葛蕓萍,崔秋云

（1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004；2.黃河河務(wù)局三義寨閘管處,河南 開封 475001）

0 引言

由于世界水資源日趨緊張，各國(guó)都在積極探索行之有效的節(jié)水途徑和措施。 噴灌和滴灌技術(shù)是為了節(jié)約水資源、提高灌溉效率而發(fā)展起來的現(xiàn)代灌溉技術(shù)之一。 當(dāng)前計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在我國(guó)眾多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，水資源管理也從傳統(tǒng)的以人為主的管理方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐杂?jì)算機(jī)控制技術(shù)為手段的自動(dòng)化監(jiān)控與調(diào)度的先進(jìn)管理模式。 發(fā)達(dá)國(guó)家已開發(fā)并制造了一系列用途廣泛、功能極強(qiáng)的數(shù)字式灌溉控制器，并得到廣泛應(yīng)用。 而我國(guó)在節(jié)水灌溉方面還基本停留在人工操作層面，即使有些地方采用了灌溉工程自動(dòng)控制系統(tǒng)， 但只是小面積的局部控制，大規(guī)模灌溉工程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用還受各種條件的制約。

1 國(guó)內(nèi)外灌溉自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

1.1 國(guó)內(nèi)灌溉自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

國(guó)內(nèi)在灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)方面還處于研制、試用階段，能實(shí)際投入應(yīng)用且應(yīng)用較廣的灌溉控制器還不多見。 天津市水利科學(xué)研究所研制的溫室滴灌施肥智能化控制系統(tǒng)主要用于現(xiàn)代溫室。 日光溫室作物的灌溉營(yíng)養(yǎng)液施肥，環(huán)境監(jiān)測(cè)的智能控制，均采用世界先進(jìn)的可編程序控制器和觸摸屏控制技術(shù)，性能可靠、功能齊全、人機(jī)界面友好、操作簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。 系統(tǒng)具有人工干預(yù)灌溉施肥功能，定時(shí)、定量灌溉施肥功能，條件控制灌溉施肥功能。 北京澳作生態(tài)儀器有限公司的澳作智能節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)可與各種滴、噴灌系統(tǒng)連接，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤墑情，根據(jù)要求自動(dòng)灌溉。 系統(tǒng)的控制方式靈活，手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)任選，且可隨意在計(jì)算機(jī)上更改，可同時(shí)控制多個(gè)設(shè)備，受控區(qū)位置及形狀，環(huán)境參數(shù)及設(shè)備狀態(tài)可同時(shí)顯示在中心計(jì)算機(jī)上。 其他國(guó)內(nèi)研制的自動(dòng)灌溉控制器，直接用PC 機(jī)進(jìn)行控制，這樣使成本增加， 不易在田間較惡劣環(huán)境下使用等缺陷。

1.2 國(guó)內(nèi)灌溉自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

一些先進(jìn)國(guó)家，如美國(guó)、以色列和加拿大等，在節(jié)水灌溉技術(shù)方面起步較早，并日趨成熟。 這些國(guó)家從最早的水力控制、機(jī)械控制，到后來的機(jī)械電子混合協(xié)調(diào)式控制，再到當(dāng)前應(yīng)用廣泛的計(jì)算機(jī)控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，控制精度和智能化程度越來越高，可靠性越來越好，操作也越來越簡(jiǎn)便。

2 節(jié)水灌溉自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

2.1 技術(shù)日趨成熟

經(jīng)過多年的發(fā)展，國(guó)外灌溉控制器已逐步趨于成熟和系列化，但價(jià)格昂貴，國(guó)內(nèi)雖引進(jìn)一些，但多數(shù)是在農(nóng)業(yè)示范區(qū)、科研院所、高校等單位使用。 國(guó)外生產(chǎn)的灌溉控制器性能優(yōu)越， 但沒有考慮我國(guó)自然條件（氣候、土地資源等）、農(nóng)民經(jīng)濟(jì)狀況等因素，因而其在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用并不普及。 國(guó)內(nèi)雖然有多家單位在研制灌溉控制器，但多數(shù)是在小規(guī)模、小范圍內(nèi)實(shí)驗(yàn)和理論的探討，并未推廣、應(yīng)用。 究其原因，一是開發(fā)性能完善的灌溉控制系統(tǒng)需要大量的人力、物力的投入，需要多部門、多學(xué)科的融合，這在一定程度上限制了性能完善、適應(yīng)性強(qiáng)的控制器的開發(fā)。二是現(xiàn)在開發(fā)出來的灌溉控制器價(jià)格昂貴，盡管農(nóng)民知道它們能節(jié)省人力、節(jié)約用水、提高產(chǎn)量，但由于一次性投資太大，多數(shù)農(nóng)民承受不起，這也在一定程度上限制了灌溉控制器的普及。

2.2 具有廣闊的市場(chǎng)前景和潛在的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益

發(fā)達(dá)國(guó)家在節(jié)水灌溉控制器的開發(fā)方面已越來越成熟，且發(fā)展趨勢(shì)是研制大型分布式控制系統(tǒng)和小面積單片機(jī)控制系統(tǒng)，并帶有通信功能，能與上位機(jī)進(jìn)行通信，可由計(jì)算機(jī)對(duì)其編程操作。 同時(shí)，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)為節(jié)水灌溉控制器的研制開辟了廣闊的應(yīng)用前景。 根據(jù)我國(guó)國(guó)情和各地經(jīng)濟(jì)、技術(shù)發(fā)展的實(shí)際情況，采用成本低、操作簡(jiǎn)便的節(jié)水灌溉控制器，不僅具有廣闊的市場(chǎng)，而且能夠創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

3 可編程控制器在節(jié)水灌溉工程中的應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

目前，世界上許多工業(yè)化國(guó)家都把可編程控制器（PLC）的使用作為衡量電氣控制水平的標(biāo)志。 可編程控制器匯集了超大規(guī)模集成電路的眾多優(yōu)點(diǎn)，因而在智能儀表、計(jì)算機(jī)和各種數(shù)字系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。 在我國(guó)的國(guó)防、電力、通信等領(lǐng)域可編程控制器已被大量應(yīng)用，但是由于可編程控制器價(jià)格高、技術(shù)性強(qiáng)，目前在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用很少。 把可編程控制器應(yīng)用在節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)中，能夠簡(jiǎn)化系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性，增加系統(tǒng)的靈活性，可收到“以軟（件）代硬（件）”的效果。

自動(dòng)灌溉監(jiān)控系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）能夠充分發(fā)揮現(xiàn)有節(jié)水設(shè)備的作用，優(yōu)化調(diào)度，提高效率。

（2）通過自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)一步節(jié)水節(jié)能，降低灌溉成本、提高灌溉質(zhì)量。

（3）能夠使灌溉更加科學(xué)、方便，提高管理水平。

3.2 節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能要求

根據(jù)基本資料及技術(shù)要求，并結(jié)合當(dāng)?shù)毓喔拳h(huán)境和作物的生長(zhǎng)情況，可制訂灌溉強(qiáng)度和控制系統(tǒng)的邏輯功能。 假設(shè)功能要求如下。

3.2.1 盆栽花卉噴灌

盆栽花卉是從苗圃或溫室移栽到花盆、待上市的成品花卉。 因?yàn)閿?shù)量多，并且苗木比較高大，需要較大的灌溉強(qiáng)度，所以采用旋轉(zhuǎn)式噴頭。 噴頭共36個(gè)，安裝為6 列，每3 列為一組，要求兩組交替噴灌工作。 每組工作5 min，停20 min，每天8 點(diǎn)開始到17 點(diǎn)停止。

3.2.2 溫室花卉滴灌

6 個(gè)溫室，每個(gè)溫室300m2，使用地埋式滴灌帶，滴灌采用定時(shí)灌溉方式控制，按照作物栽培專家經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)種植品種確定供水量，定時(shí)向作物供水，供水到一定時(shí)間后，停止灌水。 6 個(gè)溫室按兩組控制，每3 個(gè)溫室為一組。兩組交替工作，每隔2 d 灌溉1 d。

3.2.3 手動(dòng)和自動(dòng)控制功能

考慮到系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，要求系統(tǒng)有手動(dòng)控制和自動(dòng)控制功能。 系統(tǒng)在自動(dòng)（或手動(dòng)）工作方式時(shí)，能自動(dòng)（或手動(dòng)）控制供水水泵的運(yùn)行與停止和各電磁閥的開關(guān)。

3.2.4 其他要求

要求自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)沙床苗圃和盆栽花卉進(jìn)行灌溉時(shí)，遇到陰雨天會(huì)自動(dòng)停止對(duì)沙床苗圃和盆栽花卉的灌溉。 溫室滴灌不僅要受時(shí)間控制，而且要求在軟件中有溫度、濕度測(cè)控功能，即溫度、濕度達(dá)到某一控制點(diǎn)就報(bào)警并改變程序的運(yùn)行方式。

3.3 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)輸入端有自動(dòng)/手動(dòng)選擇開關(guān)，自動(dòng)工作時(shí)有總開、總停按鈕，有故障消音按鈕，溫度、濕度開關(guān)量信號(hào)輸入若干。 輸出端需要控制8 個(gè)電磁閥和1 臺(tái)水泵，并需故障報(bào)警控制等。 花卉噴灌采用PLC的中斷功能，設(shè)6 個(gè)單元，3 個(gè)單元為1 組，每組1個(gè)電磁閥，每個(gè)電磁閥工作5 min 停20 min。工作時(shí)間為10 點(diǎn)到15 點(diǎn)。 花卉滴灌利用PLC 的定時(shí)和記數(shù)功能組合，分6 個(gè)單元，3 個(gè)單元為1 組，每組1個(gè)電磁閥，每個(gè)電磁閥工作1 d 停2 d。 陰雨天利用雨量傳感器的開關(guān)量作為一個(gè)PLC 的輸入信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停止相關(guān)程序的功能。 其工作原理如圖1 所示。

圖1 可編程控制器工作原理示意圖Fig.1 Working principle of programmable controlter

3.3.1 硬件設(shè)計(jì)方案

根據(jù)要求，在盆栽花卉區(qū)設(shè)2 個(gè)電磁閥分別控制花卉區(qū)噴灌，在溫室花卉區(qū)設(shè)2 個(gè)電磁閥分別控制兩組溫室的滴灌，設(shè)1 個(gè)電磁繼電器控制供水的水泵。

為避免意外事故或故障的進(jìn)一步擴(kuò)大，需要有報(bào)警點(diǎn)輸入并且用聲光信號(hào)顯示故障類型，同時(shí)發(fā)出警報(bào)提醒值班人員及時(shí)處理事故。當(dāng)故障出現(xiàn)時(shí)，故障指示燈閃爍且報(bào)警電鈴響起， 操作人員可以按下“消音”按鈕以解除鈴響，但故障指示燈仍在閃爍，直到故障消除，故障指示燈才停止閃爍。 但是，這樣做就必須至少給每一個(gè)工作點(diǎn)一個(gè)故障指示輸出，增加成本。 因此，所有故障統(tǒng)一用一個(gè)報(bào)警器報(bào)警，并刪除故障點(diǎn)指示輸出。 但程序中保留各故障點(diǎn)的監(jiān)控邏輯，必要時(shí)可通過增加輸出點(diǎn)來檢測(cè)故障。

考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，為以后的溫度、濕度、定量、定制等測(cè)控功能留有一定的擴(kuò)展空間，應(yīng)留一定的I/O 端口備用。 綜合考慮以上因素初步選用三菱的FX2n-48MR 可編程控制器。

為使對(duì)系統(tǒng)有一個(gè)形象的說明， 用系統(tǒng)控制框圖表示，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)控制框圖Fig.2 System control

3.3.2 軟件設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)中，噴灌的工作周期是24 h，時(shí)鐘控制上有4 個(gè)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變點(diǎn)：

0 h，8 h，17 h 和24 h，可用1 個(gè)定時(shí)器和3 個(gè)計(jì)數(shù)器c1、c2、c3 組合起來解決。工作邏輯上有3 種工作狀態(tài)：一號(hào)電磁閥工作（5 min）；二號(hào)電磁閥工作（5 min）；停止工作（20 min）。 可用3 個(gè)定時(shí)器解決。

滴灌的工作周期是72 h， 時(shí)鐘控制上有4 個(gè)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變點(diǎn)：0 h，24 h，48 h 和72 h， 剛好都是24的整數(shù)倍， 而且工作邏輯簡(jiǎn)單， 只有yes/no 兩種狀態(tài)。

用1 個(gè)定時(shí)器和3 個(gè)計(jì)數(shù)器c1、c2、c3 構(gòu)建有4 個(gè)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變點(diǎn)（0 h，8 h，17 h 和24 h）的24 h時(shí)鐘，用于噴灌的時(shí)鐘控制；用3 個(gè)定時(shí)器構(gòu)建噴灌的工作邏輯。 并利用計(jì)數(shù)器c3 的24 h 邏輯功能，再加計(jì)數(shù)器c4， 構(gòu)建有4 個(gè)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變點(diǎn) （0 h，24 h，48 h 和72 h）的72 h 時(shí)鐘，用于滴灌的時(shí)鐘控制。其I/O 分配圖如圖3 所示。

圖3 I/O 分配圖Fig.3 I/O distribution

4 結(jié)論

自動(dòng)灌溉監(jiān)控系統(tǒng)是利用氣象因素如風(fēng)速、雨量、日照量等，土壤濕度理論計(jì)算和實(shí)際檢測(cè)相結(jié)合。自動(dòng)完成灌溉水量檢測(cè)、預(yù)留手動(dòng)干預(yù)灌溉控制、通過網(wǎng)絡(luò)適配器和市話網(wǎng)使可編程控制器與遠(yuǎn)程的微機(jī)相連。利用智能灌溉管理軟件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，這樣就使其不僅具有較高的科技含量而且具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

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