在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展中，節(jié)水灌溉技術(shù)和信息化手段在灌溉過程中得到了廣泛的應(yīng)用，并且取得了良好的效果。中國(guó)農(nóng)業(yè)用水空間分布不均、季節(jié)性強(qiáng)、用水效率低、供需矛盾突出。目前，中國(guó)大部分灌區(qū)處于粗放型管理階段，水資源利用效率低。因此，對(duì)農(nóng)業(yè)灌區(qū)進(jìn)行自動(dòng)化灌溉控制調(diào)度研究具有重要意義。

農(nóng)業(yè)灌區(qū)自動(dòng)化灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1   自動(dòng)化控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

自動(dòng)控制灌溉系統(tǒng)是一種能對(duì)灌溉過程進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)、控制和調(diào)度的灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)，是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代自動(dòng)化技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉中的應(yīng)用。它將信息技術(shù)、控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)灌溉的數(shù)字化和智能化。農(nóng)業(yè)灌區(qū)自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)為現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備，由傳感器、控制器、電磁閥等組成，用于采集現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，用于將采集到的數(shù)據(jù)傳送到上位計(jì)算機(jī)；控制系統(tǒng)，用于接收現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備傳輸來的數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)自動(dòng)控制水泵或噴灌裝置；遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，用于在計(jì)算機(jī)上監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作和維護(hù)；管理軟件，用于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行管理；數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，用于將現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備和控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心，并可與其他設(shè)備進(jìn)行連接。

灌區(qū)自動(dòng)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，依據(jù)功能將系統(tǒng)分為3層，分別為現(xiàn)場(chǎng)控制、數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)程監(jiān)督控制。其中，調(diào)度控制中心安裝有數(shù)據(jù)信息采集處理服務(wù)器、監(jiān)控服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備等，現(xiàn)地測(cè)控單元構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)控制，LCU以PLC當(dāng)做系統(tǒng)主控制器，并借助水位傳感器、三相電力儀表、閘位等，實(shí)時(shí)了解灌區(qū)各個(gè)閘門的實(shí)際運(yùn)行情況，以及水位、閘位等各種數(shù)據(jù)信息[1]。數(shù)據(jù)處理層是系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，設(shè)置有一臺(tái)服務(wù)器，主要負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)。

1.2   系統(tǒng)功能

灌區(qū)灌溉控制調(diào)度系統(tǒng)是利用先進(jìn)的傳感技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及自動(dòng)化技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)，對(duì)灌區(qū)內(nèi)的供排水系統(tǒng)、灌區(qū)各渠道、水庫(kù)水位和水量進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，并通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水資源調(diào)度管理的一種信息管理系統(tǒng)其功能主要包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)灌區(qū)各渠道水位、水量；實(shí)現(xiàn)對(duì)灌區(qū)各渠道水位及流量的監(jiān)測(cè)；實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)控制泵站水位和水量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)灌區(qū)灌溉水量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)控制泵站運(yùn)行狀況和人員工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控；實(shí)現(xiàn)各控制泵站運(yùn)行參數(shù)和人員工作參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控；通過灌區(qū)管理信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)灌區(qū)的水資源調(diào)度管理；對(duì)灌區(qū)供排水系統(tǒng)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，并提出優(yōu)化調(diào)度方案。

1.3   硬件組成

PLC：本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用PLC模塊式，其構(gòu)成包括I/O、CPU、電源模塊。其中，CPU作為關(guān)鍵部分，根據(jù)PLC系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)，通過掃描保存至數(shù)據(jù)寄存器。I/O模塊中的輸入模塊和外開關(guān)接線，采集各種開關(guān)信號(hào)，對(duì)于輸出模塊，則向外傳輸信號(hào)，并且控制閘門。

超聲波水位計(jì)：在農(nóng)業(yè)灌區(qū)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量，應(yīng)選擇合適的水位測(cè)量設(shè)備，比較常見的包括浮球式、靜壓式、超聲波式等多種，其中，超聲波式水位計(jì)最佳，不僅安裝方便，還具有較高的測(cè)量精度。

超聲波明渠流量計(jì)：超聲波明渠流量計(jì)的裝置能夠精準(zhǔn)測(cè)量渠系流量數(shù)據(jù)，并由PLC接收，完成數(shù)據(jù)處理，然后將其上傳至調(diào)度中心，在掌握水量相關(guān)信息的基礎(chǔ)上，有效進(jìn)行調(diào)配操作。

閘位測(cè)控儀：閘位測(cè)控的精準(zhǔn)度、可靠性對(duì)安全操作閘門的影響比較大，閘位測(cè)控儀的類型比較多，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇ZKY-3型閘位測(cè)控儀，其不僅具有較高的可靠性，還具有測(cè)量、升降等多重功能。

三相網(wǎng)絡(luò)電力儀表：為了確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行，應(yīng)在開啟、關(guān)閉機(jī)組過程中，對(duì)其運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，所以，需要使用電力儀對(duì)各種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集、傳輸。HR6300三相網(wǎng)絡(luò)電力儀表的運(yùn)行快速，具有抗干擾特點(diǎn)，并且有專門儲(chǔ)存器，即使設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間斷電，也不會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

1.4   系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

灌區(qū)自動(dòng)化灌溉控制調(diào)度系統(tǒng)采用目前先進(jìn)的“以太網(wǎng)+GPRS”無線傳輸方式，在數(shù)據(jù)采集端和控制終端均采用 GPRS/GPRS方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通過無線通訊方式可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，提高灌溉控制的可靠性。整個(gè)系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力，具有很高的可靠性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)采用先進(jìn)的以太網(wǎng)技術(shù)，將現(xiàn)場(chǎng)采集信息通過以太網(wǎng)傳輸?shù)街行姆?wù)器，再通過中心服務(wù)器對(duì)各采集站的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理、統(tǒng)一分析和統(tǒng)一管理，最后通過短信平臺(tái)或互聯(lián)網(wǎng)對(duì)用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)發(fā)布。灌區(qū)自動(dòng)化灌溉控制調(diào)度系統(tǒng)采用當(dāng)前先進(jìn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有很高的可靠性和穩(wěn)定性，可以有效地提高灌區(qū)自動(dòng)化管理水平[2]。該系統(tǒng)能夠很好地完成對(duì)灌區(qū)環(huán)境參數(shù)和灌溉系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)信息的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析與控制，實(shí)現(xiàn)了灌區(qū)內(nèi)水資源信息化、網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化管理。