上海市金山区钱圩节水灌溉骨干工程自动化系统建设与发展前景探讨

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简介： 上海市金山区钱圩节水灌溉自动化系统集信息技术，控制技术，工程技术于一体，有机地把田间可控水闸、灌溉泵、喷灌泵、滴灌泵与田间墒情，雨情，风情，温度，湿度等参数结合在一起形成自动测报、自动控制、自动形成数据报告，为提高农田水利现代化做出了有益的尝试。
关键字：节水灌溉自动化系统发展前景

上海市金山区钱圩节水灌溉骨干工程自动化系统建设项目是国家计委、水利部1999年下达上海市的节水灌溉骨干工程的重要子项目。按照《金山区节水灌溉骨干工程实施方案》的要求，在金山区钱圩水利示范区建设一个节水灌溉自动化系统，实现控水节水自动化，包括小型气象站、测流仪器、软件开发、自动化设备。本系统由上海市金山区排灌管理所和华东理工大学联合研究开发，并于2000年8月30日建成通过了市计委、市水务局专家组的验收。

　　一、系统控制要求

　　本系统由泵站自动化量测和控制系统、大田墒情观测系统、支渠放水口自动控制系统、输配水调度系统四部分组成。

　　量测与控制的具体要求是:

　　1)对350ZLK—3.3轴流泵进行自动控制，确定瞬时流量、扬程、电机功率、泵站综合装置效率，得出日、月、年累计流量。

　　2)对IS型喷、滴灌泵进行自动化控制，确定瞬时流量及累计流量。

　　设置两道支渠自动化控制闸门，闸门开关实现远程操作。

　　3)设置两道支渠自动化控制闸门，闸门开关实现远程操作。

　　4)对常规田和试验田在不同灌溉模式下的各种数据进行量测，气象5参数，田间水位墒情自动观测。

　　5)对常规田和试验田作物需水量进行统计，编报年度输配水计划，能够及时调度。

　　6)实现以上量测与控制所形成的数据报告，能够打印、显示，操作简便，易于掌握。

　　二、系统结构

　　本系统以主控机房为中心，按信息流与动力流进行硬件配置与软件设计，按流的定义分别完成对各自对象实施的检测与控制。其系统结构原理图如下：

　　1、集成信号采集系统由集成信号采集装置统一采集各类信息，通过RS232接口与主控计算机通讯，提供所采集的信息。信号采集使用巡检方式。

　　2、集成控制系统，为提高控制系统的可靠性与可维护性，采取了两级控制方案。上位机采用工控机，下位机采用PLC继电控制系统。

　　3、中心控制室为主控机房，内有配电柜（强电）、电气控制柜（弱电）、工控机及其外围设备。

　　三、系统软件设计与硬件选型

　　1、软件设计

　　软件设计以WindowNT作为基本操作系统，使用VC+6.0作为编程软件，生成含数据检测、数据库管理、控制系统、预测系统及相关可视化图形界面的统一风格一体化的软件包，具有高可靠性，友好性和可视化。

　　高可靠性：作为一种可在无人职守状态下工作的控制软件，能够进行系统自检，自动报警，误操作封锁，停电保护与系统恢复。

　　友好性：作为一种现场操作软件，容易理解，易操作，具有电脑初级水平就可以操作。

　　可视化：实现监控过程的数字、图形、表格的融合表达，部分设置为动画。

　　2、硬件选型

　　本系统硬件选型的基本原则是：考虑到田间的工作环境。采用的硬件必须性能稳定，可靠性，集成度高，要求供货商提供高质量的售后服务。

　　小型气象站由风速仪、风向仪、温湿度传感器，雨量计组成，可对示范区内的水文情况作较为准确的测量，并配置自动数据传感装置。

　　田间水位测量仪采用超声波水位仪，对田间水位进行准确测量。

　　流量测量装置：喷灌与滴灌装置采用电磁流量计，大田灌溉系统采用堰槽流量计，对其流量进行实时测量，实现对用水量的精确统计。

　　水源水位仪（泵站上下游）采用超声波水位仪，精确计算水泵的净扬程。

　　电气测量装置：电机瞬时功率变送器，计算电机的瞬时功率、总功率、电能。

　　电机、电源状态检测装置：检测电源、电机的状态，确保正确控制规则的执行，配置电器控制箱及继电控制器件。

　　集成信息巡检装置：将所需检测的信号经过必要的转换，统一输送到集成化巡检装置中，并实现与主控计算机实时通讯。总检测点数为32，可扩充。

　　四、系统外部建设

　　系统外部建设是节水灌溉自动化系统使用、运行可靠性和准确性的保证，堰槽、水位井、支渠可控水闸的设计与施工是外部建设的三大关键。

　　1、堰槽的设计与施工

　　根据本系统控制的ZLK350灌溉泵的特点，采用量水堰法测定其流量。由于开敞式轴流泵的流量比较大且表面波动大，影响精确度，故专门做了测流槽放置整流板稳定表面水流。堰槽由导入部分、整流装置及整流部分组成。导入部分就是把水泵提升的水导入堰槽，整流装置由三块10mm带64个Ф10孔塑料板组成，整流部分使堰槽中的水流平稳流动。末端安装流速传感器，在靠近堰口并在水舌下面设置通气孔，已保证水舌内侧完全畅通。整个堰槽宽100cm ，高120cm，长1500cm，槽内侧光滑平直，槽底平而光滑，堰槽的设计与施工符合《泵站现场测试规范》SD140-85（水利电力出版社）的要求。

　　2、水位井的设计与施工

　　根据系统的要求对田间的水位进行测定，采用水位井加超声波水位仪。水位井就是为超声波水位仪测定田间水位提供必要的条件。水位井由过滤系统、井体、支架及防护罩四部分组成。过滤系统就是把土壤水通过土工布，5～15mm中砂， 15～40mm碎石三层过滤送入井体，而不把土颗粒带入井体，引起淤积。井体采用工厂预制的φ450砼低压管，在轴线展开面上有φ50的孔64个，利于土壤水流入井体。支架便于安装超声波水位仪，距井顶40cm，使超声波水位仪测量水位不致于产生盲区。防护罩为了防止雨淋和人为破坏。

　　3、支渠可控水闸的设计与施工

　　支渠可控水闸采用工厂设计制作、现场安装的办法，它由型钢门架、不锈钢闸门、螺杆、电机、不锈钢防护罩及行程开关组成。因为支渠可控水闸工作环境在野外，为了美观、实用、运行可靠，工厂设计出三种不同的方案比较，先后三次进行试验，最后采用锰钢型钢热镀。闸门用工字钢及钢板电焊制板内置止水橡皮，不锈钢包面，规格18×800mm，电机采用1kwY系列节能电机，螺杆长度经过反复调试确定，不仅能放到底，又能不冲破门顶，行程开关根据螺杆长度进行安装，为防雨淋上盖不锈钢防护罩。

　　五、系统的调试与运行

　　本系统经过二个月的建设，按照设计施工方案，超声波水位仪安装、水位井施工、支架可控水闸、小型气象站、电器控制柜、水泵流量计等全部到位。由供货商、施工单位、建设单位、监理单位共同参加进行系统的调试和试运行。在运行过程中我们发现了以下几个问题并一一进行解决：

　　1、支架可控水闸①连续出现报警，查找原因发现闸门底止水压的过紧，调整行程开关向上0.5cm以后，报警解除，同时也说明报警装置起到了作用。

　　2、超声波水位仪测定的水位与实际不符，重新确定进出水池水位采用绝对高程（吴淞标高），用水准测量往返两次，确定田间水位用相对高程（大田平均高程为基准点），水位井1、水位井2顶面高程一致。

　　3、灌溉泵的流量偏大，采用传统测量流量的方法进行校核，调整传感器流量系数，使其符合实际。

　　六、系统运行维护

　　本系统落实专人负责系统的运行维护，经过七个月的运行与使用，无出现大的故障，证明系统可靠性较高，系统操作界面友好、形象美观、可控行强、并且设有手动辅助控制系统和报警装置，为系统的安全运行提供了保障。

　　七、结语

　　上海市金山区钱圩节水灌溉自动化系统集信息技术，控制技术，工程技术于一体，有机地把田间可控水闸、灌溉泵、喷灌泵、滴灌泵与田间墒情，雨情，风情，温度，湿度等参数结合在一起形成自动测报、自动控制、自动形成数据报告，为提高农田水利现代化做出了有益的尝试。