高建新，何建村，白云崗

(新疆水利水電科學(xué)研究院，烏魯木齊 830049)

高效節(jié)水灌溉技術(shù)的“節(jié)水、節(jié)肥、高產(chǎn)、高效、促進(jìn)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境改善、促進(jìn)農(nóng)村生產(chǎn)經(jīng)營方式轉(zhuǎn)變”優(yōu)勢效應(yīng)得到了較好的顯現(xiàn)，是解決干旱區(qū)域水資源短缺、提高水資源利用效率的有效措施[1]。近年來，新疆高效節(jié)水發(fā)展迅猛，截至2016年底，新疆高效節(jié)水灌溉技術(shù)推廣應(yīng)用面積超過333.33 萬hm(含兵團(tuán)100 萬hm)，占全國總面積的60%以上；預(yù)計到2020年，新疆高效節(jié)水灌溉技術(shù)規(guī)劃推廣應(yīng)用面積將達(dá)406.67 萬hm[2]。隨著新疆節(jié)水向“提質(zhì)增效”的發(fā)展，人工控制隨意性造成的弊端愈發(fā)凸顯，自動化控制灌溉已成為大勢所趨。據(jù)科學(xué)測算，手動高效節(jié)水技術(shù)進(jìn)行自動化升級改造后，可使人工管理定額提高近6倍，人工管理費用降低50%左右；水、肥灌溉均勻度均可提高20%左右；可使種植棉花籽棉單產(chǎn)增產(chǎn)5%～10%左右、節(jié)水20%～30%、降低施肥成本10%、畝均增效可達(dá)100元；因此提升節(jié)水灌溉自動化水平，實現(xiàn)節(jié)水、減員、增效就成為當(dāng)前節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展的重要方向[3-6]。

目前在新疆節(jié)水灌溉自動化市場上應(yīng)用的田間終端控制閥主要系引進(jìn)美國、以色列等國的電磁閥及國內(nèi)部分研發(fā)單位自主研發(fā)的電動閥。電磁閥具有輕便耐用，在自動控制方面還具有響應(yīng)時間短，動作快捷，啟閉功率小等優(yōu)點[7]。但其對灌溉水質(zhì)的潔凈度要求很高，導(dǎo)流孔易堵塞、啟閉需要較高的管道水壓，啟閉只能是全開或全閉，無法調(diào)節(jié)灌溉水量；球形電動閥外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計科學(xué)、緊湊合理、簡單、巧妙，電動閥控制板，信號接收電線、電機及電動閥減速器等都被集成在了電動閥腹腔內(nèi)，形成了渾然一體的效果，較好的克服了電磁閥易受灌溉水質(zhì)影響的問題[8,9]。但在開啟與關(guān)閉時，楊花、柳絮等纖維狀雜物進(jìn)入球狀閥芯與閥體之間的接縫后，常會使球狀閥芯在閥體內(nèi)轉(zhuǎn)動困難，有時球狀閥芯甚至?xí)霈F(xiàn)無法轉(zhuǎn)動的情況，造成打不開關(guān)不住的問題；電動閥采用有線供電方式為提供啟閉動力，電源線沿輸水管道布設(shè)，電源線用量較大，自動化控制系統(tǒng)的成本增大，同時在作物生長期影響田間機械作業(yè)，如中耕、打藥等，甚至受到破壞[10-12]。

針對現(xiàn)狀節(jié)水灌溉自動化系統(tǒng)終端控制閥存在的問題，在嘗試了多種解決方案后，我們通過對現(xiàn)有PE截止閥進(jìn)行電動改造，形成電動PE截止閥，將其接入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，使其成為互聯(lián)網(wǎng)+新型節(jié)水灌溉自動化控制系統(tǒng)的組成部分即田間終端控制閥，借助PE截止閥閥體自身獨特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢解決了自動化控制系統(tǒng)田間終端控制閥易受灌溉水質(zhì)影響的問題。

1 電動PE截止閥工作原理及其特點

電動PE截止閥由電機、傳動裝置、PE截止閥等構(gòu)成，結(jié)構(gòu)較為簡單，如圖1所示。PE截止閥閥體內(nèi)裝置有可對水流進(jìn)行控制的閥蓋，阻斷水流時將閥蓋降落在閥體內(nèi)進(jìn)出水口上即可實現(xiàn)；開啟水流時，將閥蓋提起，即可使水流暢通。閥蓋的起降均可由遠(yuǎn)程控制電機借助傳動裝置帶動閥蓋實現(xiàn)。鑒于電動PE截止閥的啟閉原理，電動PE截止閥可以通過對閥蓋升降高度即閥蓋開度大小的控制調(diào)節(jié)通過閥體的過水流量，滿足電動PE截止閥控制不同面積作物對灌溉水量的需求。電動PE截止閥結(jié)構(gòu)簡單，重量較輕，具有易于拆卸、維修和運輸?shù)忍攸c。

圖1 電動PE截止閥結(jié)構(gòu)示意圖

將電動PE截止閥研發(fā)成功后，我們對其進(jìn)行了大量的運行測試，在這個過程中發(fā)現(xiàn)，PE截止閥獨特的啟閉方式通過調(diào)整進(jìn)出水方向，可以在一定程度上降低電動PE截止閥的啟閉功耗。從閥蓋方向進(jìn)水時可以利用管道水壓輔助閥門進(jìn)行啟閉，關(guān)閥的時候，閥蓋由克服水壓向下運動轉(zhuǎn)為將水壓施加在閥蓋上向下運動，如圖1所示。從表1可看出，從閥蓋方向進(jìn)水關(guān)閥所用的最大瞬時功率可比從閥蓋背面進(jìn)水時關(guān)閥所用的最大瞬時功率平均降低92.8%；開閥的時候，由從閥蓋背面進(jìn)水頂托閥蓋上升轉(zhuǎn)為從閥蓋方向進(jìn)水將閥蓋提離閥體進(jìn)出水口后，部分水壓即可開始自行卸載，隨著閥蓋開度越提越大，自行卸載的水壓也越大，從閥蓋方向進(jìn)水比從閥蓋背面進(jìn)水開閥瞬時功率僅增加了約33%；綜合比較即將從閥蓋方向進(jìn)水時開閥所用的最大瞬時功率與從閥蓋背面進(jìn)水時關(guān)閥所用的最大瞬時功率比較，過水流量在40～70 m3/h時，瞬時功率平均降低約25%；過水流量在75～95 m3/h時，瞬時功率平均降低約52%。從表1數(shù)據(jù)可看出，通過調(diào)整閥體進(jìn)出水方向，可有效降低電動PE截止閥啟閉功耗。在這種情況下，再疊加電動PE截止閥中利用機械原理設(shè)計的減速裝置降低電機功率的效應(yīng)，電動PE截止閥僅需配備極小功率的電機就可滿足實際灌溉控制。

表1 電動PE截止閥不同流量開關(guān)閥瞬時功率比較表

將電動PE截止閥作為互聯(lián)網(wǎng)+新型節(jié)水灌溉自動化控制系統(tǒng)的終端控制閥具有顯著的優(yōu)點，首先是閥體內(nèi)部過水通道較大，從圖1即可看出，即使灌溉水質(zhì)較為渾濁，灌溉水依然可以通暢的流過電動PE截止閥；其次是電動PE截止閥即使在管道沒有水壓或是管道水壓較小的情況下，依靠自身動力也能順利進(jìn)行啟閉。電動PE截止閥先天具有的這兩個優(yōu)勢成功地解決了電磁閥與現(xiàn)狀球形電動閥易受灌溉水質(zhì)、水壓影響而不能正常運行的問題，因此，我們?nèi)卵兄频碾妱覲E截止閥徹底解決了節(jié)水灌溉自動化技術(shù)中終端控制閥在現(xiàn)狀灌溉水質(zhì)處理水平下無法滿足實際灌溉運行的問題。

2 節(jié)水灌溉自動化技術(shù)中控制系統(tǒng)的研究創(chuàng)新

互聯(lián)網(wǎng)+新型節(jié)水灌溉自動化控制系統(tǒng)，由上位控制平臺(節(jié)水灌溉自動化控制網(wǎng)站)、集中控制器、田間終端三部分組成，如圖2所示。

圖2 互聯(lián)網(wǎng)+新型節(jié)水灌溉自動化控制系統(tǒng)示意圖

灌溉控制人員通過手機、電腦等智能終端登錄節(jié)水灌溉自動化控制網(wǎng)站對田間終端電動PE截止閥發(fā)送控制指令，指令信號借助GPRS無線通訊信號送達(dá)集中控制器，再由集中控制器通過無線射頻技術(shù)將控制指令轉(zhuǎn)發(fā)至田間終端驅(qū)動電動PE截止閥執(zhí)行灌溉控制指令?；ヂ?lián)網(wǎng)+新型節(jié)水灌溉自動化控制系統(tǒng)涉及軟件工程、自動化控制、機械設(shè)計等學(xué)科，對運行維護(hù)人員的知識水平有很高的要求。實際情況是很難有專業(yè)技術(shù)人員能同時掌握上述相關(guān)學(xué)科的專業(yè)知識對系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，實際運行中面對的更是無任何專業(yè)基礎(chǔ)的灌溉控制人員。降低系統(tǒng)維護(hù)難度，使系統(tǒng)出現(xiàn)故障時易于維護(hù)成為我們研發(fā)互聯(lián)網(wǎng)+新型節(jié)水灌溉自動化控制系統(tǒng)著重考慮的一個方面。針對此我們在系統(tǒng)中研發(fā)出了故障監(jiān)測即時推送功能，將系統(tǒng)集中控制器和田間終端分解為各個功能模塊，即插即用，當(dāng)某一功能模塊出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)后，即可將該功能模塊的故障信息即時推送至用戶持有的智能終端，用戶根據(jù)系統(tǒng)推送的故障信息，用備用的功能模塊替換掉故障功能模塊即可，無須用戶對故障功能模塊進(jìn)行維修，即能保障系統(tǒng)的再次運行，如圖3和圖4所示。

圖4 互聯(lián)網(wǎng)+新型節(jié)水灌溉自動化控制系統(tǒng)終端功能模塊分解圖

系統(tǒng)研發(fā)成功后，首先通過試驗測試驗證了系統(tǒng)功能模塊劃分的合理性，并將系統(tǒng)功能模塊進(jìn)一步優(yōu)化為1號電動閥模塊、2號電動閥模塊、電池模塊、太陽能充電模塊、存儲芯片模塊、集中控制器模塊；其次檢驗了系統(tǒng)對各功能模塊故障信息監(jiān)測并即時將故障信息推送至灌溉控制人員手持智能終端的有效性，同時對系統(tǒng)故障監(jiān)測即時推送功能進(jìn)行了進(jìn)一步的完善，根據(jù)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障及在實際測試運行中出現(xiàn)的故障產(chǎn)生機理，研發(fā)出了相應(yīng)的監(jiān)測措施。系統(tǒng)發(fā)生的如表2所列的每一項故障，灌溉控制人員手持智能終端都能即時收到相應(yīng)的推送信息。

表2 互聯(lián)網(wǎng)+新型節(jié)水灌溉自動化控制系統(tǒng)故障代碼表

通過實際測試檢驗可看出互聯(lián)網(wǎng)+新型節(jié)水灌溉自動化控制系統(tǒng)田間終端已不僅僅是被動地接入了互聯(lián)網(wǎng)，其還能通過互聯(lián)網(wǎng)與控制人員實現(xiàn)信息互動，對其實時感知，已經(jīng)上升到了智聯(lián)網(wǎng)在節(jié)水灌溉自動化中應(yīng)用的層面，達(dá)到了人機能實時互動的程度，實現(xiàn)了人工智能在節(jié)水灌溉自動化技術(shù)中的初步應(yīng)用。

3 結(jié) 語

針對當(dāng)前節(jié)水灌溉自動化技術(shù)發(fā)展面臨的瓶頸問題，對其研究解決方案只能考慮在新疆現(xiàn)階段經(jīng)濟社會發(fā)展水平下予以實現(xiàn)，而不能超越當(dāng)前時代。對互聯(lián)網(wǎng)+新型節(jié)水灌溉自動化控制系統(tǒng)的研發(fā)完全著眼于在當(dāng)前經(jīng)濟社會條件下，能否解決節(jié)水灌溉自動化技術(shù)發(fā)展中面臨的問題這一目標(biāo)進(jìn)行，目前經(jīng)過項目組在新疆博州水利灌溉試驗站的田間中試，實際運行效果完全達(dá)到了研發(fā)之初設(shè)定的各項研發(fā)目標(biāo)，使互聯(lián)網(wǎng)+新型節(jié)水灌溉自動化控制系統(tǒng)助力新疆節(jié)水灌溉得到迅速發(fā)展成為了可能。