摘 要：新疆以滴灌為主要模式的農(nóng)業(yè)高效節(jié)水面積有373萬(wàn)hm2，占總灌溉面積的62.8%，滴灌為新疆農(nóng)業(yè)節(jié)水增效、協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)社會(huì)生態(tài)環(huán)境用水結(jié)構(gòu)，提高水資源利用效率發(fā)揮了重要作用。隨著滴灌節(jié)水技術(shù)大面積規(guī)?；瘧?yīng)用，近年來(lái)滴灌自動(dòng)化灌溉控制技術(shù)得到應(yīng)用發(fā)展，為滴灌技術(shù)提質(zhì)增效、工程綜合效益發(fā)揮、灌溉農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化管理提供了重要支撐。本文對(duì)滴灌控制系統(tǒng)田間終端控制閥和控制方式關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及存在問(wèn)題，進(jìn)行了回顧和總結(jié)分析，介紹了新疆自主創(chuàng)新研發(fā)的互聯(lián)網(wǎng)+新型節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)終端控制閥應(yīng)用，并就拓展互聯(lián)網(wǎng)和云端技術(shù)+灌溉自動(dòng)化控制、灌溉用水?dāng)?shù)字化、農(nóng)田灌溉監(jiān)測(cè)智能化研發(fā)應(yīng)用進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：滴灌自動(dòng)化;終端控制閥;控制方式;應(yīng)用研發(fā);展望

中圖分類(lèi)號(hào)：S27 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20200330013

滴灌是我國(guó)尤其是干旱區(qū)新疆農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉的主模式，資料顯示，截至2018年，新疆以滴灌為主要模式農(nóng)業(yè)高效節(jié)水面積達(dá)373萬(wàn)hm2[1，2]，占總灌溉面積62.8%。大面積的滴灌推廣應(yīng)用，使得滴灌高效節(jié)水節(jié)肥、增產(chǎn)高效、水資源利用效率、生態(tài)用水改善等優(yōu)勢(shì)不斷顯現(xiàn)，為新疆農(nóng)業(yè)節(jié)水增效、協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)社會(huì)生態(tài)環(huán)境用水結(jié)構(gòu)發(fā)揮了重要作用。隨著滴灌高效節(jié)水灌溉規(guī)?；竺娣e應(yīng)用，基于滴灌技術(shù)提質(zhì)增效推進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變目標(biāo)，大力發(fā)展應(yīng)用農(nóng)業(yè)灌溉自動(dòng)化技術(shù)，進(jìn)一步釋放最大限度發(fā)揮滴灌效應(yīng)已顯得十分迫切。滴灌田間終端控制閥及控制方式是自動(dòng)化控制應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，目前滴灌田間控制閥主要為人工手動(dòng)式管理存在明顯不足：人為操作隨意性，合適滴灌用水制度不能有效實(shí)施，影響了滴灌節(jié)水增效;人為傳統(tǒng)滴灌管理工作效率低運(yùn)行成本大，據(jù)測(cè)算[3]滴灌自動(dòng)化控制技術(shù)應(yīng)用，可使人工管理定額提高近6倍，管理費(fèi)用降低50%，水、肥灌溉均勻度均提高20%，節(jié)水增產(chǎn)5%～20%，實(shí)施節(jié)水灌溉自動(dòng)化管理，具有節(jié)水增效節(jié)本降耗效果。本文在總結(jié)滴灌節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)新疆灌區(qū)滴灌自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀、存在的主要問(wèn)題及發(fā)展進(jìn)行了分析研究。

1 自動(dòng)化控制閥及控制方式現(xiàn)狀

1.1 終端電磁閥應(yīng)用

電磁閥是節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)常用的控制設(shè)備[4，5]，采用工業(yè)耐用玻璃纖維尼龍材質(zhì)，使用壽命長(zhǎng)，對(duì)工作環(huán)境無(wú)苛刻要求;閥體采用全通徑設(shè)計(jì)，無(wú)阻隔閥口，保證了一定水流通過(guò)性能，能把水損失降到最小;同時(shí)電磁閥外形尺寸小，既節(jié)省空間又輕巧美觀，具有易于安裝維護(hù)等優(yōu)點(diǎn);電磁閥在自動(dòng)控制方面還具有響應(yīng)時(shí)間短、動(dòng)作快捷、啟閉功率小等優(yōu)點(diǎn)，是節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制用量較多的控制設(shè)備。該設(shè)備在新疆灌區(qū)實(shí)際應(yīng)用表明，實(shí)用效果與預(yù)期尚有較大差距，主要原因?yàn)楣喔人|(zhì)處理水平無(wú)法滿(mǎn)足電磁閥運(yùn)行要求。電磁閥獨(dú)特的啟閉原理及結(jié)構(gòu)，對(duì)灌溉水質(zhì)潔凈度要求很高，達(dá)不到電磁閥傳導(dǎo)壓力的導(dǎo)流孔就會(huì)常常因此而被堵塞，出現(xiàn)電磁閥開(kāi)關(guān)不能正常啟閉問(wèn)題;電磁閥需要在一定管道水壓作用下才能進(jìn)行啟閉，管道水壓較小時(shí)，無(wú)法對(duì)電磁閥進(jìn)行啟閉操作;電磁閥啟閉原理及結(jié)構(gòu)限定了其開(kāi)度大小，只能是全開(kāi)或全閉，無(wú)法根據(jù)灌溉需要通過(guò)調(diào)整閥門(mén)開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)灌溉水量。

1.2 終端電動(dòng)閥應(yīng)用

1.2.1 碟式電動(dòng)閥

針對(duì)電磁閥不能很好適應(yīng)灌溉水質(zhì)而正常使用的問(wèn)題，研究人員研發(fā)出了全金屬材質(zhì)，閥體內(nèi)部采用蝶閥形式的電動(dòng)閥，采用有線(xiàn)供電方式為電動(dòng)閥提供啟閉動(dòng)力，電源線(xiàn)沿輸水管道布設(shè)，電動(dòng)閥分散分布于田間供水出地樁之處，體型較大、重量較重，運(yùn)行功耗較高，出地樁都相隔一定距離，電源線(xiàn)用量較大，節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)成本因此增大;同時(shí)作物生長(zhǎng)期由于田間農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)，如中耕、打藥等，電動(dòng)閥電源線(xiàn)也會(huì)因此而受到不同程度的損壞，影響節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2.2 梯形電動(dòng)閥

梯形電動(dòng)閥也稱(chēng)球形電動(dòng)閥，閥體內(nèi)部有一球狀閥芯，閥芯上開(kāi)有圓形出水口，閥芯內(nèi)部中空，閥芯底部進(jìn)水口通過(guò)中空閥芯與閥芯出水口貫通，閥芯頂部通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸與閥體的驅(qū)動(dòng)裝置相連，帶動(dòng)閥芯出水口向閥體左右兩側(cè)的出水口轉(zhuǎn)動(dòng)，閥芯出水口與閥體一側(cè)出水口重合時(shí)，即可向該側(cè)支管輸水，閥芯出水口轉(zhuǎn)至與閥體出水口垂直方向時(shí)，閥體處于關(guān)閉狀態(tài)。梯形電動(dòng)閥過(guò)水通道口徑較大，在灌溉水質(zhì)處理較低情況下，不易出現(xiàn)被堵塞現(xiàn)象，較好地克服了電磁閥易受灌溉水質(zhì)影響問(wèn)題。梯形電動(dòng)閥外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)、緊湊合理、簡(jiǎn)單、巧妙，電動(dòng)閥控制板、信號(hào)接收電線(xiàn)、電機(jī)及電動(dòng)閥減速器等都集成在電動(dòng)閥腹腔內(nèi)，形成了渾然一體的效果，工作功耗較小，新疆滴灌節(jié)水灌溉對(duì)此進(jìn)行了應(yīng)用。但在近年實(shí)際運(yùn)行中也暴露出了一些問(wèn)題：開(kāi)啟與關(guān)閉時(shí)，為了防止電動(dòng)閥滲漏水，需要球狀閥芯緊貼閥體內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，柳樹(shù)飄絮或楊樹(shù)揚(yáng)花期，灌溉水內(nèi)常混有楊花、柳絮等毛狀雜物進(jìn)入球狀閥芯與閥體之間接縫，影響球狀閥芯在閥體內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)甚至無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)（見(jiàn)圖1a）;電動(dòng)閥處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，閥體內(nèi)側(cè)與球狀閥芯出水口接觸面始終處于灌溉水中，灌溉水中裹挾部分細(xì)小泥沙不可避免的沉積在接觸面上（見(jiàn)圖1b），導(dǎo)致電動(dòng)閥出現(xiàn)無(wú)法打開(kāi)，如果強(qiáng)行轉(zhuǎn)動(dòng)，球狀閥芯球面上出現(xiàn)明顯擦痕擦傷，出現(xiàn)封水效果不好，漏水較大問(wèn)題。

1.2.3 電動(dòng)閥改進(jìn)探索

當(dāng)前有關(guān)技術(shù)人員探索在手動(dòng)球閥基礎(chǔ)上，加裝電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，將滴灌系統(tǒng)手動(dòng)球閥改裝成電動(dòng)球閥并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。該研究在電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置中分別設(shè)計(jì)了控制裝置和驅(qū)動(dòng)裝置，并裝置2個(gè)獨(dú)立電源，分別向控制裝置和驅(qū)動(dòng)裝置供電?？紤]到驅(qū)動(dòng)手動(dòng)球閥啟閉所需力矩較大，需要消耗較大功耗，為此驅(qū)動(dòng)裝置配置了較大容量鋰電池。但在實(shí)際中驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)行功耗較高，為節(jié)省電力，日常情況下處于休眠狀態(tài)，使用時(shí)需提前1d喚醒，這影響了滴灌實(shí)時(shí)控制灌溉的效果。

1.3 自動(dòng)化控制方式

目前，自動(dòng)化控制系統(tǒng)是在滴灌系統(tǒng)首部設(shè)自動(dòng)化控制室，由電腦軟件對(duì)農(nóng)田終端控制閥門(mén)進(jìn)行調(diào)控，節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)配置專(zhuān)人在灌溉期值守。雖然管理人員可以不用手動(dòng)開(kāi)關(guān)田間控制閥，但控制人員必須在控制室才能對(duì)田間控制閥進(jìn)行灌溉控制，每個(gè)節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)都是獨(dú)立的，無(wú)法與外界聯(lián)通?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)，將田間終端控制閥門(mén)直接接入互聯(lián)網(wǎng)，形成互聯(lián)網(wǎng)+節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)，通過(guò)手機(jī)、電腦等智能終端登錄控制平臺(tái)進(jìn)行田間終端控制閥控制，這是全面提升滴灌自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用管理必由之路。

2 面臨問(wèn)題及技術(shù)探索

2.1 存在的主要問(wèn)題

田間終端控制閥及灌溉信息控制方式，是滴灌自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，新疆滴灌自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀表明，目前引進(jìn)和國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的不同型號(hào)規(guī)格控制閥，具有輕便耐用和啟閉功率小等優(yōu)點(diǎn)[6-8]，但這些設(shè)備對(duì)灌溉水質(zhì)潔凈度要求高，以及由于部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)原因時(shí)常發(fā)生因田間雜物而影響運(yùn)轉(zhuǎn)，時(shí)常發(fā)生導(dǎo)流孔易堵塞無(wú)法調(diào)節(jié)灌溉水量，農(nóng)田作物揚(yáng)花、防風(fēng)林木柳絮等纖維狀雜物進(jìn)入球狀閥芯與閥體之間接縫，影響球狀閥芯在閥體內(nèi)正常轉(zhuǎn)動(dòng)等[9-11]。同時(shí)，滴灌自動(dòng)化信息控制方式方面，基本處于單一傳統(tǒng)管理方式，嚴(yán)重影響制約了節(jié)水灌溉自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用發(fā)展。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)探索

2.2.1 田間終端控制閥

針對(duì)灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)田間終端控制閥的技術(shù)缺陷，在嘗試了多種解決方案后，對(duì)現(xiàn)有PE截止閥進(jìn)行電動(dòng)改造，并可接入互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，改造的電動(dòng)式PE截止閥具有重量輕、功率小、易拆卸維修和使用[12]（圖2）。經(jīng)大量運(yùn)行測(cè)試表明，PE截止閥獨(dú)特的啟閉方式通過(guò)調(diào)整進(jìn)出水方向，在一定程度上降低電動(dòng)式PE截止閥啟閉功耗。從閥蓋的方向進(jìn)水可以利用管道水壓輔助閥門(mén)進(jìn)行啟閉，關(guān)閥時(shí)，閥蓋由克服水壓向下運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為將水壓施加在閥蓋上向下運(yùn)動(dòng)。改后閥門(mén)變成閥蓋方向進(jìn)水，其最大瞬時(shí)功率與改造前的閥蓋背面進(jìn)水方式比較，功率平均降低92.8%，有效降低電動(dòng)式PE截止閥啟閉功耗，由此，電動(dòng)式PE截止閥僅需配備極小功率電機(jī)就可滿(mǎn)足實(shí)際灌溉控制。同時(shí)，改后的閥體內(nèi)部過(guò)水通道較大，即使灌溉水質(zhì)較為渾濁，灌溉水依然可以通暢的流過(guò)電動(dòng)式PE截止閥;即使在管道沒(méi)有水壓或是管道水壓較小情況下，依靠自身動(dòng)力也能順利進(jìn)行啟閉。成功地解決了電磁閥與現(xiàn)狀梯形電動(dòng)閥易受灌溉水質(zhì)、水壓影響而不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)的問(wèn)題。

2.2.2 自動(dòng)化灌溉控制方式

將電動(dòng)式PE截止閥與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，形成互聯(lián)網(wǎng)+新型節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)，由上位控制平臺(tái)（節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制網(wǎng)站）、集中控制器、田間終端3部分組成（圖3）。灌溉人員通過(guò)手機(jī)、電腦等智能終端登錄“節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制網(wǎng)站”，對(duì)田間終端電動(dòng)式PE截止閥發(fā)送控制指令，指令信號(hào)借助GPRS無(wú)線(xiàn)通訊信號(hào)送達(dá)至集中控制器，再由集中控制器通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)將控制指令，轉(zhuǎn)發(fā)至田間終端驅(qū)動(dòng)電動(dòng)式PE截止閥執(zhí)行灌溉控制?；ヂ?lián)網(wǎng)+新型節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)涉及軟件工程、自動(dòng)化控制、機(jī)械設(shè)計(jì)等學(xué)科，對(duì)運(yùn)行維護(hù)人員技術(shù)有很高要求，考慮到管理人員實(shí)際文化程度降低系統(tǒng)維護(hù)難度，便于系統(tǒng)技術(shù)管理運(yùn)行，為此系統(tǒng)研發(fā)出了故障監(jiān)測(cè)即時(shí)推送功能，將系統(tǒng)集中控制器和田間終端分解為各個(gè)功能模塊，且可以即插即用。當(dāng)某一功能模塊出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)后，將該功能模塊故障信息即時(shí)推送至用戶(hù)持有智能終端，用戶(hù)根據(jù)系統(tǒng)推送故障信息，將備用功能模塊替換故障功能模塊，無(wú)需用戶(hù)對(duì)故障功能模塊維修確保了系統(tǒng)正常運(yùn)行（圖4）。研發(fā)系統(tǒng)經(jīng)新疆博州水利灌溉試驗(yàn)站36hm2滴灌田間應(yīng)用，驗(yàn)證了系統(tǒng)功能模塊劃分的合理性，系統(tǒng)功能模塊進(jìn)一步優(yōu)化為1號(hào)電動(dòng)閥模塊、2號(hào)電動(dòng)閥模塊、電池模塊、太陽(yáng)能充電模塊、存儲(chǔ)芯片模塊、集中控制器模塊;檢驗(yàn)了系統(tǒng)對(duì)各功能模塊故障信息監(jiān)測(cè)及推送至灌溉管理人員手持智能終端有效性，灌溉管理運(yùn)行過(guò)程中農(nóng)戶(hù)能據(jù)系統(tǒng)推送故障信息及時(shí)排障管護(hù)，提升了節(jié)水灌溉自動(dòng)化人機(jī)互動(dòng)智能化管理水平。

3 展望

目前研發(fā)的互聯(lián)網(wǎng)+滴灌田間終端控制閥及智能控制灌溉系統(tǒng)應(yīng)用，將傳統(tǒng)工作量大、效率低、故障難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理等落后管理，變成為農(nóng)戶(hù)手機(jī)終端登陸云平臺(tái)遠(yuǎn)程控制田間控制閥，實(shí)現(xiàn)了操作簡(jiǎn)單易懂、方便農(nóng)戶(hù)、故障檢測(cè)及時(shí)排除等智能式管理模式。隨著現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展，進(jìn)一步研發(fā)構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)和云端技術(shù)+灌溉自動(dòng)化控制、灌溉數(shù)字化、灌溉監(jiān)測(cè)智能化，是當(dāng)前和今后灌溉技術(shù)研究應(yīng)用重要方向，對(duì)新疆乃至我國(guó)農(nóng)業(yè)節(jié)水綜合效益發(fā)揮、灌溉水資源有效利用具有重要意義。

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（責(zé)任編輯 李媛媛）