水。根據(jù)噴頭的用水量和供水量，在管路中設(shè)置相應(yīng)數(shù)量的電磁閥，分批次的自動控制噴灌。

按照就近灌溉、兼顧全局原則，將所有供水主管路聯(lián)通，并在每片主管網(wǎng)交界處設(shè)立一處閥門進行主管路控制。邊上噴頭都選用180°旋轉(zhuǎn)，角上選用90°旋轉(zhuǎn)，中間全部為360°旋轉(zhuǎn)。在滿足噴頭工況的前提下，按每個噴頭的噴灑半徑為15m，行、列間距為20m，噴灑范圍交叉覆蓋（見噴頭布置如圖1），實現(xiàn)無盲區(qū)噴灑。

管道壓力設(shè)計最大為0.6MPa，考慮到壓力損失，將正常工作壓力設(shè)為0.25～0.35MPa為宜。以此壓力計算，在同時供應(yīng)兩行噴頭的狀況下，也能使末端噴頭達(dá)到工作壓力0.2MPa。

2.2 自動化控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用開放的分布式控制系統(tǒng)，根據(jù)工藝流程，整個控制系統(tǒng)由調(diào)度室上位系統(tǒng)、控制室PLC工作站和高速數(shù)據(jù)通道組成，分為兩層，第一層為現(xiàn)場自動化層及控制室部分，主要有PLC、檢測儀表、電控設(shè)備等組成;第二層為上位控制管理層部分，即調(diào)度室，主要有上位控制機、打印機、大屏系統(tǒng)圖形顯示等組成[2]。

調(diào)度室上位系統(tǒng)和PLC工作站組成一個有線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，PLC通過采集模塊采集各個運行參數(shù)數(shù)據(jù)、設(shè)備運行狀態(tài)，并對外輸出、控制，同時向上位系統(tǒng)進行實時傳送。上位系統(tǒng)可調(diào)用PLC工作站的全部運行信息，在上位系統(tǒng)可控制現(xiàn)場主要設(shè)備的啟動和停止。現(xiàn)場PLC工作站通過485通信方式采集各電參數(shù)采集器，通過信號模塊采集、輸入4～20mA信號、開關(guān)量狀態(tài)信號，系統(tǒng)連接采用專業(yè)連接端子和電纜，系統(tǒng)設(shè)有完備的抗干擾和防雷措施（信息化灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2）。

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3 系統(tǒng)功能描述

系統(tǒng)通過壓力變送器、水位傳感器、管道式超聲波流量計、溫度計、濕度計等采集信號，然后經(jīng)過信號隔離器進入PLC系統(tǒng)，通過Modbus RTU協(xié)議與電參數(shù)采集器通信，采集各個電參數(shù)。CPU中央處理器進行PID運算后，對變頻輸出，控制泵的運行，實現(xiàn)管壓恒定，通過條件運算控制閥門的開閉。下位CPU將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)通訊模塊以高速傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)通訊模式傳給上位系統(tǒng)，上位系統(tǒng)將數(shù)據(jù)以形象的模擬界面在電腦及大屏上實時顯示出來，并記錄保存，從而實現(xiàn)信息化[3]。

控制系統(tǒng)采用就地控制、遠(yuǎn)程手動控制、遠(yuǎn)程自動控制相結(jié)合的方式，當(dāng)切換在其中某一操作方式下時，其他操作方式無效。

上位軟件具有以下功能：

（1）動態(tài)流程界面，模擬顯示整個控制流程，實時顯示各個監(jiān)測數(shù)據(jù)、設(shè)備運行狀態(tài)。遠(yuǎn)程手動控制方式時，可以通過上位界面手動操作，來控制設(shè)備的啟停，可以上位人為操作給定設(shè)置某些參數(shù)數(shù)值;遠(yuǎn)程自動控制方式時，全部為程序自動控制設(shè)備運行狀態(tài)，各參數(shù)給定也均為程序運算所得，無須人為干預(yù)，即為無人值守模式。

（2）系統(tǒng)有多個顯示界面，相互獨立且可相互切換，主界面為整體流程界面，包括各主要設(shè)備的狀態(tài)、主要參數(shù)。需要某個設(shè)備的詳細(xì)信息，則可通過鼠標(biāo)點擊進行切換。

（3）可存儲采集到的各種數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量的大小按硬盤的容量計算。保存的數(shù)據(jù)可以按內(nèi)部時間順序區(qū)分和管理，可以報表、趨勢圖等形式調(diào)用歷史記錄顯示及打印。

（4）系統(tǒng)設(shè)有設(shè)備故障報警、重要模擬量上下限報警，當(dāng)設(shè)備故障或數(shù)據(jù)異常，自動彈出報警界面、報警語音提示，并顯示故障所在設(shè)備，待故障消除，數(shù)據(jù)正常后，報警自動消除。

4 程序設(shè)計

控制系統(tǒng)中采用西門子S7-300系列PLC和ABB變頻器，完成對灌溉系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制，PLC通過數(shù)字PID功能控制變頻器頻率，使供水管供水壓力恒定。在自動運行模式下通過檢測土壤濕度來自動控制灌溉。考慮系統(tǒng)安全，防止爆管，在壓力過大（大于0.37MPa）時，系統(tǒng)會自動停止泵的運行，必須至少開啟一個閥門才可開啟水泵，否則水泵將不能啟動。停止灌溉時先停止泵，再關(guān)閥門。變頻恒壓供水，調(diào)整到合適的輸出（0～50Hz），為了保護電機，變頻運行頻率不低于30Hz。當(dāng)水位低于下限值時報警，同時自動停止抽水。當(dāng)土壤墑情檢測數(shù)據(jù)低于相應(yīng)濕度要求時，報警提示啟動灌溉[4]。

5 論結(jié)束語

信息化農(nóng)田水利節(jié)水灌溉工程可以實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場無人值守和全系統(tǒng)微機化管理，自動化程度高，灌溉均勻，受地形限制較小，并且可以實現(xiàn)自診斷功能。雖然信息化農(nóng)田水利節(jié)水灌溉工程建設(shè)投入偏大，在實際應(yīng)用的工程中已經(jīng)證明其節(jié)水節(jié)電、效率高，作物增產(chǎn)明顯，具有廣泛的推廣應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)

[1] 遲道才.節(jié)水灌溉理論與技術(shù)[M].北京：中國水利水電出版社，2009：26.

[2] 劉明堂，胡萬元，陸桂明.水利信息監(jiān)測及水利信息化[M].北京：中國水利水電出版社，2019：56.

[3] 李正軍.計算機測控系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004：61.

[4] 張根寶，黃敏.工業(yè)自動化儀表與過程控制[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006：55.

作者簡介

薛彥宏（1980-），女;學(xué)歷：大學(xué)學(xué)歷，職稱：工程師，現(xiàn)就職單位：山東齊盛機電工程有限公司，研究方向：工程自動化設(shè)計、施工。