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灌溉滴灌!黄羊滩农产葡萄滴灌自动控制系统的设计搭建之

导读:本论文可用于灌溉滴灌论文范文写作参考研究。

水土保持-再生水灌溉和滴灌 视频 : 果树滴灌 1、★当前基层农田水利灌溉管理存在2、★安徽省小型农田水利工程节水灌溉措施探析3、★玉米农业节水灌溉措施4、★发挥节水灌溉技术优势确保水资源的充分利用

王淑芳 张喜平

摘 要:宁夏地区水资源的特点是量少、难以利用,分配不均.位于宁夏中部的永宁县黄羊滩农场内的万亩葡萄园已经采用了滴灌控制灌溉,但其相应的控制系统自动化程度不高,不能对葡萄实现轮灌的精确控制.在黄羊滩农场原有的滴灌系统基础之上,本文就此问题设计了与之配套的滴灌自动控制系统,本系统主要根据黄羊滩葡萄园现有的滴灌系统,考虑到土壤条件、气候因素与灌水量之间的关系对灌溉控制技术以及系统的硬件设计进行了搭建和研究.通过滴灌自动控制系统的搭建设计,预计能够改善灌区土壤结构,保持了土壤养分和肥力,有效控制和减少土地沙化、盐碱化,节约了人力,提高作物对水肥的利用率.

关键词:黄羊滩农场;节水;滴灌系统;自动控制

中图分类号:TP273 文献识别码:A 文章编号:1001-828X(2015)022-000310-02

一、研究背景

黄羊滩现建成的10000 亩葡萄园,该农场地势由西南向东北倾斜,地面比降约为1/4000,地形较平坦.海拔1132~1216m.土壤为淡灰钙土,自然肥力含量中等偏下,土壤厚度较深.气候属典型的大陆性季风气候.春、冬两季风沙大气候干燥,夏季日照充足但干热少雨,秋季昼夜温差大.水资源的特点是量少、难以利用,水量分配不均.为了解决这一问题目前已经有从以色列引进的先进滴喷灌系统对灌区进行控制,不过其系统自动化程度不高,全场只有用电脑控制电磁阀启闭的简单控制系统,不能对作物实现精确的轮灌,对灌水时间和灌水量还不能实现精确的控制,有望进一步提高.

二、滴灌设备市场现存问题

1. 滴灌行业现存问题

我国目前的节灌技术处于起步阶段,市场不规范,灌溉行业鱼龙混杂,节灌企业没有统一的资质评定标准.对灌溉工程质量的考核没有严格的标准和措施,只对招投标、施工监理等实行了终身负责制,但没有对企业资质进行评定和认定,导致很多灌溉项目的施工企业是没有资质的而企业.一些企业中标后,把滴灌项目转包,导致项目成本的增加,工程质量的降低,浪费了国家资金.另一方面也使得有实力的滴灌企业不能施展专长,发挥作用,造成浪费.

2. 滴灌产品质量现存问题

我国目前的节水灌溉设备生产厂家多达几百家,自从我国对节灌技术的推广以来,国内外的灌溉企业纷纷出现,灌溉产品各种各样,其中不乏一些伪劣产品,扰乱了正常的市场,因此迫切需要建立相关的节灌产品的生产标准.我国研制和开发滴灌自动控制灌溉器的单位虽然很多,但基本是处于研制试用和试点生产过程,规模不大,没有形成产业化和社会化,而且技术还不成熟,我国目前使用的灌溉器主要依靠进口,价格贵大多数农民无法承受,因此限制了滴灌自动化在我国农村的普及.随着我国农业化的进程和自动化的发展,节灌必将成为将来我国农业发展的方向,因此节水灌溉的自动化研究将是我国未来灌溉研究的发展趋势.

三、该研究的目的、意义

根据宁夏的地理位置与水利设施现状,利用永宁县境内的如意湖作为灌溉水源,采用滴灌加自动化控制技术进行灌溉,以提高灌溉水、肥料和土地的利用率.针对宁夏地区葡萄灌溉规则、滴灌时间、滴灌量及水肥耦合进行研究,设计一个智能滴灌系统提高灌溉水的利用率、节约水资源以及科学施肥,提高作物对肥料的吸收率,减小过量施肥对土壤、地下水等环境的影响.发展规模化节水灌溉增效示范特色农业,改善农业生态环境,实现水土资源的优化配置,节约水资源,增加农业种植户收入.

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自治区提出要在贺兰山东麓打造一个30 万亩优质酿酒葡萄基地,使宁夏成为世界最佳酿酒葡萄种植基地之一.目前宁夏地区水资源匮乏,年降水低于180mm,且年内分配不均匀,农业灌溉水资源主要来自引黄灌溉,多年运行农业灌溉水利工程年久失修且农业种植管理粗放,土地资源、水资源、农药和化肥利用率极低.若遇到干旱年份,目前的渠道来水量远不能满足农业生产用水,所以发展高效节水灌溉,充分提高水、肥、光等能源的利用率已成当务之急.因此,改善宁夏农业发展现状,解决制约农业发展的水资源紧缺、农业种植结构不合理、管理粗放等问题,需要引进具有节水效能高、资源利用率高、作物产量高、农业污染少、负荷低等特点并且可逐步实施信息化和自动化性能的滴灌灌溉技术.在加大建设优质、特色农业示范基地时,大力提倡走高效节水节肥减污增效的路子,通过一系列措施达到增产、扩灌、健康生态环境的目标,探索出一条适宜中部干旱带节水型生态经济可持续发展之路,推进葡萄产业规模化发展,实现资源优势向经济优势的快速转变.

四、现有的滴灌系统

黄羊滩农场葡萄灌溉设施目前已经有从以色列引进的先进滴喷灌系统对灌区进行控制,其系统自动化控制只有用电脑控制电磁阀启闭的简单控制系统,对葡萄灌水时间和灌水量还不能实现精确的控制,控制的精度需要提高.

五、滴灌自动控制系统

( 一) 系统概述

1. 系统设计原则.本系统设计方案本着可靠、实用、经济的原则进行选型和设计.系统最主要的性能就是可靠性,可靠性是需要保证葡萄的生产不会因为自动化系统的使用而受到影响.所谓的实用性就是用户能够操作方便、简单,同时在需要的条件下能够进一步扩充和发展,因此就需要有简单易于操作的用户界面,并且一定是中文界面,中文环境,中文说明.经济性是指以最节约的资金并能够确保系统的可靠性和实用性不受影响的条件下来构建自动化控制系统,因此从经济的角度来说以以下四个方面考虑:(1) 总投资少;(2) 减少重复投资;(3) 系统二次扩展投资少;(4) 系统运行过程中产生的费用和维护费用少.

2. 系统的主要特性.(1) 基于计算机控制中心、通信骨干网络和现场单元的系统获得现场单元状态的远程诊断管理并收集所有现场单元的数据;(2) 多点存取数据管理;(3) 灌溉计划管理,计划进度报告;(4) 灌溉进度管理,实际进度报告;(5) 实时收集各传感器的数据综合报告生成器,包括历史趋势,管理水流控制和报警,管理积聚水流和肥料流,管理施肥泵,管理过滤系统,管理水泵和加压泵,从实地PLC 收集数据.本系统由 监控级、首部操作控制级和田间控制级三层结构.

( 二) 系统组件

1. 监控站.(1) 型号产品型号:YHCCS V2.12) 主要功能⑴制定、调整所属各系统的灌溉计划.⑵向所属首部操作屏下发灌溉计划.⑶接收所属首部操作屏上传的各类信息.⑷禁止、允许所属首部操作屏的所有操作.⑸向某个阀所属地块承包户发送开井、关井、开阀、关阀、手机短信.视频图像采集.(3) 组成部件计算机、GSM/GPRS 模块、 监控系统.

2. GSM 无线阀门控制器.(1) 型号产品型号:YHVC-GSM2) 主要特点:⑴本系统所采用的GSM 阀门控制器通信采用GSM 的方式.实现了利用手机通讯网络田间阀门控制.⑵ GSM 无线阀门控制器可将真实的阀门开启状态返回至控制屏与 监控站,从而能够得到实际阀门的开启情况.⑶ GSM 无线控制器最大的优点是无需铺设电缆与通信线路.避免了电缆出现老化、损坏造成通信故障时导致无法正常灌溉的情况.⑷方便实施、施工简单,特别适合于改造项目.

3. 技术参数.(1) 功耗:采用太阳能和锂电池相结合的供电方式,可使用5 年以上.(2) 可控阀门数:每个无线阀门控制器可控制1 个、2 个或4 个阀门.(3) 通信距离:GSM 手机网络覆盖的任何地方,没有距离限制.(4) 阀门状态反馈:有.

六、实现功能

1. 自动灌溉功能.1) 以葡萄田土壤温度和湿度为参考数据实现自动灌溉.通过土壤温、湿度传感器对葡萄田实验土壤的温、湿度进连续采样测量,并通过在不同的采样点采到的土壤温、湿度数据,系统根据事先设定好的程序进行自动灌溉,灌水量按比例平均分配到每个葡萄轮灌区,灌溉任务由田间灌溉控制器自动执行;2)以事先设定的程序实现自动灌溉.操作人员可以操作控制系统提前设定好需要时间段( 可以是一次也可以是整个灌溉期) 的灌溉计划,控制系统根据操作人员制定的灌溉计划进行自动灌溉,或者操作人员也可以根据天气情况随时修正灌溉计划,系统最后能够将修正后的灌溉计划发送给田间灌溉控制器实现灌溉任务的自动执行.

2. 手动遥控功能.允许通过 监控站、首部操作显示屏或授权的手机直接操作电磁阀进行灌溉控制和湿度信号读取.

3. 手动就地灌溉功能:系统所用的每一个电磁阀都带有手动开关,在电动控制出现问题的时候可以实现就地控制,以确保灌溉不会因自动化系统故障而无法操作.

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4. 土壤湿度测量.每一个田间灌溉控制器都配置了土壤湿度传感器,能够自动定时测量土壤湿度并进行记录,如果 监控系统需要可以随时查询,同时系统也会定时将当天的土壤湿度曲线传送到 监控站.

5. 多级监控和数据传输共享功能.田间控制站和首部操作控制屏可以通过GSM/GPRS 移动电话网实现与 监控站的数据通讯,从而对灌溉系统遥控和遥测.

6. 灌溉数据统计功能.系统自动记录每个电磁阀总共开启时间由此可以计算出每个电磁阀的灌溉近似总用水量.再根据每个电磁阀与地块的隶属关系可以计算出每块地的近似灌溉量等统计数据.

7. 安全防护功能.本系统充分考虑到系统的安全性能,所有现场设备均采用36 伏以下的安全电压,不会对人造成伤害.

8. 保安防盗功能.由于灌溉设备处于无人看守状态比较容易被盗,所以系统设有防盗装置,如果有人非法拆卸变压器或闯入井房,系统就会自动发出报警短信到 监控站和管理人员的手机上.

9. 设备运行中的自动保护和报警.各主要设备的运行状态由控制系统自动监视,控制系统能够自动发现故障并发出警报信息,同时系统还能够指出故障的准确位置和类型.(1) 全无线控制方案.

本系统计划采用公网无线通信方案.该方案能够实现了首部水源和田间控制器的全无线连接.此方案适应性广泛,能够满足用户将来实现全面自动控制的需求.(2) 阀门状态反馈.本系统采用无线阀门控制器,该控制器能够将真实的阀门开启状态反馈至 监控站和控制屏,因此可以得了解灌溉过程中阀门的实际开启情况,有效预防盗开阀门,并能够验证远程控制的效果.(3) 太阳能供电.本系统的每个田间灌溉控制站的电源设备采用太阳能作为能源,实现了节约能源、降低动力电源长距离传输的成本的目的,而且也非常适合田间供电不便的特点.(4) 互联网操作.通过互联网接入功能,本系统的有权限操作人员能够在任意地点通过网络来控制整个灌溉自动化操作系统并可以随时随地查阅灌溉的相关数据.这是最古老的农业生产与最现代的互联网技术的完美结合.特别适合于黄羊滩农产这样大面积集中葡萄灌溉的需求.(5) 管理功能强大. 监控站应采用与互联网相连接的计算机作为上位管理机,这样可以实现大数据的存贮、处理和分析,系统管理能力更强.(6) 过程接口丰富.控制系统不仅能够控制电磁阀的开启,还能够直接接收各种传感器的信号,如温度、湿度、雨量、风速传感器等外部环境传感器,同时还应该能够连接柜门、电流、电压、振动、浸水传感器等内部信号传感器.(7) 手、自动双路操作.控制系统所有电磁阀都应该保留手动操作的可能性,以免自动化系统出现故障而影响灌溉.(8) 压力调节功能.控制系统所选的电磁阀因该都带有压力调节装置,能够根据实际灌溉量手动调节出口压.(9) 系统的扩展性强.在控制系统方案中应该充分考虑系统的扩展和复制性能,以满足在未来的操作中更改和增加系统的功能和实际应用,最大程度满足用户要求,体现以人为本的特点.(10) 利用GSM/GPRS 网进行灌溉控制的优势.⑾系统能够向管理人员发送信息.根据需要通过GSM/GPRS 网络,管理和维护人员的手机与控制系统能够双向接收和发送现场工况数据和报警信息.还能够根据不同的报警信息向不同的部门发出相应的信息.(12) 控制平台的统一.用户的所有农田灌溉控制系统能够统一在同一通讯平台上,可以提供及时准确的农作物生长灌溉信息, 监控站在设计阶段要考虑到了多层次部署问题,根据 监控站设置的地点和使用人员的职权,能够查看下级首部监控站传输来的数据,为各级领导的科学决策提供了依据.

七、效果

葡萄园通过增加自动化控制系统后,葡萄灌水量、灌溉周期和灌水时间等完全根据葡萄某些需水参数自动开关水泵和自动灌溉,人的作用只是调控程序和检修设备.既提高了水的利用率,又节省了人力,同时也提高了葡萄树的产量,可以产生良好的经济效果.

参考文献:

[1] 郭振宇. 我国节水灌溉设备生产企业的现状与发展建议[J]. 节水灌溉,2004.

[2] 梁贺程. 农业灌溉中自动化控制系统的应用[J]. 南京: 湖北农机化,2008(2).

[3] 李凯, 欧丹, 吴云. 智能自动灌溉系统的设计与实现[J]. 现代电子技术,2010(15).

[4] 贾锐鱼, 赵晓光. 我国发展节水灌溉技术的必要性及其现状与前景[J]. 西北林学院学报,1998.

作者简介:王淑芳,女,身份证号:642102197803030328,本科,研究方向:自动化.

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