新疆滴灌自动化关键技术应用研发及展望
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摘 要：新疆以滴灌为主要模式的农业高效节水面积有373万hm2，占总灌溉面积的62.8%，滴灌为新疆农业节水增效、协调经济社会生态环境用水结构，提高水资源利用效率发挥了重要作用。随着滴灌节水技术大面积规模化应用，近年来滴灌自动化灌溉控制技术得到应用发展，为滴灌技术提质增效、工程综合效益发挥、灌溉农业现代化管理提供了重要支撑。本文对滴灌控制系统田间终端控制阀和控制方式关键技术应用现状及存在问题，进行了回顾和总结分析，介绍了新疆自主创新研发的互联网+新型节水灌溉自动化控制系统终端控制阀应用，并就拓展互联网和云端技术+灌溉自动化控制、灌溉用水数字化、农田灌溉监测智能化研发应用进行了展望。
关键词：滴灌自动化;终端控制阀;控制方式;应用研发;展望
中图分类号：S27 文献标识码：A
DOI：10.19754/j.nyyjs.20200330013
滴灌是我国尤其是干旱区新疆农业高效节水灌溉的主模式，资料显示，截至2018年，新疆以滴灌为主要模式农业高效节水面积达373万hm2[1，2]，占总灌溉面积62.8%。大面积的滴灌推广应用，使得滴灌高效节水节肥、增产高效、水资源利用效率、生态用水改善等优势不断显现，为新疆农业节水增效、协调经济社会生態环境用水结构发挥了重要作用。随着滴灌高效节水灌溉规模化大面积应用，基于滴灌技术提质增效推进现代农业生产方式转变目标，大力发展应用农业灌溉自动化技术，进一步释放最大限度发挥滴灌效应已显得十分迫切。滴灌田间终端控制阀及控制方式是自动化控制应用关键技术，目前滴灌田间控制阀主要为人工手动式管理存在明显不足：人为操作随意性，合适滴灌用水制度不能有效实施，影响了滴灌节水增效;人为传统滴灌管理工作效率低运行成本大，据测算[3]滴灌自动化控制技术应用，可使人工管理定额提高近6倍，管理费用降低50%，水、肥灌溉均匀度均提高20%，节水增产5%～20%，实施节水灌溉自动化管理，具有节水增效节本降耗效果。本文在总结滴灌节水灌溉自动化控制相关技术的基础上，针对新疆灌区滴灌自动化技术应用现状、存在的主要问题及发展进行了分析研究。
1 自动化控制阀及控制方式现状
1.1 终端电磁阀应用
电磁阀是节水灌溉自动化控制系统常用的控制设备[4，5]，采用工业耐用玻璃纤维尼龙材质，使用寿命长，对工作环境无苛刻要求;阀体采用全通径设计，无阻隔阀口，保证了一定水流通过性能，能把水损失降到最小;同时电磁阀外形尺寸小，既节省空间又轻巧美观，具有易于安装维护等优点;电磁阀在自动控制方面还具有响应时间短、动作快捷、启闭功率小等优点，是节水灌溉自动化控制用量较多的控制设备。该设备在新疆灌区实际应用表明，实用效果与预期尚有较大差距，主要原因为灌溉水质处理水平无法满足电磁阀运行要求。电磁阀独特的启闭原理及结构，对灌溉水质洁净度要求很高，达不到电磁阀传导压力的导流孔就会常常因此而被堵塞，出现电磁阀开关不能正常启闭问题;电磁阀需要在一定管道水压作用下才能进行启闭，管道水压较小时，无法对电磁阀进行启闭操作;电磁阀启闭原理及结构限定了其开度大小，只能是全开或全闭，无法根据灌溉需要通过调整阀门开度来调节灌溉水量。
1.2 终端电动阀应用
1.2.1 碟式电动阀
针对电磁阀不能很好适应灌溉水质而正常使用的问题，研究人员研发出了全金属材质，阀体内部采用蝶阀形式的电动阀，采用有线供电方式为电动阀提供启闭动力，电源线沿输水管道布设，电动阀分散分布于田间供水出地桩之处，体型较大、重量较重，运行功耗较高，出地桩都相隔一定距离，电源线用量较大，节水灌溉自动化控制系统成本因此增大;同时作物生长期由于田间农业机械作业，如中耕、打药等，电动阀电源线也会因此而受到不同程度的损坏，影响节水灌溉自动化控制系统的正常稳定运行。
1.2.2 梯形电动阀
梯形电动阀也称球形电动阀，阀体内部有一球状阀芯，阀芯上开有圆形出水口，阀芯内部中空，阀芯底部进水口通过中空阀芯与阀芯出水口贯通，阀芯顶部通过转动轴与阀体的驱动装置相连，带动阀芯出水口向阀体左右两侧的出水口转动，阀芯出水口与阀体一侧出水口重合时，即可向该侧支管输水，阀芯出水口转至与阀体出水口垂直方向时，阀体处于关闭状态。梯形电动阀过水通道口径较大，在灌溉水质处理较低情况下，不易出现被堵塞现象，较好地克服了电磁阀易受灌溉水质影响问题。梯形电动阀外观结构设计科学、紧凑合理、简单、巧妙，电动阀控制板、信号接收电线、电机及电动阀减速器等都集成在电动阀腹腔内，形成了浑然一体的效果，工作功耗较小，新疆滴灌节水灌溉对此进行了应用。但在近年实际运行中也暴露出了一些问题：开启与关闭时，为了防止电动阀渗漏水，需要球状阀芯紧贴阀体内侧转动，柳树飘絮或杨树扬花期，灌溉水内常混有杨花、柳絮等毛状杂物进入球状阀芯与阀体之间接缝，影响球状阀芯在阀体内转动甚至无法转动（见图1a）;电动阀处于关闭状态时，阀体内侧与球状阀芯出水口接触面始终处于灌溉水中，灌溉水中裹挟部分细小泥沙不可避免的沉积在接触面上（见图1b），导致电动阀出现无法打开，如果强行转动，球状阀芯球面上出现明显擦痕擦伤，出现封水效果不好，漏水较大问题。
1.2.3 电动阀改进探索
当前有关技术人员探索在手动球阀基础上，加装电动驱动装置，将滴灌系统手动球阀改装成电动球阀并进行远程控制。该研究在电动驱动装置中分别设计了控制装置和驱动装置，并装置2个独立电源，分别向控制装置和驱动装置供电。考虑到驱动手动球阀启闭所需力矩较大，需要消耗较大功耗，为此驱动装置配置了较大容量锂电池。但在实际中驱动装置运行功耗较高，为节省电力，日常情况下处于休眠状态，使用时需提前1d唤醒，这影响了滴灌实时控制灌溉的效果。
1.3 自动化控制方式 目前，自动化控制系统是在滴灌系统首部设自动化控制室，由电脑软件对农田终端控制阀门进行调控，节水灌溉自动化控制系统配置专人在灌溉期值守。虽然管理人员可以不用手动开关田间控制阀，但控制人员必须在控制室才能对田间控制阀进行灌溉控制，每个节水灌溉自动化控制系统都是独立的，无法与外界联通。基于物联网技术，将田间终端控制阀门直接接入互联网，形成互联网+节水灌溉自动化控制系统，通过手机、电脑等智能终端登录控制平台进行田间终端控制阀控制，这是全面提升滴灌自动化技术应用管理必由之路。
2 面临问题及技术探索
2.1 存在的主要问题
田间终端控制阀及灌溉信息控制方式，是滴灌自动化灌溉系统的关键技术，新疆滴灌自动化灌溉系统应用现状表明，目前引进和国内生产的不同型号规格控制阀，具有轻便耐用和启闭功率小等优点[6-8]，但这些设备对灌溉水质洁净度要求高，以及由于部件内部结构原因时常发生因田间杂物而影响运转，时常发生导流孔易堵塞无法调节灌溉水量，农田作物扬花、防风林木柳絮等纤维状杂物进入球状阀芯与阀体之间接缝，影响球状阀芯在阀体内正常转动等[9-11]。同时，滴灌自动化信息控制方式方面，基本处于单一传统管理方式，严重影响制约了节水灌溉自动化技术应用发展。
2.2 关键技术研发探索
2.2.1 田间终端控制阀
针对灌溉自动化系统田间终端控制阀的技术缺陷，在尝试了多种解决方案后，对现有PE截止阀进行电动改造，并可接入互联网实现远程控制，改造的电动式PE截止阀具有重量轻、功率小、易拆卸维修和使用[12]（图2）。经大量运行测试表明，PE截止阀独特的启闭方式通过调整进出水方向，在一定程度上降低电动式PE截止阀启闭功耗。从阀盖的方向进水可以利用管道水压辅助阀门进行启闭，关阀时，阀盖由克服水压向下运动转为将水压施加在阀盖上向下运动。改后阀门变成阀盖方向进水，其最大瞬时功率与改造前的阀盖背面进水方式比较，功率平均降低92.8%，有效降低电动式PE截止阀启闭功耗，由此，电动式PE截止阀仅需配备极小功率电机就可满足实际灌溉控制。同时，改后的阀体内部过水通道较大，即使灌溉水质较为浑浊，灌溉水依然可以通畅的流过电动式PE截止阀;即使在管道没有水压或是管道水压较小情况下，依靠自身动力也能顺利进行启闭。成功地解决了电磁阀与现状梯形电动阀易受灌溉水质、水压影响而不能正常运转的问题。
2.2.2 自动化灌溉控制方式
将电动式PE截止阀与物联网结合，形成互联网+新型节水灌溉自动化控制系统，由上位控制平台（节水灌溉自动化控制网站）、集中控制器、田间终端3部分组成（图3）。灌溉人员通过手机、电脑等智能终端登录“节水灌溉自动化控制网站”，对田间终端电动式PE截止阀发送控制指令，指令信号借助GPRS无线通讯信号送达至集中控制器，再由集中控制器通过无线射频技术将控制指令，转发至田间终端驱动电动式PE截止阀执行灌溉控制。互联网+新型节水灌溉自动化控制系统涉及软件工程、自动化控制、机械设计等学科，对运行维护人员技术有很高要求，考虑到管理人员实际文化程度降低系统维护难度，便于系统技术管理运行，为此系统研发出了故障监测即时推送功能，将系统集中控制器和田间终端分解为各个功能模块，且可以即插即用。当某一功能模块出现故障时，系统通过监测发现后，将该功能模块故障信息即时推送至用户持有智能终端，用户根据系统推送故障信息，将备用功能模块替换故障功能模块，无需用户对故障功能模块维修确保了系统正常运行（图4）。研发系统经新疆博州水利灌溉试验站36hm2滴灌田间应用，验证了系统功能模块划分的合理性，系统功能模块进一步优化为1号电动阀模块、2号电动阀模块、电池模块、太阳能充电模块、存储芯片模块、集中控制器模块;检验了系统对各功能模块故障信息监测及推送至灌溉管理人员手持智能终端有效性，灌溉管理运行过程中农户能据系统推送故障信息及时排障管护，提升了节水灌溉自动化人机互动智能化管理水平。
3 展望
目前研发的互联网+滴灌田间终端控制阀及智能控制灌溉系统应用，将传统工作量大、效率低、故障难以及时发现处理等落后管理，变成为农户手机终端登陆云平台远程控制田间控制阀，实现了操作简单易懂、方便农户、故障检测及时排除等智能式管理模式。随着现代化农业高效节水灌溉技术发展，进一步研发构建互联网和云端技术+灌溉自动化控制、灌溉数字化、灌溉监测智能化，是当前和今后灌溉技术研究应用重要方向，对新疆乃至我国农业节水综合效益发挥、灌溉水资源有效利用具有重要意义。
参考文献
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[12]高建新，何建村，白云岗.基于互联网+电动PE截止阀研发及应用[J].节水灌溉，2018（07）：76-78.
（责任编辑 李媛媛）
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