自动化控制系统在农业节水灌溉工程中的应用
徐州市山区节水灌溉示范基地管理处 221000
摘 要：文章介绍了以组态软件为开发平台，利用继电器输出模块，数字量输入模块和模拟量输入模块等设备与计算机控制中心组成一体化的自动化控制系统，并通过对土壤湿度、空气温、湿度等环境因子进行实时采集、监控等信息，结合灌区灌溉计划，实现灌区灌溉自动化控制。该系统已在徐州农科院节水灌溉工程实际中得到了成功应用。
关键词：节水灌溉 自动化 控制系统
1 引言
我国是一个水资源匮乏和水旱灾害频繁的国家，农业灌溉是用水大户，其用水量占全国总水量的70%。由于大部分农田长期采用沟渠漫灌，输水渠道大部分是土渠，加上工程老化、失修、配套不全，不能及时灌水、过量灌水或灌水不足，以及灌水过程中的渗漏、蒸发等原因，导致农业灌溉用水利用率较低和水资源浪费严重。据资料显示，我国农业灌溉用水的综合利用率为40%，仅为发达国家的一半左右，因此，国家一直大力提倡节水灌溉。目前，管道输水、喷灌、微灌等灌溉技术是当今世界上节水效果比较显著的技术，其灌溉水利用效率可达70～80%，而采用计算机自动化控制的农田节水灌溉系统，是农业大力发展高效节水灌溉的重要方向。
本文通过徐州农科院节水灌溉工程自动化控制灌溉系统的应用实践，着力阐述了基于PLC操作面的灌溉自动控制系统的系统结构和系统软件应用等问题。
2 自动化控制系统结构
2.1自动化控制系统总体结构
徐州市农科院节水灌溉工程总灌溉面积50亩，灌区由12座大型连拱式大棚组成，设计采用微喷灌溉模式。整个灌区采用自动控制系统，设计每座棚内均设置支管，在分干管、支管间利用等径支管短管连接，电磁阀和信号收发设备布设在短管上，通过电缆传输到泵房内的计算机控制中心，控制中心依据需水的孔口数量确定打开电磁阀的个数，自动或手动开机灌溉。主干管自泵站出水口沿灌溉区南侧布设，分干管垂直主干管程单“非”形布设至大棚外端，分干管上共设有12个给水口，由电磁阀控制后连接支管，每个给水口处设置大棚给水信号开关一只，当该棚需要供水时，只需启动信号开关，控制中心会有相应的声光报警提示，控制中心即可远程控制水泵和该棚的电磁阀，实施供水。当环境因子传感器上传灌水强度（土壤湿润度）已达到设定的灌溉水量时，控制中心会自动停泵或关闭电磁阀。控制系统主要是利用PC机远程控制水泵及12个电磁阀来实现大棚灌溉。整个控制系统由2个现场控制单元，每个现场控制单元由继电器输出模块、数字量输入模块、开关电源和控制电源等组成，根据系统需求，本系统采用每16个控制量由一个现场控制单元控制。节水灌溉自动化控制系统的总体结构如图1所示。
图1 自动化控制系统总体结构 图2 自动化控制系统图
2.2 自动化控制系统结构
整个自动化控制系统的结构采用总线型结构，所有节点共享一个公共物理通道（总线），该结构的特点是网络不封闭，容易实现加扩新的节点，节点之间通过总线直接通信，速度较快；当某个节点出现故障时不会影响其他节点工作，不会导致整个系统瘫痪。但总线式结构对硬件的实现要求相对较高，因为总线式网络的各个节点都是挂在一条总线上的，总线的负载很重。考虑到本系统传输的数据量相对较小，且系统结构具有可扩容性，故选用了总线式结构。一条485总线上挂接了5个模块，控制一台水泵和12个电磁阀等设备。由于每个继电器输出模块可输出4路信号，且每个数字量输入模块可接收8路信号，故本系统中，共采用了3个继电器输出模块和2个数字量输入模块。系统由数字量输入模块采集输入数字量信号以获得供水需求信息；电磁阀由继电器输出模块输出开关控制信号控制，水泵由继电器输出模块输出开关控制信号并通过控制中间继电器和交接触器来进行控制，电磁阀、水泵均可手动控制。自动化控制系统如图2所示。
3 通信介质的选择
双绞线（TP）是计算机网络系统中最常用的一种传输介质，其特点是连接简单，走线方便，价格便宜。双绞线分为非屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（STP）两种。根据本系统计算机通讯的特点，设计采用有线传输介质。由于本系统的数据流量相对较少，从经济性考虑，系统选用了屏蔽双绞线作为通信介质。
鉴于信号在传输线上传送，在遇到阻抗不连续情况时，会出现反射现象使信号扭曲，从而影响信号远距离传送。为此本系统在传输线末端并接了120Ω的电阻，采用了电阻匹配的方法消除反射，大大提高了系统的可靠性。
4 自动化控制系统的软件控制
本系统软件采用了多线程、COM组件等技术，可以实现实时多任务处理。整个系统的可以在手动和自动两种方式下完成。
手动方式处理：系统前台控制软件有三个组成部分：动画显示控制界面、报警显示界面和按键互锁。整个控制画面采用动画设计，用动画方式显示整个系统的流程，操作方便，点动需水棚电磁阀和水泵可独立进行启动和停止。启动时，先开启电磁阀，然后启动水泵；停止时，先停水泵，再关闭电磁阀。根据灌区可供水源情况，设计每次最多同时开启2个电磁阀，以保证需水大棚能够获得足够的灌溉水压。
报警情况处理：报警显示界面上标有12个电磁阀及水泵，如有报警信号（供水需求信号）产生，则会产生相应报警，提醒操作员。
系统全自动运行模式时，系统会根据事先设定好的编组形式实现微喷灌自动作业，系统会自动发出控制信号打开相应的设备，开始（停止）灌溉，同时把设备打开（关闭）信息自动记入数据库。本系统采用微软的ACCESS数据库，使用微软的ODBC数据库引擎，所有对设备的操作都自动记入数据库，并自动形成灌溉报表。
数据库会自动记录下每个电磁阀的状态改变时间、日期，操作员姓名以及电磁阀的序号，为以后科学分析、科学灌溉提供依据
软件部分同时设计了整个系统的逻辑关系，按键互锁。如果要打开某个电磁阀，则系统水泵会自动打开。反之，如果系统编组电磁阀已全部关闭，则该系统水泵也将自动关闭。
轮灌区的作业编组：整个灌区分为6个轮灌区，在程序设计时考虑到水泵与轮灌区的组合作业，其组合方式、喷灌顺序、喷灌时间、启停控制均可在控制中心设置，极大地方便了用户使用。
5 结束语
徐州农科院节水灌溉自动控制系统具有结构简单、性能稳定、便于维护、控制准确等特点。该院高科技农业科研作物温室大棚，在采用自动控制节水灌溉系统后，不仅有效提高了灌溉水利用效率，使基地灌溉水利用系数由原来的0.4～0.5提高到0.7～0.8；同时，大幅提高了科研基地的灌水保证率和灌水均匀度，大大减轻了基地田间灌溉的管理成本，为实现该院高科技灌溉条件下的农业科学研究提供了坚实的基础保障。
参考文献：
[1] 赵爱国，荔克让，唐孝思・沙地节水灌溉自动控制系统的研究[J] ・中国沙漠，1999，19（2）：65-68；[2] 张金波 ，胡钢 ，张学武， 李致金， 柯小干・自动化控制系统在节水灌溉中的应用[J] ・测控自动化， 2005，5：29-31。
作者简介：李家振,1980年，男，汉族，江苏徐州人，工学学士，高级工程师。
