高建新，何建村，白云岗

(新疆水利水电科学研究院，乌鲁木齐 830049)

高效节水灌溉技术的“节水、节肥、高产、高效、促进农业生态环境改善、促进农村生产经营方式转变”优势效应得到了较好的显现，是解决干旱区域水资源短缺、提高水资源利用效率的有效措施[1]。近年来，新疆高效节水发展迅猛，截至2016年底，新疆高效节水灌溉技术推广应用面积超过333.33 万hm(含兵团100 万hm)，占全国总面积的60%以上；预计到2020年，新疆高效节水灌溉技术规划推广应用面积将达406.67 万hm[2]。随着新疆节水向“提质增效”的发展，人工控制随意性造成的弊端愈发凸显，自动化控制灌溉已成为大势所趋。据科学测算，手动高效节水技术进行自动化升级改造后，可使人工管理定额提高近6倍，人工管理费用降低50%左右；水、肥灌溉均匀度均可提高20%左右；可使种植棉花籽棉单产增产5%～10%左右、节水20%～30%、降低施肥成本10%、亩均增效可达100元；因此提升节水灌溉自动化水平，实现节水、减员、增效就成为当前节水灌溉技术发展的重要方向[3-6]。

目前在新疆节水灌溉自动化市场上应用的田间终端控制阀主要系引进美国、以色列等国的电磁阀及国内部分研发单位自主研发的电动阀。电磁阀具有轻便耐用，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[7]。但其对灌溉水质的洁净度要求很高，导流孔易堵塞、启闭需要较高的管道水压，启闭只能是全开或全闭，无法调节灌溉水量；球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被集成在了电动阀腹腔内，形成了浑然一体的效果，较好的克服了电磁阀易受灌溉水质影响的问题[8,9]。但在开启与关闭时，杨花、柳絮等纤维状杂物进入球状阀芯与阀体之间的接缝后，常会使球状阀芯在阀体内转动困难，有时球状阀芯甚至会出现无法转动的情况，造成打不开关不住的问题；电动阀采用有线供电方式为提供启闭动力，电源线沿输水管道布设，电源线用量较大，自动化控制系统的成本增大，同时在作物生长期影响田间机械作业，如中耕、打药等，甚至受到破坏[10-12]。

针对现状节水灌溉自动化系统终端控制阀存在的问题，在尝试了多种解决方案后，我们通过对现有PE截止阀进行电动改造，形成电动PE截止阀，将其接入互联网，实现远程控制，使其成为互联网+新型节水灌溉自动化控制系统的组成部分即田间终端控制阀，借助PE截止阀阀体自身独特的结构优势解决了自动化控制系统田间终端控制阀易受灌溉水质影响的问题。

1 电动PE截止阀工作原理及其特点

电动PE截止阀由电机、传动装置、PE截止阀等构成，结构较为简单，如图1所示。PE截止阀阀体内装置有可对水流进行控制的阀盖，阻断水流时将阀盖降落在阀体内进出水口上即可实现；开启水流时，将阀盖提起，即可使水流畅通。阀盖的起降均可由远程控制电机借助传动装置带动阀盖实现。鉴于电动PE截止阀的启闭原理，电动PE截止阀可以通过对阀盖升降高度即阀盖开度大小的控制调节通过阀体的过水流量，满足电动PE截止阀控制不同面积作物对灌溉水量的需求。电动PE截止阀结构简单，重量较轻，具有易于拆卸、维修和运输等特点。

图1 电动PE截止阀结构示意图

将电动PE截止阀研发成功后，我们对其进行了大量的运行测试，在这个过程中发现，PE截止阀独特的启闭方式通过调整进出水方向，可以在一定程度上降低电动PE截止阀的启闭功耗。从阀盖方向进水时可以利用管道水压辅助阀门进行启闭，关阀的时候，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，如图1所示。从表1可看出，从阀盖方向进水关阀所用的最大瞬时功率可比从阀盖背面进水时关阀所用的最大瞬时功率平均降低92.8%；开阀的时候，由从阀盖背面进水顶托阀盖上升转为从阀盖方向进水将阀盖提离阀体进出水口后，部分水压即可开始自行卸载，随着阀盖开度越提越大，自行卸载的水压也越大，从阀盖方向进水比从阀盖背面进水开阀瞬时功率仅增加了约33%；综合比较即将从阀盖方向进水时开阀所用的最大瞬时功率与从阀盖背面进水时关阀所用的最大瞬时功率比较，过水流量在40～70 m3/h时，瞬时功率平均降低约25%；过水流量在75～95 m3/h时，瞬时功率平均降低约52%。从表1数据可看出，通过调整阀体进出水方向，可有效降低电动PE截止阀启闭功耗。在这种情况下，再叠加电动PE截止阀中利用机械原理设计的减速装置降低电机功率的效应，电动PE截止阀仅需配备极小功率的电机就可满足实际灌溉控制。

表1 电动PE截止阀不同流量开关阀瞬时功率比较表

将电动PE截止阀作为互联网+新型节水灌溉自动化控制系统的终端控制阀具有显著的优点，首先是阀体内部过水通道较大，从图1即可看出，即使灌溉水质较为浑浊，灌溉水依然可以通畅的流过电动PE截止阀；其次是电动PE截止阀即使在管道没有水压或是管道水压较小的情况下，依靠自身动力也能顺利进行启闭。电动PE截止阀先天具有的这两个优势成功地解决了电磁阀与现状球形电动阀易受灌溉水质、水压影响而不能正常运行的问题，因此，我们全新研制的电动PE截止阀彻底解决了节水灌溉自动化技术中终端控制阀在现状灌溉水质处理水平下无法满足实际灌溉运行的问题。

2 节水灌溉自动化技术中控制系统的研究创新

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、田间终端三部分组成，如图2所示。

图2 互联网+新型节水灌溉自动化控制系统示意图

灌溉控制人员通过手机、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PE截止阀执行灌溉控制指令。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，对运行维护人员的知识水平有很高的要求。实际情况是很难有专业技术人员能同时掌握上述相关学科的专业知识对系统进行维护，实际运行中面对的更是无任何专业基础的灌溉控制人员。降低系统维护难度，使系统出现故障时易于维护成为我们研发互联网+新型节水灌溉自动化控制系统着重考虑的一个方面。针对此我们在系统中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，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，即可将该功能模块的故障信息即时推送至用户持有的智能终端，用户根据系统推送的故障信息，用备用的功能模块替换掉故障功能模块即可，无须用户对故障功能模块进行维修，即能保障系统的再次运行，如图3和图4所示。

图4 互联网+新型节水灌溉自动化控制系统终端功能模块分解图

系统研发成功后，首先通过试验测试验证了系统功能模块划分的合理性，并将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；其次检验了系统对各功能模块故障信息监测并即时将故障信息推送至灌溉控制人员手持智能终端的有效性，同时对系统故障监测即时推送功能进行了进一步的完善，根据系统可能出现的故障及在实际测试运行中出现的故障产生机理，研发出了相应的监测措施。系统发生的如表2所列的每一项故障，灌溉控制人员手持智能终端都能即时收到相应的推送信息。

表2 互联网+新型节水灌溉自动化控制系统故障代码表

通过实际测试检验可看出互联网+新型节水灌溉自动化控制系统田间终端已不仅仅是被动地接入了互联网，其还能通过互联网与控制人员实现信息互动，对其实时感知，已经上升到了智联网在节水灌溉自动化中应用的层面，达到了人机能实时互动的程度，实现了人工智能在节水灌溉自动化技术中的初步应用。

3 结 语

针对当前节水灌溉自动化技术发展面临的瓶颈问题，对其研究解决方案只能考虑在新疆现阶段经济社会发展水平下予以实现，而不能超越当前时代。对互联网+新型节水灌溉自动化控制系统的研发完全着眼于在当前经济社会条件下，能否解决节水灌溉自动化技术发展中面临的问题这一目标进行，目前经过项目组在新疆博州水利灌溉试验站的田间中试，实际运行效果完全达到了研发之初设定的各项研发目标，使互联网+新型节水灌溉自动化控制系统助力新疆节水灌溉得到迅速发展成为了可能。