自動化控制系統在節水灌溉中的應用

關鍵詞：節水灌溉;自動化;控制系統

1 引 言

　　灌溉是彌補自然降水在數量上的不足與時空上的不均，保證適時適量地滿足作物生長所需要水分的重要措施。以往的農田灌溉，很多沒有配套完整的灌溉系統，灌水時只能采用大水漫灌或人工灑水。不但造成水的浪費，而且往往由于不能及時灌水、過量灌水或灌水不足，難以控制水均勻度，對植物的正常生長產生不利影響。我國是一個水資源短缺，水旱災害頻繁的國家。雖然水資源的總量居世界第六位，但是人均占有量約為世界人均水量的1/4，排在世界110位，已被聯合國列為13個貧水國家之一，同時，我國水資源的分布很不均勻，有些地區的人均占有量甚至低于世界最貧水的國家埃及和以色列的水平。我國農業用水量約為總用水量的80%，農業灌溉用水的利用率普遍低下，水的利用率僅為45%，而水資源利用率高的國家已達70%～80%。建立農田節水灌溉的自動化系統，采用高效的灌水方式已勢在必行。一方面可以集中管理，加強控制;一方面可以按時按需定量供水，嚴格控制灌溉用水量，達到節水用水目的，另一方面，可以通過自動量測設備，實施精確計量，為按方收費提供依據，促進用水觀念更新，為農業生產和人民生活帶來巨大的社會效益和經濟利益。筆者利用組態軟件作為開發平臺，開發的農田節水灌溉自動控制系統，已在江蘇省泰興市農業科學研究所節水灌溉示范區得到應用。

2 節水灌溉自動化控制系統的總體結構

　　泰興市農科所節水灌溉示范區的130畝土地，主要由固定噴灌區，大蓬滴灌區，露地微灌區，草坪噴灌區，低壓管道輸水灌溉區等部分組成，主要采用滴灌、噴灌、微噴灌和低壓管道輸水灌溉四種灌溉方式。整個灌區采用自動控制系統，在分干管的放水孔口設置電磁閥和信號收發設備，通過電纜傳輸到泵房內的控制中心，控制中心根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。由泵站出水口沿灌溉區設主干管，主干管沿線再設分干管，分干管上共設有36個給水口，由電磁閥控制后連接支管，每個給水口設置用戶給水信號開關一只，當用戶需要供水時，按動信號開關，控制中心就會有相應的聲光報警提示，控制中心可以遠程控制水泵和相應的電磁閥，實現供水，當達到預定的灌溉量水量時，可以自動停泵或關閉電磁閥。控制系統主要是利用PC機遠程控制一臺水泵、四臺加壓泵以及36個電磁閥來實現各種灌溉方式。整個控制系統由3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，控制電源等組成，根據系統要求，本系統采用每十六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 節水灌溉自動化控制系統的總體結構

3 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，所有的節點共享一個公共物理通道（總線）。這種結構的特點是網絡不封閉，很容易加擴新的節點，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的工作，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。由于考慮到本系統傳輸的數據量相對較小，以及系統結構的可擴容性，故采用了總線式結構。一條485總線上掛接了17個模塊（11個繼電器輸出模塊，6個數字量輸入模塊），控制一臺水泵、四臺加壓泵和36個電磁閥等設備。由于每個繼電器輸出模塊能輸出4路信號，而每個數字量輸入模塊能接收8路信號，在本系統中，共采用了11個繼電器輸出模塊、6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請求信息;電磁閥由繼電器輸出模塊輸出開關控制信號控制，水泵和加壓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、水泵和加壓泵均可手動控制。自動化控制系統如圖2所示.

圖2 自動化控制系統圖

4 通信介質的選擇

　　傳輸介質是計算機網絡系統重要組成部分，是網絡數據可靠、快速、準確傳輸的重要保證，所以選擇合理的傳輸介質是計算機網絡通信的重要部分。根據本系統計算機通訊的特點，采用有線傳輸介質。

　　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。雙絞線又分為非屏蔽雙絞線（UTP）和屏蔽雙絞線（STP）兩種。國際電氣工業協會（EIA）為雙絞線定義了5種不同規格。計算機網絡綜合布線通常使用3、4、5類。3類雙絞線最高傳輸速率為10Mbit/s;4類為20Mbit/s;5類為100Mbit/s。隨著計算機網絡的發展，雙絞線的傳輸性能不斷提高。現已廣泛使用的超5類非屏蔽雙絞線比普通雙絞線在衰減、干擾等性能方面得到了顯著提高。在100M的頻率下，可提供8dB近端串擾余量，用戶的設備受到的干擾只有普通5類的1/4，使系統具有更強的獨立性和可靠性。考慮到本系統的數據流量相對較少，從經濟性角度考慮，采用屏蔽雙絞線作為系統的通信介質。

5 軟件設計

　　本系統軟件采用了多線程、COM組件等技術、實現了實時多任務的處理。運行期間，通過驅動程序和外部設備進行數據交換，每一個驅動程序都是一個COM對象，這種方式使通訊程序和前臺軟件構成一個完整的系統，即保證了運行系統的高效率，也使系統能夠達到一個較大的規模。系統程序原理框圖如圖3所示。

圖3 系統程序原理框圖

　　5.1前臺控制軟件

　　前臺控制軟件由三部分組成：動畫顯示控制界面、報警顯示界面、按鍵互鎖。

　　整個控制畫面采用動畫設計，用動畫的方式顯示整個系統的流程，方便直觀。報警顯示界面上標有36個電磁閥及水泵和4個加壓泵。如有報警信號（供水請求信號）產生，則產生相應的報警，提醒操作員。如果系統是運行在全自動方式下，則系統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。

　　if（Bit（輸入模塊_46,1）&&確認按鈕1&&（電磁閥9 = = 0 ））

　　｛

　　PlaySound（ "F:\sound1\Virus.wav", 2 ）; //需水發聲報警

　　｝

　　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，則相應的加壓泵、水泵自動打開。反之，如果某個加壓泵或水泵轄下的電磁閥已全部關閉了，則該加壓泵或水泵也將自動關閉。

　　5.2 歷史記錄數據庫

　　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。

　　SQLConnect（ DeviceID, "dsn=kxg;uid=;pwd=＊＊＊＊"）; //打開數據庫

　　SQLCreateTable（ DeviceID, "電磁閥_9", "table1" ）; //創建表格“電磁閥_9” BitSet（繼電器輸出模塊_43, 1, 電磁閥9 ）; //打開電磁閥9

　　數據庫電磁閥狀態=電磁閥9; //記錄電磁閥狀態

　　數據庫電磁閥序號=9; //記錄電磁閥序號

　　SQLInsert（ DeviceID, "電磁閥9", "bind2" ）; //按照“bind2”模式插入數據庫

　　數據庫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。

6 結束語

　　由于信號在傳輸線上傳送，若遇到阻抗不連續的情況，會出現反射現象使信號扭曲，從而影響信號的遠距離傳送，必須采用電阻匹配的方法來消除反射，雙絞線的特性阻抗一般為110～130Ω，為此本系統在傳輸線末端并接了120Ω的電阻，進行阻抗匹配，提高了系統的可靠性，本系具有統結構簡單、性能穩定、便于維護、控制準確等特點。

參考文獻：

　　[1] 李紅麗，姚云峰·我國灌溉農業的現狀與發展趨勢[J] ·內蒙古林學院學報，1999，21（2）：82-87

　　[2] 趙愛國，荔克讓，唐孝思·沙地節水灌溉自動控制系統的研究[J] ·中國沙漠，1999，19（2）：65-68