灌溉系统自动控制设计
（二）
第二节、喷微灌系统自动控制设计
灌溉自动化控制系统组成方式多种多样，这就使得喷微灌系统自动化控制的设计会有许多方案，造成的喷微灌系统自动控制设计不可能由单一方案组成。设计方案应当根据客户的需要，现场的情况，以及现有的资源，包括厂家提供的产品来进行设计。
这里只能介绍一种成熟的，为广大用户接受的通用自动控制系统的设计方案。以下不特别说明的控制系统组成产品均来自美国灌溉专业产品生产厂家，亨特实业公司。
自动化控制是一个先进的灌溉系统的重要组成部分。如果说喷头的选择是解决灌水的空间分布，那么自动化控制就是解决灌水的时间分布；如果说喷头是系统的最终执行机构，那么自动化控制就是它的管理机构，它负责给整个系统下达工作指令，以及对整个系统的运行进行监控。
自动化控制设计应当做到以下几点： 精准性：自动化控制不仅可以实现整个系统每组灌水单元精确的启闭时间控制，从时间上保证了整个区域的灌水均匀性和时间的准确控制，同时它也可以实现不间断的灌水，只要预先设定好灌水的程序，无论是否有人去操作或是在多么恶劣的天气，它都会按照设定好的时间不间断的执行下去，也许人工会偷懒，但机器绝对不会偷懒，甚至是可以在夜晚进行灌溉，例如，园林灌溉需要错开的城市用水高峰进行灌溉。
高效性：对于一个大型的灌水区域，由于区域跨度大，人工管理效率低，要满足整个区域的灌水，需要大量的人工协作劳动开启灌水。而如果采用自动化控制，不仅不需要每天大量人工去手动启闭阀门，可通过田间控制器对一定区域下的所有灌水单元进行操作，或者可以让所有灌水单元在设定好的程序下自动运行，甚至是可以通过一台计算机实现整个区域或者更大区域的灌水管理和监控，大大节省了人力的开支。
节水性：自动化控制不仅体现在时间的精准控制上，更重要的是他可以连接各种类型的传感器。不仅可以保证在极端气候条件下如大风或是降雨的时候，自动停止灌溉，避免无效喷洒所造成水的浪费。另外他也可以连接智能型的传感器，可完全根据当天的气象条件计算蒸发蒸腾量或是直接感知土壤的含水量，自动生成灌水程序，不需要人工再凭借自己的经验去判断每天灌水的时间。而且这个灌水时间完全依赖于当天的蒸发蒸腾量，真正的做到作物或植物需要多少水就灌多少水，大大节约了灌水量。
方便性：田间控制器管理一定区域下的灌水操作，只需进行简单的编程或是一键开启操作等等就可以完成这个区域的日常灌水，这种集约化管理方式为管理者提供了方便。而且有些控制器支持加装手持无线遥控装置，可通过手持遥控器在现场任意地点开启或关闭指定阀门，大大方便了管理者的日常管理工作。
智能性：智能性传感器所带来的科学化管理，即完全根据当天的气象条件或土壤含水条件实现日常灌水。同时，管理人员也可简单的从控制器或中央计算机上获取需要的管理资料，如灌水制度、工作日志、日/季度/年用水量、气象资料等。另外，现阶段比较先进的控制系统还支持远程遥控技术，如利用现有的手机网络、电脑局域网等实现远程的管理和监控，完全不受地域的限制。
安全性：人工管理的方式存在着大量的人工管理活动，像一些道路隔离带，人工的灌水操作存在着很大的安全隐患。另外，人工灌水时常会忘记盖阀门井盖，如果是在游客较多的公园或广场，游客一不注意就会出现危险。对于采用自动控制系统，所有管路设施以及控制设施全部安装隐蔽在地下，而且不会有什么人工的管理活动。
由此看来，自动化控制有着多方面的优越性，随着社会经济的不断发展，人工费用越来越贵，管理水平要求越来越高。采取自动化也许初期投入较高，但从长远来看，无论是节水性，还是从节省人工等方面，都是一个合理的选择。
一、自动控制组件、材料（种类、结构原理、技术规格、参数） 自动控制系统应当有以下基本组件。 1.电磁阀； 2.控制器；
3.可选配的中央控制器（或计算机控制软件）； 4.通讯或控制线路； 5.手持控制（遥控）器。
电磁阀：
结构原理：电磁阀采用先导式电磁阀结构。通电时，电磁力把先导孔打开，上腔室压力迅速下降，在关闭件（橡胶隔膜）周围形成上低下高的压差，流体压力推动关闭件向上移动，阀门打开；断电时，弹簧力把先导孔关闭，入口压力通过旁通孔，迅速到达上腔室在关阀件周围形成下低上高的压差，流体压力推动关闭件向下移动，关闭阀门。
图 1.PGV电磁阀
图 2.电磁阀内部结构
控制器：
控制器是灌溉自动化控制系统的主要设备，没有它就无法实现自动控制。多数控制器都是时间控制器，它只会按照人们设定要的灌溉开始时间和灌水延迟时间自动开启电磁阀进行灌溉。亨特公司的控制器有许多类型，主要是为了让客户根据自己的经济情况和灌溉系统的情况能够自由地选择合适的控制器。
为更好的适应不同项目的控制方式，亨特公司的喷微灌系统的控制方式也发展的多种多样，有简单的干电池控制，也有复杂的中央计算机控制系统，具体控制类型如下： 1.干电池控制系统
干电池是一种最为简单的控制系统。仅需在每个电磁阀上安装一个简易的时间定时控制设备（或接收器）。无需另外铺设电缆，仅通过对每个时间控制器的编程，即可实现灌溉系统的简单自动化控制。这种安装方式不仅给施工带来了便捷，在后期维护上也非常的方便，不用担心线缆出现的问题。同时，对于一些老旧的手动控制的灌溉系统改造，使用这种控制方式可以非常方便的将原来的系统升级成为简单的自动控制系统。
这种设备都不需要外接220V交流电源，仅需安装一块9V碱性电池，就可满足一年甚至更长时间的使用。安装也无需更多的安装空间或载体，安装时直接将设备卡在电磁阀的电磁头上 连接一些简单的开关式传感器，如雨量传感器、风力传感器、霜冻传感器，或是土壤湿度等开关式传感器，可以实现在极端天气条件下，系统会自动关闭。
2.有线控制系统
有线控制系统是通过控制器对多个电磁阀进行集中控制的控制方式。可通过控制器对每个电磁阀进行日常灌水程序的编程，实现自动灌溉。也可在控制器上操作进行手动开启指定站点。控制器到每个电磁阀均需埋设信号线，通过控制器给电磁阀传输低压电信号，实现电磁阀的开启和关闭。安装控制器的位置需接入220V交流电源。对于部分采用干电池和交流电两种电源作为控制器电源的，交流电只是备用或有条件才使用。它方便安装在没有交流电电源的地方，使用电池供电即可正常使用。
有线的控制器种类繁多，有小到2站的控制器，也有大到四十几站的控制器；有固定站点的控制器，也有模块式的控制器，根据实际需要加装站点模块。当然他们的区别还不仅是在连接站点的数量上，更多是在于内部灌水程序的复杂程度上。可根据项目的情况选择一款 最适合的控制器。像这样集中的控制方式可以给管理者日常管理带来很大的方便，仅在安装控制器的位置就可以对全局进行统筹安排或执行灌水操作，避免了以前管理人员在各个控制阀门之间的来回奔波，大大节省了操作的时间和人力资源的投入，提高了管理的工作效率。控制器不仅可以精确的控制灌水的制度，合理准确的安排每一组阀门的每一次灌水，而且无论刮风下雨冬寒夏暑还是因各种原因管理人员不能正常到岗，只要控制器电源不掉电，他就会每天毫无间断的将灌水程序执行下去。有线控制器与电磁阀的连接方式有2种，一种是较为传统的连接方式，即控制器到每个电磁阀均需一根信号线；另外一种是解码器的连接方式，控制器与所有电磁阀仅需一根2芯双绞线，电磁阀与双绞线之间需另外增加为电磁阀分配地址码的解码器。解码器控制系统相对于原有的有线控制系统有着更大的站点数，更远的铺设距离。为方便有线控制系统的日常管理，可在原有的有线控制器上增加无线遥控装置。在日常管理当中，如果现场发现有些区域需要补充灌水或是有特殊需要，无需再走到控制器处开启阀门，直接拿遥控就可直接开启指定阀门或阀门组，管理更加方便灵活。为充分发挥节水灌溉的特点，控制器的精准性
不只是体现在时间和程序设置的精准 性上，更重要的是体现在传感器的智能控制上，尽量缩小人为主观判断的误差，以真实的测量数据指挥控制器的工作。有线控制器支持连接各式各样的传感器，无论是简单的开关式传感器，还是带有数据的智能型传感器，他们可以将测量数据进行计算，指导最终的灌溉程序。比如ET气象传感器，实时监测当天的气象资料，如降雨、太阳辐射、温度、湿度和风力，然后再结合每个电磁阀控制灌溉区域内的植物类型、灌水强度、土壤类型、植物生长成熟度、遮阴状况等等因素，自动生成当天的灌水制度，在人为设定好的时间段内进行灌溉。这样，灌水完全是根据植物的需水量进行灌水，由控制器自动控制，无需人工再对其操作，充分缩减了人力资源也节约了水资源。
中央计算机控制系统：
对于较大的系统来说，可能会有多个控制器，这些控制器都是相互独立的。在日常管理当中就算不进行灌水检查或补水工作，管理人员每天轮流走一遍控制器也会花费很长时间。这样，如果所有控制器由一台计算机统一管理起来，不仅是管理更加方便，更重要的是有效的减少了日常维护的劳动力和经济成本开支。一套中央计算机系统最大支持连接上万台田间控制器。
对于一些管理水平较高的灌溉系统，中央计算机控制系统也是个不错的选择。通过计算机不仅可以编制每个控制器站点（电磁阀）的灌水时间、灌水日期以及如何运行等多方面应用程序，同时可以通过计算机的灌水管理窗口监视每个控制器正在运行的站点（电磁阀），实现实时监测，也可通过管理窗口查询过去每天的灌水制度或是进行每天或每个季度用水量分析，真正的做到足不出户，运筹帷幄。同时，系统也可连接气象站等传感装置，实时监测当地的各项气象资料，反馈给计算机后，结合站点的植物类型、土壤类型等由计算机指导各个站点的灌水程序，也可通过计算机轻松的获取每天的各项气象数据。
计算机与田间控制器有多种多样的通讯方式，实现在各种现场的正常通讯，常用的通讯方式由信号电缆通讯、无线电通讯、固定电话通讯、手机网络通讯和计算机局域网通讯。
中央计算机系统控制功能的实现采用中央计算机管理、田间分控箱管理和无线遥控系统管理结合的形式，管理层次明显，灵活性高。简单的来说就是在灌区中安装灌溉控制分控箱。日常管理中通过中央计算机操作是主要的管理方式，也可直接通过控制器或手持遥控器进行现场的辅助操作管理。即使是在计算机出现故障或是控制器与计算机的通讯出现故障的时候，还是可以通过田间的控制器和手持无线遥控器执行灌水作业。像这样的计算机管理系统，不需要计算机24小时运行着灌溉软件，而且离开了计算机系统也会正常进行灌水工作，仅仅需要定期的同步数据。 通讯或控制线路：
通讯电缆和信号导线均推荐使用铜质导线。其中两线制的“双绞线”推荐使用专用电缆。
手持控制（遥控）器：
许多情况下，在现场因紧急情况需要处理，要求开关电磁阀，在采用了自动控制器的灌溉系统，这种要求十分急迫的手动控制，也不容易实现。有了遥控器（或智能手机）这种要求会方便地实现了。
二、自动控制方案选择原则
自动控制方案选择需要遵循以下几个原则：
1.要适合灌溉系统控制的需要。除了留足今后可能的扩展要求以外，不应当增加不必要的站点接线数量。灌溉控制功能达到控制需要就行，不需要一些花梢的，不必要的功能。 2.要性价比好。就是性能要好，同时控制器及其配件的价格要合理。
3.在满足性价比好条件下，要做到精确灌溉和智能灌溉，这样都能发挥控制器更大的效能，节省更多的水资源。
4.最后一个要求就是要满足设计的技术经济指标要求。方案的技术指标要求就是技术方案要合理，技术上要有可以实施的可能。方案经济指标的要求就是不应当超越现行的、当地的和用户的现实经济条件，追求过高的、过度的灌溉自动化控制系统。
三、设计方法步骤
灌溉自动化控制系统设计方法，第一个就是根据实际需要，用户提出的要求选择一个先进的、同时合理的控制系统方案。
1.确定站点数量。这一步主要是通过了解用户灌溉系统上的站点数量，选择确定一个有合适站点数量的控制器。
2.根据选择好的控制器所需要的接线方式，选择控制线类型，是传统的布线方式还是两线制的“双绞线”布置方式。根据布置的控制线长度选择控制线的线径。 3.根据灌溉系统的管道布置图，绘出控制器的布线电路图。
