自動化控制系統在農業節水灌溉工程中的應用
徐州市山區節水灌溉示范基地管理處 221000
摘 要：文章介紹了以組態軟件為開發平臺，利用繼電器輸出模塊，數字量輸入模塊和模擬量輸入模塊等設備與計算機控制中心組成一體化的自動化控制系統，并通過對土壤濕度、空氣溫、濕度等環境因子進行實時采集、監控等信息，結合灌區灌溉計劃，實現灌區灌溉自動化控制。該系統已在徐州農科院節水灌溉工程實際中得到了成功應用。
關鍵詞：節水灌溉 自動化 控制系統
1 引言
我國是一個水資源匱乏和水旱災害頻繁的國家，農業灌溉是用水大戶，其用水量占全國總水量的70%。由于大部分農田長期采用溝渠漫灌，輸水渠道大部分是土渠，加上工程老化、失修、配套不全，不能及時灌水、過量灌水或灌水不足，以及灌水過程中的滲漏、蒸發等原因，導致農業灌溉用水利用率較低和水資源浪費嚴重。據資料顯示，我國農業灌溉用水的綜合利用率為40%，僅為發達國家的一半左右，因此，國家一直大力提倡節水灌溉。目前，管道輸水、噴灌、微灌等灌溉技術是當今世界上節水效果比較顯著的技術，其灌溉水利用效率可達70～80%，而采用計算機自動化控制的農田節水灌溉系統，是農業大力發展高效節水灌溉的重要方向。
本文通過徐州農科院節水灌溉工程自動化控制灌溉系統的應用實踐，著力闡述了基于PLC操作面的灌溉自動控制系統的系統結構和系統軟件應用等問題。
2 自動化控制系統結構
2.1自動化控制系統總體結構
徐州市農科院節水灌溉工程總灌溉面積50畝，灌區由12座大型連拱式大棚組成，設計采用微噴灌溉模式。整個灌區采用自動控制系統，設計每座棚內均設置支管，在分干管、支管間利用等徑支管短管連接，電磁閥和信號收發設備布設在短管上，通過電纜傳輸到泵房內的計算機控制中心，控制中心依據需水的孔口數量確定打開電磁閥的個數，自動或手動開機灌溉。主干管自泵站出水口沿灌溉區南側布設，分干管垂直主干管程單“非”形布設至大棚外端，分干管上共設有12個給水口，由電磁閥控制后連接支管，每個給水口處設置大棚給水信號開關一只，當該棚需要供水時，只需啟動信號開關，控制中心會有相應的聲光報警提示，控制中心即可遠程控制水泵和該棚的電磁閥，實施供水。當環境因子傳感器上傳灌水強度（土壤濕潤度）已達到設定的灌溉水量時，控制中心會自動停泵或關閉電磁閥?？刂葡到y主要是利用PC機遠程控制水泵及12個電磁閥來實現大棚灌溉。整個控制系統由2個現場控制單元，每個現場控制單元由繼電器輸出模塊、數字量輸入模塊、開關電源和控制電源等組成，根據系統需求，本系統采用每16個控制量由一個現場控制單元控制。節水灌溉自動化控制系統的總體結構如圖1所示。
圖1 自動化控制系統總體結構 圖2 自動化控制系統圖
2.2 自動化控制系統結構
整個自動化控制系統的結構采用總線型結構，所有節點共享一個公共物理通道（總線），該結構的特點是網絡不封閉，容易實現加擴新的節點，節點之間通過總線直接通信，速度較快；當某個節點出現故障時不會影響其他節點工作，不會導致整個系統癱瘓。但總線式結構對硬件的實現要求相對較高，因為總線式網絡的各個節點都是掛在一條總線上的，總線的負載很重?？紤]到本系統傳輸的數據量相對較小，且系統結構具有可擴容性，故選用了總線式結構。一條485總線上掛接了5個模塊，控制一臺水泵和12個電磁閥等設備。由于每個繼電器輸出模塊可輸出4路信號，且每個數字量輸入模塊可接收8路信號，故本系統中，共采用了3個繼電器輸出模塊和2個數字量輸入模塊。系統由數字量輸入模塊采集輸入數字量信號以獲得供水需求信息；電磁閥由繼電器輸出模塊輸出開關控制信號控制，水泵由繼電器輸出模塊輸出開關控制信號并通過控制中間繼電器和交接觸器來進行控制，電磁閥、水泵均可手動控制。自動化控制系統如圖2所示。
3 通信介質的選擇
雙絞線（TP）是計算機網絡系統中最常用的一種傳輸介質，其特點是連接簡單，走線方便，價格便宜。雙絞線分為非屏蔽雙絞線（UTP）和屏蔽雙絞線（STP）兩種。根據本系統計算機通訊的特點，設計采用有線傳輸介質。由于本系統的數據流量相對較少，從經濟性考慮，系統選用了屏蔽雙絞線作為通信介質。
鑒于信號在傳輸線上傳送，在遇到阻抗不連續情況時，會出現反射現象使信號扭曲，從而影響信號遠距離傳送。為此本系統在傳輸線末端并接了120Ω的電阻，采用了電阻匹配的方法消除反射，大大提高了系統的可靠性。
4 自動化控制系統的軟件控制
本系統軟件采用了多線程、COM組件等技術，可以實現實時多任務處理。整個系統的可以在手動和自動兩種方式下完成。
手動方式處理：系統前臺控制軟件有三個組成部分：動畫顯示控制界面、報警顯示界面和按鍵互鎖。整個控制畫面采用動畫設計，用動畫方式顯示整個系統的流程，操作方便，點動需水棚電磁閥和水泵可獨立進行啟動和停止。啟動時，先開啟電磁閥，然后啟動水泵；停止時，先停水泵，再關閉電磁閥。根據灌區可供水源情況，設計每次最多同時開啟2個電磁閥，以保證需水大棚能夠獲得足夠的灌溉水壓。
報警情況處理：報警顯示界面上標有12個電磁閥及水泵，如有報警信號（供水需求信號）產生，則會產生相應報警，提醒操作員。
系統全自動運行模式時，系統會根據事先設定好的編組形式實現微噴灌自動作業，系統會自動發出控制信號打開相應的設備，開始（停止）灌溉，同時把設備打開（關閉）信息自動記入數據庫。本系統采用微軟的ACCESS數據庫，使用微軟的ODBC數據庫引擎，所有對設備的操作都自動記入數據庫，并自動形成灌溉報表。
數據庫會自動記錄下每個電磁閥的狀態改變時間、日期，操作員姓名以及電磁閥的序號，為以后科學分析、科學灌溉提供依據
軟件部分同時設計了整個系統的邏輯關系，按鍵互鎖。如果要打開某個電磁閥，則系統水泵會自動打開。反之，如果系統編組電磁閥已全部關閉，則該系統水泵也將自動關閉。
輪灌區的作業編組：整個灌區分為6個輪灌區，在程序設計時考慮到水泵與輪灌區的組合作業，其組合方式、噴灌順序、噴灌時間、啟?？刂凭稍诳刂浦行脑O置，極大地方便了用戶使用。
5 結束語
徐州農科院節水灌溉自動控制系統具有結構簡單、性能穩定、便于維護、控制準確等特點。該院高科技農業科研作物溫室大棚，在采用自動控制節水灌溉系統后，不僅有效提高了灌溉水利用效率，使基地灌溉水利用系數由原來的0.4～0.5提高到0.7～0.8；同時，大幅提高了科研基地的灌水保證率和灌水均勻度，大大減輕了基地田間灌溉的管理成本，為實現該院高科技灌溉條件下的農業科學研究提供了堅實的基礎保障。
參考文獻：
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作者簡介：李家振,1980年，男，漢族，江蘇徐州人，工學學士，高級工程師。
