合肥自動(dòng)化控制系統(tǒng)在節(jié)水灌溉中的應(yīng)用

    合肥自動(dòng)化鴻昇科技認(rèn)為灌溉是彌補(bǔ)自然降水在數(shù)量上的不足與時(shí)空上的不均，保證適時(shí)適量地滿足作物生長所需要水分的重要措施。以往的農(nóng)田灌溉，很多沒有配套完整的灌溉系統(tǒng)，灌水時(shí)只能采用大水漫灌或人工灑水。不但造成水的浪費(fèi)，而且往往由于不能及時(shí)灌水、過量灌水或灌水不足，難以控制水均勻度，對(duì)植物的正常生長產(chǎn)生不利影響。我國是一個(gè)水資源短缺，水旱災(zāi)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(lián)合國列為13個(gè)貧水國家之一，同時(shí)，我國水資源的分布很不均勻，有些地區(qū)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(nóng)業(yè)用水量約為總用水量的80%，農(nóng)業(yè)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(dá)70%～80%。建立農(nóng)田節(jié)水灌溉的自動(dòng)化系統(tǒng)，采用高效的灌水方式已勢(shì)在必行。一方面可以集中管理，加強(qiáng)控制;一方面可以按時(shí)按需定量供水，嚴(yán)格控制灌溉用水量，達(dá)到節(jié)水用水目的，另一方面，開發(fā)的農(nóng)田節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)，可以通過自動(dòng)量測(cè)設(shè)備，實(shí)施精確計(jì)量，為按方收費(fèi)提供依據(jù)，促進(jìn)用水觀念更新，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活帶來巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)利益。

2 節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

   某示范區(qū)的130畝土地，主要由固定噴灌區(qū)，大蓬滴灌區(qū)，露地微灌區(qū)，草坪噴灌區(qū)，低壓管道輸水灌溉區(qū)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(gè)灌區(qū)采用自動(dòng)話控制系統(tǒng)，在分干管的放水孔口設(shè)置電磁閥和信號(hào)收發(fā)設(shè)備，通過電纜傳輸?shù)奖梅績(jī)?nèi)的控制中心，控制中心根據(jù)需水的孔口數(shù)量確定打開電磁閥的個(gè)數(shù)，自動(dòng)或手動(dòng)開機(jī)灌溉。由泵站出水口沿灌溉區(qū)設(shè)主干管，主干管沿線再設(shè)分干管，分干管上共設(shè)有36個(gè)給水口，由電磁閥控制后連接支管，每個(gè)給水口設(shè)置用戶給水信號(hào)開關(guān)一只，當(dāng)用戶需要供水時(shí)，按動(dòng)信號(hào)開關(guān)，控制中心就會(huì)有相應(yīng)的聲光報(bào)警提示，控制中心可以遠(yuǎn)程控制水泵和相應(yīng)的電磁閥，實(shí)現(xiàn)供水，當(dāng)達(dá)到預(yù)定的灌溉量水量時(shí)，可以自動(dòng)停泵或關(guān)閉電磁閥。自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要是利用PC機(jī)遠(yuǎn)程控制一臺(tái)水泵、四臺(tái)加壓泵以及36個(gè)電磁閥來實(shí)現(xiàn)各種灌溉方式。整個(gè)控制系統(tǒng)由3個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制單元，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制單元由繼電器輸出模塊，數(shù)字量輸入模塊，開關(guān)電源，控制電源等組成，根據(jù)系統(tǒng)要求，本系統(tǒng)采用每十六個(gè)控制量由一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制單元控制。節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

3 自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

   整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)采用總線型結(jié)構(gòu)，所有的節(jié)點(diǎn)共享一個(gè)公共物理通道（總線）。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)不封閉，很容易加擴(kuò)新的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間通過總線直接通信，速度較快;當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)不會(huì)影響其他節(jié)點(diǎn)的工作，不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。但總線式結(jié)構(gòu)對(duì)硬件的實(shí)現(xiàn)要求相對(duì)較高，因?yàn)榭偩€式網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)都是掛在一條總線上的，總線的負(fù)載很重。由于考慮到本系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量相對(duì)較小，以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)容性，故采用了總線式結(jié)構(gòu)。一條485總線上掛接了17個(gè)模塊（11個(gè)繼電器輸出模塊，6個(gè)數(shù)字量輸入模塊），控制一臺(tái)水泵、四臺(tái)加壓泵和36個(gè)電磁閥等設(shè)備。由于每個(gè)繼電器輸出模塊能輸出4路信號(hào)，而每個(gè)數(shù)字量輸入模塊能接收8路信號(hào)，在本系統(tǒng)中，共采用了11個(gè)繼電器輸出模塊、6個(gè)數(shù)字量輸入模塊。系統(tǒng)由數(shù)字量輸入模塊采集輸入數(shù)字量信號(hào)以獲得供水請(qǐng)求信息;電磁閥由繼電器輸出模塊輸出開關(guān)控制信號(hào)控制，水泵和加壓泵由繼電器輸出模塊輸出開關(guān)控制信號(hào)并通過控制中間繼電器和交接觸器來進(jìn)行控制，電磁閥、水泵和加壓泵均可手動(dòng)控制。自動(dòng)化控制系統(tǒng)如圖2所示.

圖2 自動(dòng)化控制系統(tǒng)圖

4 通信介質(zhì)的選擇

   傳輸介質(zhì)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)重要組成部分，是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠、快速、準(zhǔn)確傳輸?shù)闹匾ＷC，所以選擇合理的傳輸介質(zhì)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信的重要部分。根據(jù)本系統(tǒng)計(jì)算機(jī)通訊的特點(diǎn)，采用有線傳輸介質(zhì)。

雙絞線（TP）是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中最常用的一種傳輸介質(zhì)，其特點(diǎn)是連接簡(jiǎn)單，走線方便，價(jià)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(yè)協(xié)會(huì)（EIA）為雙絞線定義了5種不同規(guī)格。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，雙絞線的傳輸性能不斷提高?，F(xiàn)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?dāng)_余量，用戶的設(shè)備受到的干擾只有普通5類的1/4，使系統(tǒng)具有更強(qiáng)的獨(dú)立性和可靠性。考慮到本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流量相對(duì)較少，從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，采用屏蔽雙絞線作為系統(tǒng)的通信介質(zhì)。

5 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件采用了多線程、COM組件等技術(shù)、實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)多任務(wù)的處理。運(yùn)行期間，通過驅(qū)動(dòng)程序和外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，每一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序都是一個(gè)COM對(duì)象，這種方式使通訊程序和前臺(tái)軟件構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，即保證了運(yùn)行系統(tǒng)的高效率，也使系統(tǒng)能夠達(dá)到一個(gè)較大的規(guī)模。系統(tǒng)程序原理框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)程序原理框圖

5.1前臺(tái)控制軟件

前臺(tái)控制軟件由三部分組成：動(dòng)畫顯示控制界面、報(bào)警顯示界面、按鍵互鎖。

整個(gè)控制畫面采用動(dòng)畫設(shè)計(jì)，用動(dòng)畫的方式顯示整個(gè)系統(tǒng)的流程，方便直觀。報(bào)警顯示界面上標(biāo)有36個(gè)電磁閥及水泵和4個(gè)加壓泵。如有報(bào)警信號(hào)（供水請(qǐng)求信號(hào)）產(chǎn)生，則產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警，提醒操作員。如果系統(tǒng)是運(yùn)行在全自動(dòng)方式下，則系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出控制信號(hào)打開相應(yīng)的設(shè)備，開始（停止）灌溉，同時(shí)把設(shè)備打開（關(guān)閉）信息自動(dòng)記入數(shù)據(jù)庫。