淺談小型高效節水灌溉工程自動化系統技術

周曉虎

（靈臺縣水務局，甘肅 靈臺 744400）

1 農業節水自動灌溉系統概述及應用現狀

農業節水自動灌溉系統主要用于農業灌溉，從事農業灌溉的人群基本為農民，故而農業節水自動灌溉系統的操作應該相對簡單，使農民在操作過程中不需耗費太多的時間和精力。事實上，農業節水自動灌溉系統的組成部件也較為簡單，內部構成較為單一，沒有太多復雜的零部件，這也使得農業節水自動灌溉系統在使用之后很容易進行清洗，其自身也能保持很好的潔凈度。農業節水自動灌溉系統的抗腐蝕性能優良，這主要是灌溉過程不單只有水分，還有部分化學農藥，要避免化學農藥對灌溉設備產生腐蝕，必須具備良好的抗腐蝕性。農業節水自動灌溉系統的自動化程度非常高，這主要體現在以下幾個方面：第一，灌溉系統可對水肥比例進行自動調節，以獲得水肥最佳比例；第二，灌溉過程能保證施肥均勻，避免了這里多那里少的情況；第三，灌溉系統能進行自動判斷，在植物生長的不同周期采取不同的施肥量。除此之外，該系統還可以調整為手工模式，并有效控制精度，充分利用水資源，避免了浪費情況的發生。

2 小型高效節水灌溉工程系統自動化技術的功能和作用

小型高效節水灌溉工程建設過程中，自動化系統發揮著重要的作用，由于灌區一般面積較大，管線較長，種植片區又較多，傳統的人工管理模式必須具有較好的管理設施、足夠的管理人員和較強的專業技術，這種方式浪費了大量人力物力，加大了管理成本。而自動化系統技術的推廣應用，可大大解放勞動力，提高管理精細化程度，達到了節約灌溉用水，實現科學、高效管理的目的。灌溉工程根據作物需水量、灌溉制度和墑情情況，采用水資源輸送、水質處理、定量施肥、墑情監測、遠程監控等自動化工藝，可實現整個工程自動化控制和運行。小型高效節水灌溉工程自動化系統的使用可實現下述功能：對系統管網的關鍵節點狀態參數、運行參數，設備的運行狀態、運行參數，分區用水流量、墑情數據、水質指標等進行實時檢測，全面掌握整體灌區動態運行情況;實現遠距離自動化水資源輸送、調度、控制，進行自動化水處理，根據需求實現水肥一體化灌溉；在管網出現壓力異常、設備存在故障時，能夠及時報警，自動保護灌溉設施，避免帶病運行或損壞；可及時傳輸數據，實現遠距離、多站點、多監測點的實時視頻監視；實現長時間、大數據存儲，全面統計分析數據、進行報表匯總，輔助管理決策者進行分析研判，適時調整管理策略。

3 小型高效節水灌溉工程系統自動化技術的應用

本自動化系統由監測采集系統、自動控制系統、通信系統、視頻監視顯示系統4個子系統組成。通過子系統的運行將全面得到系統每個節點的各種信息，并使其得以控制和運行。

3.1 監測采集系統

監測采集系統可自動實時采集和處理來自各現場控制層及調度系統的數據，對采集信息進行數字化處理分析，為實施自動化控制提供基礎信息。監測采集系統根據灌溉工程特點及規模設置，各部位工作原理不同，監測精度和要求也不相同。本地數據采集及遠程站點液位數據采集小于3 s，遠程站點數據采集（除液位數據外）小于5 s，能夠一次性傳送完整數據；壓力、流量（瞬時、累積等）、溫度、液位及水質相關參數（pH、濁度等）測量精度≤0.5%；電氣相關參數（電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數等）測量精度≤1%。

3.2 自動控制系統

主要包括中央控制、站點控制、遠程控制及電氣控制、系統安全防護等內容。在管理中心設置中央控制臺（含服務器、顯示面板、組態軟件和控制軟件）、PLC模塊和控制軟件、控制調度等操作面板。在系統安裝測控終端，實現對變頻水泵、加壓泵、砂石過濾器、疊片過濾器、施肥一體機等設備在線監測與監控管理。遠程站點在自動運行模式下均可通過無線網絡由中央的控制軟件根據采集數據進行自動化操作，也可人為遠程，按需選擇工作模式。在各遠控區域布設土壤墑情傳感器，墑情數據實時顯示在總控終端，同時關聯到對應的控制軟件模塊，從而實現定量灌溉、定時灌溉、按需灌溉。自動控制系統是自動化控制的核心，所采用的設備應該結構簡單、性能可靠、維護方便，具有很好的防誤操作、防潮、防腐、防雷擊等能力，系統可在無人值守的條件下長期工作。核心模塊具有在電磁兼容設計，適合電磁環境和較高溫度下的應用需求。遠程點應采用先進電源技術，供電電源適應范圍寬，提高設備穩定性，能在復雜的環境下開展工作。

3.3 通信系統

通信系統是監測控制系統的溝通渠道，凡需要監測控制的所有地點都需要用通信系統連接，通訊覆蓋對象包括項目的所有監測控制點。由于灌溉工程具有站點多、關聯數據多等因素，組建穩定可靠的通信網絡十分重要，是系統自動化監測控制的基礎保證。通信系統的組建應該是根據具體工程的通信環境輔以不同的優化組網方案。與中央控制室距離較近的監控點一般采用有線（含光纜）通訊方式；與中央控制室較遠的站點、田間電動閥、攝像頭等距離較大的監控點之間一般采用無線通訊方式，自設電臺或利用無線寬帶網絡；中央監控室為主動站，其他監控副站為被動從站，以一點對多點的方式與從站通訊，監控室為全向天線，各副站為定向天線，實現通信聯系。

3.4 視頻監視與顯示系統

主要包括遠程站點的視頻攝錄、視頻傳輸、視頻信號接收與解調、圖像處理、中央控制室電視墻等。根據灌溉工程實際情況，本系統主要的設備可采用野外用視頻攝像頭、多路視頻復用發射機、全向、定向通信天線、視頻接收解調機圖像處理器、電視墻（9畫面，46英寸<1英寸=2.54 cm>）等。該系統操作界面盡量完備和簡潔，充分利用圖像、圖表等比較直觀的技術，符合操作人員的操作習慣，并能提供實時、有效、準確的數據信息。整體系統從硬件方面做到安全可靠，從軟件方面制定嚴格的權限安全體系，確保運行安全。

4 結論

高效節水灌溉在現代農業生產中具有十分重要的作用，通過高效節水灌溉，實現了增產增收，極大地促進了農業健康、快速、可持續發展。采取先進的自動化系統技術，實現灌溉系統自動化管理，也是現代灌溉農業發展的必然要求。自動化系統技術的應用，不僅節省了人力資源消耗，也通過智能系統實現自動化操作，有效地節約水資源，提升水資源的利用率，促進了灌溉工程的精細化、科學化運行管理。