鄒 健

（1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000；

2. 巴州科新工程監(jiān)理有限公司，新疆 庫爾勒 841000）

自壓式灌溉監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

鄒 健1，2

（1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000；

2. 巴州科新工程監(jiān)理有限公司，新疆 庫爾勒 841000）

介紹自壓式灌溉系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)，詳細(xì)闡述監(jiān)控管理技術(shù)、方法和設(shè)施設(shè)備方面的設(shè)計，設(shè)計內(nèi)容包括信息采集、監(jiān)控終端、網(wǎng)絡(luò)通信等，其中，信息采集采用現(xiàn)代傳感技術(shù)獲取閘、閥的運行狀態(tài)，以及水壓、流量數(shù)據(jù)；現(xiàn)場控制通過 PLC 實現(xiàn)，基于“組態(tài)王”軟件開發(fā)的監(jiān)控軟件實現(xiàn)對現(xiàn)地的遠(yuǎn)程監(jiān)控；根據(jù)灌區(qū)的地理和通信設(shè)施狀況，采用光纖、數(shù)字微波通訊相結(jié)合的通信方案，保證信息的經(jīng)濟(jì)、有效傳輸。通過自壓式灌溉監(jiān)控系統(tǒng)在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)南疆新建 38 團(tuán)蘇塘灌區(qū)的應(yīng)用，說明全部技術(shù)及系統(tǒng)方案是有效的，且可推廣應(yīng)用于噴灌、滴灌、滲灌、微灌等同類灌溉系統(tǒng)中。

自壓灌溉系統(tǒng)；監(jiān)控管理；網(wǎng)絡(luò)通信；設(shè)計；應(yīng)用

0 前言

壓力補(bǔ)償自壓滴灌是利用水源自然落差實現(xiàn)滴灌的一種系統(tǒng)技術(shù)，這種技術(shù)不需要額外動力，充分利用水源自然的重力落差，通過水壓恒定器實現(xiàn)自動衡壓調(diào)節(jié)灌溉，山地不同高度的每棵作物都能獲得均勻的供水量，且對水源沒有特殊要求，通過水窖、水塘、溝渠、山泉等均可供水，從而達(dá)到節(jié)水、節(jié)肥、提高品質(zhì)、增加產(chǎn)量、降低成本的效果[1]。同時能夠維持土壤固相、液相、氣相 3 相的最佳比例，較傳統(tǒng)地面灌溉和噴灌能降低空氣濕度，保持地溫，提高作物的抗逆性，減少病蟲害和雜草生長，防止水土流失，加強(qiáng)生態(tài)環(huán)保，高效節(jié)能，節(jié)省勞力，同時由于成本及運行費用低，安裝、操作和維修方便，是發(fā)展高效農(nóng)業(yè)，建設(shè)社會主義新農(nóng)村的實用水利技術(shù)，目前在全國基本普及。為實現(xiàn)自壓式灌溉系統(tǒng)的運行和管理，除了建設(shè)有水利工程設(shè)施外，還需建設(shè)自壓式灌溉監(jiān)控系統(tǒng)，有效地對水資源進(jìn)行監(jiān)測、監(jiān)視及監(jiān)控，達(dá)到對水資源的高效率調(diào)度，提高對水的利用率及減少勞動力。

1 自壓式灌溉監(jiān)控系統(tǒng)的組成及結(jié)構(gòu)

自壓式管道灌溉系統(tǒng)由水源、首部樞紐（攔污柵、閘門、量水設(shè)備、輸水渠或管、沉沙池）、輸水管網(wǎng)系統(tǒng)、田間灌溉系統(tǒng)等組成[2]。其中，首部樞紐的作用主要是保證有足夠的水量供應(yīng)，同時，通過沉沙池的調(diào)節(jié)，降低含沙量，保證水質(zhì)清潔，避免管網(wǎng)堵塞。

自壓式灌溉監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)視控制、網(wǎng)絡(luò)通信和管理軟件等 3 大系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

1）監(jiān)視控制系統(tǒng)。為實現(xiàn)引水渠道、灌區(qū)管網(wǎng)輸配水管理，監(jiān)視控制系統(tǒng)采用基于 S71200 系列的PLC 組成的控制終端，對引水渠道上的閘門、管網(wǎng)上的閥門等實行遠(yuǎn)程自動控制，對水位、流量、壓力等信息進(jìn)行自動采集并傳輸?shù)娇刂浦行摹?/p>

監(jiān)視控制系統(tǒng)包括沉沙池安全監(jiān)測、閥門遠(yuǎn)程自動控制和調(diào)節(jié)（含壓力、流量的監(jiān)測和調(diào)節(jié)）、水情及墑情監(jiān)測（含自動氣象站）等子系統(tǒng)，由計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將這 3個子系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在一起。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供統(tǒng)一的硬件、軟件平臺，可有針對性地開發(fā)計算機(jī)應(yīng)用軟件，完成數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計分析、存貯、訪問及系統(tǒng)管理等功能。

圖1 自壓式灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2）網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。由光纖、無線、計算機(jī)有線網(wǎng)絡(luò)等組成專用通信網(wǎng)絡(luò)，保障通道暢通，以利于水情、控制調(diào)度、監(jiān)測等信息可靠高速的傳輸，確保系統(tǒng)精確配水及安全輸水的控制。

3）管理軟件系統(tǒng)。由組態(tài)王軟件實現(xiàn)在控制中心的自動監(jiān)測和報警等功能，保證灌區(qū)安全輸水、精確配水、定時灌水，并提供豐富多樣的信息實時顯示和快速、便捷的信息查詢功能，實現(xiàn)完善的會商環(huán)境，實現(xiàn)灌區(qū)的安全、可靠、高效運行，提供應(yīng)對突發(fā)事件的決策支持系統(tǒng)。

2 自壓式灌溉監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

為實現(xiàn)自壓式灌溉監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求，著重對信息采集、監(jiān)控終端及網(wǎng)絡(luò)通信等進(jìn)行設(shè)計分析。

2.1 信息采集的設(shè)計

自壓式灌溉系統(tǒng)的運行需要各種相關(guān)業(yè)務(wù)實測數(shù)據(jù)的支持，為此需要廣泛使用遠(yuǎn)程自動監(jiān)控技術(shù)，實現(xiàn)各種水利數(shù)據(jù)信息的采集、傳輸、入庫的自動化處理。信息采集依靠各種傳感器（也稱為變送器）完成所需參數(shù)的采集，并將測量值變換成電信號輸出，所需參數(shù)包括在線實時測量的水文和水利設(shè)施相關(guān)的各種參數(shù)。傳感器測量的參數(shù)可以實時顯示，也可由現(xiàn)場控制終端在遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制中心進(jìn)行顯示與控制，拓樸圖如圖2 所示。

圖2 自壓式灌溉監(jiān)控系統(tǒng)拓樸圖

傳感器是遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，輸出信號一般為數(shù)字、電壓或 4～20 mA 的電流信號，由敏感元器件（感知元件）和轉(zhuǎn)換器件 2 部分組成。水利行業(yè)常用來采集信息的傳感器有水位計、遠(yuǎn)傳水表、壓力變送器、流量計、開度儀等。自壓式灌溉系統(tǒng)具體信息采集如下：

1）閘門運行信息采集。閘門是明渠過流控制的基本設(shè)施，除了滿足水利部門的用水需求外，在防洪、保護(hù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生命財產(chǎn)安全及環(huán)境保護(hù)等諸多方面都發(fā)揮了巨大的作用[3]。由此可見，閘門監(jiān)控是整個灌溉系統(tǒng)的核心，而閘門現(xiàn)場的信息采集又是實現(xiàn)閘門監(jiān)控的基礎(chǔ)。灌溉系統(tǒng)中主要采集閘門的開度、限位開關(guān)狀態(tài)和運行監(jiān)視視頻等信息，一般通過傳感器（如閘位計、限位開關(guān)等）和現(xiàn)場攝像機(jī)采集。

2）視頻圖像采集。在閘門遠(yuǎn)程遙控操作中，需要實時視頻圖像輔助信息，作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要補(bǔ)充，滿足險情突發(fā)性和位置不確定性、實時性的要求，以保證操作和運行的安全可靠。

3）閥門運行信息的采集。閥門主要用于管道過流的控制，由于閥門所控制的多為田間輸水管道，口徑和流量均較小，所以只需采集閥門的關(guān)啟狀態(tài)即可，亦即全開和全閉狀態(tài)。干管閥門運行信息還需包括管網(wǎng)壓力和流量信息。

2.2 監(jiān)控終端的設(shè)計

根據(jù)目前的現(xiàn)地監(jiān)控技術(shù)，監(jiān)控終端一般以PLC 為核心控制單元，其應(yīng)用成熟且可靠。自壓式灌溉系統(tǒng)的監(jiān)控終端以 S71200 系列中的 SIMATIC S7-1200 PLC 為核心單元，在此基礎(chǔ)上建立適用的監(jiān)控系統(tǒng)。

2.2.1 監(jiān)控終端的設(shè)計原則

根據(jù)現(xiàn)場控制終端的需求，現(xiàn)地控制終端設(shè)計原則如下：

1）采用成熟先進(jìn)的技術(shù)組建穩(wěn)定可靠的控制系統(tǒng)；

2）采用多種措施保證系統(tǒng)的可靠性，在硬件方面，采用西門子 PLC 和正泰低壓電器產(chǎn)品，在控制設(shè)計方面，應(yīng)有多種控制方式，盡可能全面監(jiān)測設(shè)備故障并實現(xiàn)報警和互鎖；

3）系統(tǒng)設(shè)計機(jī)構(gòu)盡可能簡單清晰，盡量做到人性化；

4）系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，在停止系統(tǒng)運行的同時，還應(yīng)有報警信號提示操作人員。

2.2.2 監(jiān)控終端的設(shè)計

1）閘門、閥門監(jiān)控終端設(shè)計。閘門和閥門工作原理相同，都是控制 1個電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，只是在模擬量采集方面稍有差異，閘門采集開度，閥門采集壓力和流量，因此終端設(shè)計大致相仿，可采用相同的設(shè)計方案。

圖3 閘門、閥門控制系統(tǒng)電路原理圖

終端的控制電路設(shè)計如下：控制 1 臺三項異步電機(jī)正反轉(zhuǎn)，當(dāng) SA 按鈕轉(zhuǎn)到手動擋時，按下正轉(zhuǎn)啟動按鈕 SB1，電機(jī) M 正向啟動且連續(xù)運轉(zhuǎn)，按下反轉(zhuǎn)啟動按鈕 SB2，電機(jī) M 反向啟動且連續(xù)運轉(zhuǎn)。其中按鈕 SB1和 SB2及接觸器 KM1和 KM2的常閉觸點串接在對方接觸線圈回路中具備互鎖功能。行程開關(guān)控制的接觸器 KM3和 KM4分別接入電機(jī)正反轉(zhuǎn)電路實現(xiàn)行程限位；當(dāng) SA 轉(zhuǎn)到遠(yuǎn)程控制時，由 PLC通過 K1，K2，K3自動控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。閘門、閥門控制電路原理圖如圖3 所示。

2）田間電磁閥控制終端設(shè)計。電磁閥的控制比較簡單，沒有電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制，只是通電打開，斷電關(guān)閉。

2.3 網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計

為實現(xiàn)灌區(qū)信息采集和設(shè)施設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，必須在閘門和閥門、渠道和管道量水?dāng)嗝娴葴y控終端站與管理機(jī)構(gòu)之間建設(shè)網(wǎng)絡(luò)通信的鏈路。適用于灌區(qū)通信的鏈路主要有光纖、數(shù)字微波通信等。通信方式和組網(wǎng)方案的具體選擇應(yīng)根據(jù)灌區(qū)業(yè)務(wù)管理工作的要求、通信技術(shù)的特點、所在地區(qū)地形的條件、運行維護(hù)的條件、建設(shè)運行的費用等綜合分析后，進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較，擇優(yōu)選定[4]。

光纖通信系統(tǒng)主要由電終端、光終端、光中繼器和光纜組成[5]。在發(fā)送端，電終端把信源消息轉(zhuǎn)換成電數(shù)字信號，光終端使用該電數(shù)字信號調(diào)制光源，產(chǎn)生光脈沖信號并直接送入光纜傳輸，到達(dá)遠(yuǎn)端的光終端后，用光檢測器把光脈沖信號還原成電數(shù)字信號，再由電終端恢復(fù)成原始消息送達(dá)信宿。中繼器起到放大信號、增大傳輸距離的作用。

由于數(shù)字微波采用無線電傳輸，因此基本設(shè)備架設(shè)簡單，安裝簡易快速，只要 2～3個工作日就可以架設(shè)好 1 組具有中繼器的微波通訊設(shè)備，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃上較有線傳輸容易，且能降低施工和維修上的成本。

針對自壓式灌溉系統(tǒng)的具體情況，田間部分使用微波通信，通訊設(shè)備采用無線網(wǎng)橋系列產(chǎn)品。自壓式灌溉監(jiān)控系統(tǒng)采用的通信方案為，傳感器通過RS-485 連接現(xiàn)場控制終端，現(xiàn)場控制終端的 PLC 經(jīng)RJ45 進(jìn)入交換機(jī)，并通過光纖或無線網(wǎng)橋與中心控制站進(jìn)行通信，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信方案如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信方案

3 自壓式灌溉監(jiān)控系統(tǒng)在蘇塘灌區(qū)的運用

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)南疆新建 38 團(tuán)蘇塘灌區(qū)水利工程現(xiàn)已進(jìn)入實施階段，開發(fā)規(guī)劃面積 20 000 hm2，形成灌溉面積 12 000 hm2，東西方向（長方向）最長約 30 km，南北方向（寬方向）最長約 20 km。灌區(qū)輸配水工程由引水干渠、沉砂池、骨干管網(wǎng)、田間管網(wǎng)組成，引水干渠引用石門水庫或臨時渠首的莫勒切河河水，將水輸送至沉砂池，經(jīng)沉砂池沉砂蓄水后通過骨干管網(wǎng)利用地形落差輸送至田間地頭，田間采用滴灌，形成自壓灌溉系統(tǒng)。

灌區(qū)輸配水工程分布在整個灌區(qū)，采用人工觀測的方法不能實現(xiàn)快速準(zhǔn)確采集水情信息并對全灌區(qū)用水提前做出科學(xué)的決策；采用人工管理，難以保證按要求計劃灌溉，水的利用率降低，同時也難以保證田間系統(tǒng)和骨干管網(wǎng)的流量穩(wěn)定，因此有必要利用信息化管理手段建立輸水、配水、灌水工程自動監(jiān)控系統(tǒng)[6]。

蘇塘灌區(qū)自壓式管道灌溉系統(tǒng)由水源、首部樞紐、輸水管網(wǎng)系統(tǒng)、田間灌溉系統(tǒng)等組成，監(jiān)控系統(tǒng)由信息采集設(shè)備、監(jiān)控終端、網(wǎng)絡(luò)通信、中控信息平臺組成。

依據(jù)蘇塘灌區(qū)的實際情況，灌區(qū)管道流量計量宜采用超聲波流量計作為計量設(shè)施。從計量可靠和安全角度出發(fā)，除了采用流量計計量外，同時安裝電表，通過耗電量計算抽水量，達(dá)到水電雙控的目的，并實現(xiàn)計量裝置的雙工及計量的互為校核。

壓力信息采集。壓力采用智能壓力變送器檢測，一般安裝在進(jìn)水口。壓力變送器主要由測壓元件傳感器（也稱作壓力傳感器）、測量電路和過程連接件 3 部分組成，能將測壓元件傳感器感受到的氣體、液體等物理壓力參數(shù)轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)的電信號（如4～20 mA DC 等），以供給指示報警儀、記錄儀、調(diào)節(jié)器等二次儀表進(jìn)行測量，指示和過程調(diào)節(jié)。

視頻信息的采集。實時視頻圖像監(jiān)視集電視、傳感、自動控制、多媒體網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)為一體，是水利工程運行和安全監(jiān)視的重要手段。視頻監(jiān)視采用模塊化和總線結(jié)構(gòu)，利用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有效地組合成功能完備、智能化程度高、綜合性強(qiáng)的多媒體視頻管理系統(tǒng)，充分發(fā)揮了計算機(jī)的功能，操作也更加簡便靈活。

4 結(jié)語

設(shè)計的自壓式灌溉信息管理系統(tǒng)是一個典型的遠(yuǎn)程自動化信息監(jiān)控管理系統(tǒng)，在實際應(yīng)用中可根據(jù)實際情況在此基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展。隨著電子、通信、計算機(jī)與傳感技術(shù)的提高，信息技術(shù)對各行各業(yè)的發(fā)展正在產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。在完善工程措施的同時，灌溉系統(tǒng)的信息化建設(shè)已成為節(jié)省水資源、提高利用率，實現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉的重要措施和手段，這對水資源短缺的中國特別是西北缺水地區(qū)，有不可估量的經(jīng)濟(jì)和社會效益。只要有適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳎⑴鋫湎鄳?yīng)的控制設(shè)施，所述技術(shù)和方法也可用于噴灌、滂灌、滲灌、微灌等系統(tǒng)中。

[1] 曹德貴. 賓川縣山坡地果園自壓滴灌技術(shù)的應(yīng)用[J]. 云南：云南農(nóng)業(yè)，2007 (10): 25-26.

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Design and Application of Self-pressure Irrigation Monitoring System

ZOU Jian1,2
(1. College of Water Conservancy and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830000, China;
2. Ba Zhou Ke Xin Engineer Supervision Co., Ltd, Korla 841000, China)

This article introduces the composition and structure of self-pressure irrigation monitoring system and elaborates the technology, method and design about facility instrument. The design includes information acquisition, monitoring terminal and network communication. The information acquisition obtains the running of gate valve, water pressure and flow with modern sensor technology. Field control is achieved through PLC. The monitoring software developed with Kingview is chosen to control remotely. According to the location and communication facilities of irrigation area, the fiber and digital microwave communication are combined in order to transmit information economically and effectively. The self-pressure irrigation monitoring system has been applied in Su Tang irrigation area of the Group 38 in the South of Xinjiang. The whole technology and system scheme are effective and can be applied in the similar irrigation system, such as sprinkler irrigation, drip irrigation, seeping irrigation and micro-irrigation, etc.

self-pressure irrigation monitoring system; monitoring and management; network communication; design; apply

S274.2

A

1674-9405(2014)01-0028-05

2013-12-09

鄒 ?。?972－），男，河北文安人，高級工程師，主要從事工程建設(shè)管理工作。