張　平，王全喜，程錦遠，李永龍，翟改霞，錢　旺

(中國農業(yè)機械化科學研究院 呼和浩特分院，呼和浩特　010020)

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8DYP-315型電動圓形噴灌機研究與田間監(jiān)測

張平，王全喜，程錦遠，李永龍，翟改霞，錢旺

(中國農業(yè)機械化科學研究院 呼和浩特分院，呼和浩特010020)

摘要：闡述了8DYP-315型電動圓形噴灌機的設計與研發(fā)，并通過安裝在8DYP-315型電動圓形噴灌機上的遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)、遠程啟停系統(tǒng)及調頻控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對圓形噴灌機運行狀態(tài)及作物生長環(huán)境相關數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測與控制，保證噴灌機與實施地水源、土壤、氣候、作物、地形及經濟性等多方面因素的結合。同時，分析采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)，掌握了地下水位變化、土壤不同土層含水率變化及噴灌機運轉狀況等影響作物生長的因素，改善了圓形噴灌機在信息化實時監(jiān)控方面的不足，保障了圓形噴灌機示范工作的推進。

關鍵詞：圓形噴灌機；數(shù)據(jù)采集；遠程監(jiān)測；調頻控制；實時監(jiān)測

0引言

電動圓形噴灌設備體積龐大、功能復雜，集合了水利、機械、車輛、自動化、農作物及土壤學等眾多學科技術。如果要使電動圓形噴灌機發(fā)揮出增產致富的效力，必須充分考慮到電動圓形噴灌機與實施地水源、土壤、作物、地形、氣候及經濟等多方面因素的適應情況[1-2]。近幾年，很多地區(qū)在推廣應用圓形噴灌機灌溉大田作物過程中，暴露出了諸多問題，如沒有充分考慮到自然降水量及地下水位變化等因素，造成地下水位越來越低，水越抽越少的情況；沒有充分考慮到作物不同生育期內需水要求及灌水定額等，未正確地實時調整噴灌機的工作運行參數(shù)，使噴灌機沒有真正發(fā)揮效益；沒有考慮到噴灌機的電量使用情況，致使很多農牧戶覺得耗電量大，后期停用圓形噴灌機等。這些因素影響了電動圓形噴灌機的灌溉質量及效率，導致作物減產，阻礙了電動圓形噴灌機的推廣應用[3-4]。

1整機結構及工作原理

1.1　8DYP-315型電動圓形噴灌機結構及參數(shù)

8DYP-315型電動圓形噴灌機由中國農業(yè)機械化科學研究院呼和浩特分院研制，其結構由中心支軸、桁架跨體、塔架車、帶尾槍的末端懸臂及遠程監(jiān)控系統(tǒng)5大部分組成[5]。中心支軸通過地角螺栓或者錨鏈固定在混凝土基座上，作為整個設備旋轉的中心樞紐。中心支軸出水口一端連接帶有噴頭的桁架跨體，兩兩桁架跨體之間又通過行走塔架車依次相連，在末端的塔架車上伸出一帶有尾槍的末端懸臂，擴大其噴灑面積；控制柜安裝在中心支軸上，用來控制設備的運行及水量控制等；遠程監(jiān)控系統(tǒng)也安裝在中心支軸上，用于實時監(jiān)測和遠程控制地塊數(shù)據(jù)及噴灌機運行狀態(tài)[6]。8DYP-315型電動圓形噴灌設備結構技術參數(shù)見表1，設備示意圖如圖1所示。

表1　設備主要技術參數(shù)

1.2　工作原理

8DYP-315型電動圓形噴灌機的中心支軸通過地角螺栓或者錨鏈固定在混凝土基座上，作為整個設備旋轉的中心樞紐，中心支軸豎管底部的90°彎頭是設備的供水口，水流經中心支軸豎管與旋轉彎頭進入主管道，通過主管道的輸送，經由安裝在其上的噴灑豎管到達噴頭，噴灑到地塊上。設備的運轉通過塔架車的行走得以實現(xiàn)，多跨裝有噴頭的桁架跨體支承在若干個塔架車上，之間用柔性軟管聯(lián)接，以適應坡地作業(yè)。在每個塔架車上，配有防水電機作為行走動力，還配有電控同步系統(tǒng)用來啟閉塔架車上的電機。噴灌機運行時，在電控系統(tǒng)控制下最先啟動末端塔架車上電機，當相鄰兩個桁架形成一個不大于1°角的工況時，塔架車上端塔盒內同步控制機構起作用，啟動相鄰塔架車上的電機，塔架車就依次運轉起來，繞著中心支軸旋轉，從而實現(xiàn)了圓形噴灑作業(yè)[7]。

1.中心支軸　2.桁架跨體　3.塔架車　4.末端懸臂　5.遠程監(jiān)控系統(tǒng)

2關鍵部件的設計

2.1　中心支軸處多附唇形旋轉密封

中心支軸部分的關鍵部件是唇形旋轉密封，其密封好壞直接影響了噴灌機的供水情況，本設備的密封處采用了多附唇形密封機構。工作時，水自下而上流動，水從中心支軸豎管流經多附唇形密封圈時，在水壓作用下，撐開多附唇形密封圈的下側及內側鋸齒形附唇，保證內側多層鋸齒形附唇與中間套管緊密貼合，下側鋸齒形附唇與中間豎管緊密貼合，從而確保管路密封性能，具體結構如圖2所示。

1.中間套管　2.多附唇形密封圈　3.中心支軸豎管

2.2　塔盒內同步行程導桿機構

由多跨體組成的電動圓形噴灌機在運轉過程中，通過控制末端塔架車來控制設備的整體運行，只有當末端塔架車開始行進時，其他塔架車才會間斷移動。因所有運行塔架車上的電機轉速都相同，所以每個更靠近中心支軸的塔架車上的電機運轉的時間要成比例的縮短；當末端驅動塔架車開始行走時，其他的驅動塔架車才會間斷的移動，這樣才能夠使所有的跨體都保持在一條直線上[8]。為了保證這一點，就需要有保持設備各跨體運行同步的機構，即同步行程導桿機構。該機構主要由行程導桿、轉軸、爪形凸輪盤、微動開關①、微動開關②及電機接觸器等部分組成，如圖3所示。

1.電機接觸器　2.轉軸　3.行程導桿　4. 微動開關②

除了末端塔架車外，其余每個塔架車的跨體外側都安裝著行程導桿，導桿的一端連接在塔盒底部的一根轉軸上，能夠進行小距離的移動，轉軸上端連接著一個爪形凸輪盤。當末端塔架車開始行進時，和末端塔架車臨近的塔架車(即倒數(shù)第2跨)上的行程導桿開始被慢慢旋轉，通過轉軸帶動爪形凸輪盤進行轉動。這個爪形凸輪盤控制著行程開關的開啟與閉合，從而造成電機接觸器的觸發(fā)或停止，并且輸送或斷開電源給塔架車下端的減速電機，使這個塔架車趕上末端塔架車，從而使這兩個跨體保持在一條直線上。當?shù)箶?shù)第2跨一開始移動時，又使倒數(shù)第3跨的塔架車造成了新的角度偏差，觸發(fā)電機接觸器的吸合，引發(fā)倒數(shù)第3跨的運行。這個循環(huán)往復的過程使每個塔架車按照特定的時間開始動作，使得各跨體一直保持在一條直線上。

2.3　遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)

電動圓形噴灌機的遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)是集數(shù)據(jù)采集與遠程傳輸功能于一體的精準灌溉系統(tǒng)，不僅可以實時監(jiān)測農田的空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照及現(xiàn)場拍照等與作物生長相關的環(huán)境參數(shù)，更能通過網絡將監(jiān)測數(shù)據(jù)及噴灌機的實際運行狀況實時輸送到用戶手中，為用戶及時調整農藝及灌溉制度提供數(shù)據(jù)資料，有效降低田間現(xiàn)場的環(huán)境管理風險。遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)遠程傳輸系統(tǒng)組成，遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由環(huán)境溫度傳感器、環(huán)境濕度傳感器、土壤溫度傳感器、土壤濕度傳感器、光照傳感器、攝像頭、太陽能板及外接電源等組成，可以實現(xiàn)對農田作物生長環(huán)境參數(shù)的采集，實物如圖5所示。

圖4　噴灌機遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)原理圖

Fig.4The principle diagram of the sprinkler remote data monitoring system

圖5　遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)

數(shù)據(jù)遠程傳輸系統(tǒng)由PC機、防水箱、DTU模塊及供電電源等硬件設備及無線數(shù)據(jù)傳輸平臺組成。配置參數(shù)的PC機與DTU連接原理圖如圖6所示。

圖6　數(shù)據(jù)遠程傳輸系統(tǒng)

2.4　遠程啟停系統(tǒng)

電動圓形噴灌機的遠程啟停系統(tǒng)是基于GPRS數(shù)據(jù)傳輸和MCGS組態(tài)軟件模塊，以PC機或手機短信的形式遠程遙控噴灌機的啟停，用戶在未到達大型噴灌機現(xiàn)場的情況下，可以通過該系統(tǒng)遠程啟停噴灌設備，方便對噴灌機的實時操作。遠程啟停系統(tǒng)主要由現(xiàn)場傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、預裝有MCGS嵌入版的觸摸屏電腦、GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、上位PC機、MCGS通用版組態(tài)軟件和相應的應用軟件等組成，原理如圖7所示。

遠程啟停系統(tǒng)還附帶有短信報警功能。短信報警終端通過開關量輸入節(jié)點與遠程監(jiān)測系統(tǒng)連接，設定初始值后，當監(jiān)測數(shù)據(jù)超過設定值時，控制終端發(fā)送警報短信給用戶手機，確認警情；然后，用戶可以選擇性的用自己的手機發(fā)送控制指令啟停噴灌機。所有通信都基于無線通訊，只要有手機信號就可以實施通訊，進行遠程遙控。

圖7　遠程啟停系統(tǒng)原理圖

2.5　調頻控制系統(tǒng)

在電動圓形噴灌機運行過程中，由于灌溉面積、農作物生長要求及用水目標等因素的不同，水的應用情況也有所不同。在實際運行過程中，僅通過出水口調節(jié)閥的節(jié)流來控制噴灌系統(tǒng)管道壓力，會增加管道阻力，造成電能的較大浪費。本設備是通過變頻技術控制噴灌機供水水泵電機的啟動電流，使輸水管道中的水壓保持恒定或產生微小波動，實現(xiàn)限制水泵啟動電流，穩(wěn)定工作水壓的目的，從而提高噴灌均勻度，同時大大降低能源消耗。

電動圓形噴灌機的調頻控制系統(tǒng)主要由PC機、變頻器、壓力傳感器等硬件及組態(tài)軟件開發(fā)平臺等組成，原理如圖8所示。

圖8　調頻控制原理圖

3田間監(jiān)測

3.1　田間監(jiān)測地基本情況

田間監(jiān)測地位于內蒙古鄂托克前旗昂素鎮(zhèn)哈日根圖嘎查，屬于中溫帶溫暖型干旱、半干旱大陸性氣候，冬寒漫長，夏熱短促，干旱少雨，風大沙多，蒸發(fā)強烈，日光充足；多年平均降水量為260.6mm，降水量年內分配不均勻；7-8月降水量一般占年降水量的30%~70%，6-9月降水量一般占年降水量的60%~90%。

該監(jiān)測地在當?shù)鼐哂写硇?，土地面積連片平整，有農業(yè)生產需要的基本機械設備，牧區(qū)牧戶有多年使用大型噴灌機的知識和經驗，有較好的大型噴灌機運行及維修條件；水源有保證，電力供應充足，電壓滿足設備作業(yè)要求；土壤條件滿足農業(yè)生產的要求，有無限通訊網絡，方便噴灌設備遠程智能信息化監(jiān)測的實現(xiàn)。

3.2　田間監(jiān)測內容

3.2.1地下水位及土壤含水量的監(jiān)測

通過在8DYP-315型電動圓形噴灌機的供水井處放置水位傳感器，實現(xiàn)對地下水位的監(jiān)測，從而分析得出噴灌對地下水位的影響程度。同時，通過在距離地表分別10、20、40、60cm不同深度土層上埋設水分傳感器，實現(xiàn)對不同深度土層土壤含水量的監(jiān)測，掌握噴灌對不同深度土層土壤含水量的影響。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，分析得出變化曲線，具體監(jiān)測數(shù)據(jù)變化曲線分別如圖9和圖10所示。

圖9　地下水位變化曲線

圖10　不同土層土壤含水量變化曲線

根據(jù)地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：在5-8月期間，地下水位變化較緩，水位大致在距地表以下350cm左右波動，表明該處噴灌強度不超過土壤入滲速率，地下水量能夠及時自動補給、水量充足，完全能夠保證作物生長需水；從8-10月中旬，該地區(qū)進入雨季，自然降水量增大，地下水補給速率大于灌溉用水速率，地下水位上升，最高時地下水位可以達到距地表260cm左右，充分說明該地區(qū)的噴灌強度對地下水位變化影響不大，不會造成地下水位越來越低，水越抽越少的情況出現(xiàn)。

從0～30cm淺層土壤含水率變化趨勢可以看出：噴灌機剛開始灌溉時，土壤含水量顯著增加，灌溉10天以后，土壤含水量開始逐漸下降，到6月底土壤含水率降到最低點8.5%左右，說明該監(jiān)測區(qū)土壤保水性較差，水分不容易聚集，對生育期內需水量較大的作物而言，應提高灌水定額。對比0~30cm與40~60cm不同深度土層，可以得出0～30cm淺層土壤含水量明顯高于40～60cm深層土壤含水量，充分說明了對作物的水分補充主要集中在土壤表層。雖然土壤保水性較差，水分易下滲，但不會產生深層滲漏，這將有效提高作物生長期水分利用率，保證農作物的正常生長。從曲線可以得出，該處的田間最大持水量大致在10%～11%左右。

3.2.2電動圓形噴灌機運行狀況監(jiān)測

通過對8DYP-315型電動圓形噴灌機和維蒙特圓形噴灌機的運行狀態(tài)進行對比監(jiān)測，分析安裝和未安裝調頻控制系統(tǒng)對設備節(jié)水與節(jié)電效果的影響。同時，應用遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對作物的生長環(huán)境進行了監(jiān)測，為進一步的科學灌溉提供數(shù)據(jù)支撐。設備運行監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表2所示；作物的生長環(huán)境因子監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖11所示。

表2　設備運行監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

圖11　作物生長環(huán)境因子監(jiān)測數(shù)據(jù)

通過數(shù)據(jù)分析得出：8DYP-315型圓形噴灌設備相比維蒙特圓形噴灌機而言，節(jié)電30%左右，節(jié)水10%左右。節(jié)電的主要原因在于調頻控制系統(tǒng)的使用。未安裝調頻控制系統(tǒng)時，水壓不能調節(jié)，水壓處于最大值；安裝有調頻控制系統(tǒng)可以使水壓由原來的35psi調整為20psi，等同于電機功率的下降。電機的功率與水泵葉輪轉速成正比立方的關系，在保證噴灌機噴頭霧化的條件下，合理減低水泵葉輪轉速，會使水泵功率迅速下降，從而實現(xiàn)節(jié)電。另外，由于水壓降低使單位時間內噴頭的出水量減少，可以使噴灌機低速慢行，導致噴灌機行走電機更多時間處于非運轉狀態(tài)，起到節(jié)電效果。節(jié)水的主要原因在于：同時安裝有土壤濕度傳感器和調頻控制系統(tǒng)會使灌溉更加合理，有了灌溉的尺度，方便控制，不會出現(xiàn)過量灌溉。由于噴灌機是用走走停停的辦法控制行走速度的，所以適當?shù)恼{低水壓，可以使出水速度減?。患词箛姽鄼C行走速度減慢，但使得噴灑更加均勻，灌溉過程避免出現(xiàn)地表徑流，更合理地利用水資源。

同時，調頻控制系統(tǒng)還可以起到穩(wěn)定電流和水壓的作用，杜絕了水泵啟動帶來的噴灌機電源跳閘現(xiàn)象的發(fā)生，保證使噴灌機始終工作在水壓恒定的合理狀態(tài)，節(jié)電節(jié)水，運行可靠。

4結論

設計并研制了8DYP-315型電動圓形噴灌機，該噴灌機具有以下特點：①中心支軸旋轉密封處采用多附唇形密封技術，可提高設備密封性能及防止管道漏水；②圓形噴灌設備配備了智能噴灌設備遠程監(jiān)控系統(tǒng)，提高了自動化程度，實現(xiàn)了通過網絡或手機的遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測與控制；③研發(fā)了精準灌溉控制系統(tǒng)，采用變頻技術，對水泵電機的啟動電流及水壓進行控制，限制啟動電流，穩(wěn)定水壓，起到節(jié)電、節(jié)水效果。

通過對監(jiān)測區(qū)內進行噴灌設備信息化監(jiān)測，更準確地掌握監(jiān)測區(qū)內電動圓形噴灌機的運轉情況及灌溉土壤的數(shù)據(jù)情況。其中，遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了噴灌機現(xiàn)場空氣和土壤溫濕度的監(jiān)測、噴灌機的水壓、水位、流量、電量及運行情況等數(shù)據(jù)的監(jiān)測。這為電動圓形噴灌設備運行穩(wěn)定性及實現(xiàn)作物生長農藝要求提供了基礎性保障。

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Abstract ID:1003-188X(2016)11-0209-EA

Study and Field Monitoring of 8DYP-315 Type Electric Circular Sprinkler

Zhang Ping，Wang Quanxi，Cheng Jinyuan， Li Yonglong，Zhai Gaixia，Qian Wang

(Hohhot Branch of Chinese Academy of Agricultural Mechanical Sciences, Hohhot 010020, China)

Abstract：The design and research of 8DYP-315 type electric circular sprinkler were expounded in the paper. And based on the systems installed on the 8DYP-315 type electric circular sprinkler such as remote data monitoring system, remote start-stop system and frequency modulation control system,the real-time monitoring and controlling on the the related data of the crop growth environment and the running stat of the sprinkler were supervised. And in this way, it could guarantee a combination of the sprinkler and factors that influence the crop growth such as ground water, soil, climate, crop, topography and economy. At the same time,by analyzing the monitoring data,the factors that influence the crop growth such as the changes of underground water level, the soil moisture content changes of the different layers and sprinkler operation condition and so on were mastered. So that the circular sprinkler’insufficient in the aspect of information real-time monitoring can be improved,and the further promotion of circular sprinkler demonstration will be ensured.

Key words：circular sprinkler； data collection； remote monitoring； frequency control； real-time monitoring

中圖分類號：S275.5；S49

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0209-05

作者簡介：張平(1983-),男,內蒙古扎蘭屯人,工程師,碩士, (E-mail)zhangping11112007@163.com。

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD06B04)

收稿日期：2015-10-12