丁东良鄢陵县自动化水灌溉全套标准系统Word格式.docx
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2)田间喷洒水利用系数
根据《喷灌工程技术规范》(GB/T50085-2007)及项目区气候条件,确定
3)灌溉水利用系数
(1-9)
式中:
—灌溉水利用系数
—管道系统水利用系数;
—田间喷洒水利用系数。
由式1-9计算可得
0.833。
1.4.2喷头选型和布置间距
按照国家标准《喷灌工程技术规范》的规定,选择喷头和确定组合间距。
1、喷头的选择
喷头拟采用ZY-2H型金属摇臂式喷头。
其性能参数如下:
喷嘴直径6.0×
3.1mm工作压力300kpa
喷头射程18.5m喷头流量2.97m3/h
2、喷头间距的确定
除了考虑为施工安装的方便,还应考虑风力的影响,所以初步确定喷头间距α=18m,支管间距b=18m。
喷头在支管上的布置形式为正方形布置。
3、对所选喷头进行验算:
1)喷灌强度:
参照《喷灌工程设计手册》公式(10—2)
(1-10)
ρs—无风情况下单喷头全圆喷洒的设计灌溉程度(mm/h);
q—喷头流量(m3/h);
R—喷头射程(m);
经计算:
ρs=2.76(mm/h)。
参照《喷灌工程设计手册》公式(10—3)计算:
=6.8(mm/h)(1-11)
ρ—设计喷灌程度(mm/h);
Cp—布置系数;
Kw—风系数。
参照《喷灌工程设计手册》表(1—11),(1—12),项目区允许喷灌强度为15mm/h,得出:
ρ<
[ρ],满足要求。
2)雾化指标:
(1-12)
Wh—喷灌的雾化指标;
Hp—喷头工作压力水头(m);
d—喷头主喷嘴直径(m)。
经计算Wh=5100≥4000~5000,满足《喷灌工程技术规范》。
1.4.3灌溉制度
1、灌水定额:
设计灌水定额由下式计算:
(1-13)
m——设计毛灌水定额(mm);
γ——土壤容重(kg/cm3);
H——计划湿润层深度(cm);
β1——适宜土壤含水量上限;
β2——适宜土壤含水量下限;
β——田间持水量(重量比%)。
根据有关资料,取大田作物喷灌计划湿润层深度h=50cm,项目区土壤容重γ=1.4×
10-3kg/cm3,田间持水量为25%(占干土重的百分数),适宜土壤含水率上、下限分别取田间持水量的90%和70%,即βmax=22.5%,βmin=17.5%,喷灌水的综合利用系数η=0.85,计算得设计灌水定额为41.2mm(合27.5m3/亩)灌水水深。
取m=42mm(合28m3/亩)。
2、灌水周期
大田作物需水高峰时期的需水强度EP为6.0mm/d,灌水周期可由下式计算:
(1-14)
T——设计灌水周期(d);
m——设计净灌水定额(mm);
EP——作物临界期日均需水强度(mm/d)。
设计灌水定额为42mm,计算得作物灌水周期为7d。
3、工作制度
1)设计日喷灌时间
td—设计日灌溉时间(h)
m—设计灌水定额(mm)
S—系统控制面积,m2
Q—系统流量(m3/s)
T—设计灌水天数(d)
—喷洒水利用系数(0.85)
代入数据,计算得出td=13h。
2)喷头在一个工作点上喷洒的时间
(1-15)
t—喷头在工作点上喷洒的时间(h);
m—设计灌水定额(mm);
a—喷灌沿支管的布置间距(m);
b—支管的布置间距(m);
q-喷头流量(m3/h);
η—喷洒水利用系数。
由上式计算得:
t=5.4(h)。
3)喷头每日可喷洒的工作点数
(1-16)
nd—一天喷洒的工作点数(次);
td—设计日灌水时间(h);
t—一个位置工作时间(h)。
经计算nd=2.4,则取nd=2(次)。
4)同时工作喷头数
(1-17)
np—同时工作喷头数(个);
Np—灌区喷头总数(个);
nd—每日喷洒的工作点数(h);
T—设计灌水周期(d)。
经计算知,同时工作喷头数为
12个。
1.4.4取水工程规划布置
1、单井控制面积
(1-18)
—单井控制灌溉面积(亩);
—单井出水量(m3/h);
—灌水周期(d);
—每天灌水时间(h);
—灌水定额(m3/亩)。
灌区单井出水量为35m3/h。
每天灌水时间t按13h计,灌水周期T为7d,灌溉水有效利用系数η为0.85,则单井控制灌溉面积A=96.7亩。
2、机井数量
喷灌区面积为210亩,单井控制面积96.7亩,则喷灌区需井数为:
n=A总/A(1-19)
n—总井数(眼);
A总—灌区总面积(亩);
A—单井控制面积(亩)。
计算可得喷灌区所需机井2.眼便可满足要求。
3、管材选用
对于田间灌溉系统,根据铺设技术简易,施工工期短,质量标准易保证,造价低廉等原则,干、支管均选用低压UPVC塑料硬管,各种管件采用厂家定型配套产品。
4、管径选择
(1)支管管径
管网最不利的运行状态为:
位于干管尾部、距离井口最远的支管同时工作,故其支管流量为:
Q支=nqs=12*2.97(m3/h)(1-20)
式中:
n—同时工作喷头个数,(个);
qs—单个喷头额定流量,(m3/h)。
根据《喷灌工程技术规范》,支管能量损失应满足
的条件,若暂时按支管局部水头损失hj=10%hf估算,则hf=0.182Hp,通过沿程水头损失计算式
经变形后,可得到支管管径计算表达为:
(1-21)
d支—支管管径(mm);
b—管径指数,取b=4.77;
f—摩阻系数,f=0.948×
105;
m—流量指数,m=1.77;
Hp—喷头工作水头(m),Hp=30m;
Q—支管流量(m3/h);
F—多口系数,查表得F=0.397;
L—支管长度(m),L=63m。
将上述有关数据代入上式可得:
d支=36.33(mm)。
则支管选用φ50UPVC管。
(2)干管管径
干管管径按下式选取:
(1-22)
D—干管的经济管径(mm);
干管Q1—干管设计流量(m3/h),取水泵出水流量Q=64m3/h计算;
由上式计算可得:
D=104mm。
则干管选用管径为Φ110mm,工作压力为1.0MPa级UPVC管。
5、管网水力计算
1)干、支管沿程水头损失计算
沿程水头损失计算按《低压管道输水灌溉工程技术规范》(井灌区部分)中的公式计算,如下:
(1-23)
——沿程水头损失(m);
——管道计算长度(m);
——沿程水头损失摩阻系数;
——流量(m3/h);
——流量指数;
——管径指数;
——管径(mm)。
各种管材的f、m、b值见表1-3。
表1-3各种管材的f、m、b值
管材
f
m
b
塑料管
0.948×
105
1.77
4.77
2)干、支管局部水头损失计算
干、支管局部水头损失根据《低压管道输水灌溉工程技术规范》(井灌区部分)中的公式计算,如下:
(1-24)
——局部水头损失(m);
——局部水头损失系数;
——管中流速(m3/s);
——重力加速度,为9.8m/s2。
根据经验,局部水头损失为沿程水头损失的10%左右,为简化计算,可取。
3)喷灌系统设计水头
根据《喷灌工程技术规范》规定,设计水头按下式计算:
H=Zd-Zs+hs+hp+∑hf+∑hj(1-25)
H—喷灌系统设计水头(m);
Zd—典型喷点的地面高程(m);
Zs—水源水面高程(m),(动水位×
×
m);
Hs—典型喷点的竖管高度(m);
Hp—典型喷点的工作压力水头(m);
∑hf—由水泵进水管至典型喷点喷头进口处之间管道的沿程水头损失(m);
∑hj—由水泵进水管到典型喷点喷头进口处之间管道的局部水头损失(m);
喷灌系统设计水头H即为水泵设计扬程。
管网水力计算表
机井
计算
管段
Q(m3/h)
D(mm)
L(mm)
HW(m)
Zd-Zs(m)
hs+hp(m)
H(m)
典型井
干管
32
71.4
198
13.7
25
31.5
75.3
支管
11.88
48
63
5.1
4)管道埋设深度
根据冻土层深度及作物耕作要求,管道埋深取0.6m。
6、机泵选型
根据项目区基本资料及其以上相关计算数据,选用200QJ32-78/6型潜水泵,其性能参数为:
Q=32m3/h,H=78m,额定功率11kw,控制器型号DZ15-40。
第二部分
管网及机井供水系统
项目区工程主要采用固定式喷灌节水灌溉形式。
灌溉面积为210亩,分八个小区,工程平面布置图如下。
供水系统采用二台水泵并联连接,二台水泵工作程序根据压力进行控制,三台水泵同时工作或者单独工作,第一台泵工作一段时间后如果压力达不到要求,第二台泵自动开启,如果压力达到要求并保持一段时间后开始按倒序停泵,并保持第一台泵进入变频状态,调整频率,电机转速变慢,使总管道总是保持一个恒压状态,当支路管道开启较少时,节约用电,节约用水.
二眼井提供水源,可提高单位时间供水能力,可提高单位时间灌溉面积,提高生产效率.
第三部分
自动化节水灌溉远程控制系统
3.1系统概述
目前我国农业的灌溉方式还是采用人工监测和灌溉方式,由于人工土壤水份监测工作采用人工土钻取土,烘干称重的方式,取样比较困难,工作比较繁琐,测量结果人为因素影响较多,测量周期长,对土壤破坏较大。
采用自动设备监控土壤水份含量,控制灌溉,可提高测量的准确性和实时性,实施及时定量灌溉,既可以及时补充土壤水份,又能节约用水。
是一种即环保又节约的现代农业生产方式。
农田自动化节水灌溉系统是根据我国水资源贫乏及灌溉方式不合理的现状研发的一套节水灌溉系统。
该系统在灌区参数里设置各个灌区的作物后,通过调整水泵的供水量,管理设置每种作物最佳的水势范围,并且通过土壤含水量参数的采集,进而在软件界面上进行土壤含水量的实时监视。
该系统利用成熟的软件技术实现农田灌溉决策和灌溉用水量的精细、适时灌溉控制,应用于农田供水,达到自动控制、节能降耗的目的,不仅能提高水利资源的利用率,还能促进农业增产增收。
通过传感器实时监测土壤的指定深度水份含量、日照强度、空气温度,把数据存储在FlashSD卡中,并根据设定的土壤水份阈值,结合日照强度和空气温度计算出合理的灌溉时间和灌溉水量,控制灌溉装置实施灌溉,并通过GPRS/GSM无线通信把数据传送到数据中心,数据中心也可以通过无线通信查询实时和历史数据,设置系统工作参数,实施人工控制。
全自动化灌溉系统不需要人直接参与,通过预先编制好的控制程序和根据反映作物需水的某些参量可以长时间地自动启闭水泵或阀门和自动按一定的轮灌顺序进行灌溉。
人的作用只是调整控制程序和检修控制设备。
这种系统中,除灌水器(喷头、滴头等)、管道、管件及水泵、电机外,还有中央控制器、自动阀、传感器(土壤水分传感器、温度传感器、压力传感器、水位传感器和雨量传感器等)及电线等。
在泵房管理中心,只要点一下鼠标或是发个短信,就可以开启水泵或阀门.
为了科学管理,各个灌区的工作状态,运行参数均可实时地传输到市自动化节水灌溉监控中心和省自动化节水灌溉监控中心,在省、市自动化节水灌溉监控中心可对各灌区实施信息查询和控制.
3.2系统构成
GPRS自动化灌溉系统主要由中心主控系统(主计算机)、GPRS采集控制终端、电磁阀、田间湿度传感器(可测土壤湿度绝对值)、气象观测站(可测量气温、风向、风速)等设备所组成。
操作人员可坐在控制室里,对传上来的气象资料、田间土壤湿度等数据进行综合分析,利用自动方式,足不出户的对整个小区进行灌溉。
同时还可以利用数据查询系统和打印系统,随时记录、查询、打印整个灌溉小区的气象资料、土壤湿度、灌溉设置、灌溉进程、灌水历史记录等数据。
GPRS农业自动化灌溉系统网络结构分为三层,第一层为控制中心由电脑和以太网组成;
第二层为GPRS无线采集控制器(RS6011GGPRSRTU),该层和第一层之间无需电缆连接;
第三层为传感器采集与电磁阀,所有的传感器与电磁阀和GPRS无线采集控制器只需要用一根电缆连接。
下面详细介绍一下本方案。
首先我们可以将需要灌溉的区域分成若干个小区,划分的原则为阀门相对集中。
每个小区内采用一个GPRS无线采集控制器
图3.1灌区规划示意图
压力表
远传水表
图3.2灌溉小区布局示意图
GPRSRTU,通过它与中心控制室通讯;
GPRS无线采集控制器再与电磁阀、土壤传感器等连接该套设备只需要很少的电力,可以使用太阳能来供电。
这个小区的控制系统无需任何电缆与中心控制室连接。
系统总体结构框图如图所示。
图3.3自动化节水灌溉远程控制总系统
第一层控制中心:
中心采用通过GPRS/GSM网路把室外传感器数据发送到中心计算机,在这里进行灌溉参数设置,及对灌溉情况进行统计,并可通过专用软件在计算机上存储,显示数据和图表。
同时可以人工进行特殊操作。
通过互联网获取天气信息,有预见性地实施灌溉。
建立GPRS中心连接的两种方式:
a、中心控制站服务器采用固定IP地址,当监控点数量增加,中心不用扩容即可满足需求。
b、中心监控站服务器采用动态IP地址(可以申请花生壳软件采用域名的方式),当监控点数量增加,中心不用扩容即可满足需求(适合监控点数在几十个左右的)。
第二层GPRS无线采集控制器:
①产品简介:
集成采集、无线数据传输、远程控制于一体,将现场传感器的模拟量、开关量、继电器信号通过GPRS无线网络远传至监控中心,实现了由现场采集直达监控中心的一套完整解决方案。
可以直接通过各类通用型工业组态软件与远端现场传感器进行数据交流,无须定制驱动。
②产品功能:
◆采集传输控制一体化,提高了系统可靠性,降低了成本;
◆配备多种接口资源:
包括模拟量采集、开关量采集、脉冲信号输入、继电器输出等;
◆支持一路RS232/RS485(符合ModBus协议)方式的用户数据接口,可接入电子式传感器、PLC等各种设备;
◆用户可在线远程设置模拟量、开关量、继电器、报警等参数;
◆用户可以编程的量程转换和报警上下限设定;
◆继电器可与模拟量、开关量设置报警关联;
◆模拟量分时段报警;
◆自动定时上报和事件触发上报功能;
◆I/O精度12bit,采集误差为千分之二以下;
◆采用工业级低功耗高性能的嵌入式处理器;
◆内设工业时钟,精确记时;
◆内置大容量FLASH存储器,数据自动记录,支持历史数据检索;
◆通讯协议完善,组态软件支持,用户免开发;
◆板载工业级GSM/GPRS通信模块,方便用户选择GSM/GPRS组网方式;
◆提供用户设置软件,开放式接口,方便与组太软件及其他软件连接;
◆内置看门狗,工业级设计,稳定可靠,坚固耐用;
③作用
◆具有电压、电流值等直接模拟量输入监测土壤含水量等传感器;
◆具有485数字量输入监测EC(电导率)值和pH值的等数字传感器;
◆具有开关量输入监测电磁阀状态;
◆具有继电器输出远程控制电磁阀;
④本系统运用中的优势:
a、中心控制室可以控制远在千里之外的阀门。
b、在电力无法到达的地方,我们可以采用太阳能供电。
c、也可以通过手持遥控器来控制阀门。
d、模拟量、开关量高低报警。
3.3、实施方案:
3.3.1监测中心软件设计
1)接收入库
对各监测点自报过来的墒情地下水位雨量信息,自动解析接收入库,并建立报文接收日志,且提供查询功能。
2)数据库管理
可直接对数据库中的墒情数据、雨量数据进行查询和修改,可进行取消数据异地同步、重新同步所有数据。
3.3.2井泵采用变频恒压供水装置
三台水泵并联连接,三台水泵工作程序根据压力进行控制,三台水泵同时工作或者单独工作,第一台泵工作一段时间后如果压力达不到要求,第二台泵自动开启,如果第二台泵工作一段时间后还达不到要求第三台泵开始工作,如果压力达到要求并保持一段时间后开始按倒序停泵,并保持第一台泵进入变频状态,调整频率,电机转速变慢,使总管道总是保持一个恒压状态,当支路管道开启较少时,节约用电,节约用水.
三眼井提供水源,可提高单位时间供水能力,可提高单位时间灌溉面积,提高生产效率.
3.3.3土壤含水量的在线检测
采用土壤水分传感器,并通过数据采集器、GPRS模块将检测结果实时(每分钟传送一次)地传送到中心控制室。
安装时,在一个区域内设置4~5个检测点,这样可以求出其平均值,以避免由于灌溉不均匀而造成判断错误。
同时在灌区内设置少量的雨量检测点和气象站.
图4信息采集系统
土壤水分传感器
水分传感器是基于介电理论并运用频域测量技术,能够精确测量土壤和其它多孔介质的体积含水量。
可与温室环境监测、土壤墒情采集、自动灌溉控制等系统集成,实现水分的长期动态连续监测。
图5土壤水分传感器
性能指标
·
测量参数:
土壤容积含水量
单位:
%(m³
/m³
)
量程:
0~100%(m³
精度:
0~50%(m³
)范围内为±
2%(m³
测量区域:
90%的影响在围绕中央探针的直径3cm、长为6cm的圆柱体内
稳定时间:
通电后约1秒
响应时间:
响应在1秒内进入稳态过程
工作电压:
电流输出为12V—24VDC,电压输出为5VDC
工作电流:
50~70mA,典型值50mA
输出形式:
a:
0-5VDC;
b:
4~20mA;
c:
RS232/RS485网络通讯
密封材料:
ABS工程塑料
探针材料:
不锈钢或铜
电缆长度:
标准长度5m
遥测距离:
小于1000米
产品特点
1.高稳定性,安装维护操作简便。
2.支撑的材料为环氧树脂,强度和寿命得到保证。
3.密封性好,可长期埋入土壤中使用,且不受腐蚀
4.采用标准的电流环传送技术使其具有抗干扰能力强,传送距离远,测量精度高,响应速度快。
5.土质影响较小,应用地区广泛,价格低廉,适合中国国情。
3.3.3控制节点
在喷灌管道的每一排的节点处安装一个数字电磁阀和一个GPRS模块,当GPRS接收到一个从中控室传送来的控制信号时,电磁阀就自动打开或关闭从而实现自动灌溉。
节点的控制信号来自三个方面,一是来自于电脑控制信号,二是来自于手持遥控器的信号,三是来自于手动信号.
3.3.3.1电磁阀的控制方式
电磁阀的控制方式可以采用三种工作方式,操作人员可以根据具体情况选择其中之一:
1当接收到从土壤水分传感器送来的信号后,便于系统的设定的参考值进行比较,当土壤水分低于某一值时,发送一个信号给电磁阀使电磁阀打开开始供水进行浇灌,当土壤水分高于某一值时,发送一个信号给电磁阀使电磁阀关闭停止供水浇灌,
2当土壤水分低于某一值时,电脑屏幕上警示灯闪烁,同时发出警示声音,操作人员用鼠标点击电脑页面上开关按钮,发送一个信号给电磁阀使电磁阀打开开始供水进行浇灌,当土壤水分高于某一值时,电脑屏幕上警示灯闪烁(用颜色区分两种状态),同时发出警示声音,操作人员用鼠标点击电脑页面上开关按钮,发送一个信号给电磁阀使电磁阀关闭停止供水浇灌。
3当土壤水分低于某一值时,电脑屏幕上警示灯闪烁,同时发出短信,操作人员根据短信内容,这样工作人员即使不在中控室不须再回到中控室用鼠标点击电脑页面上开关按钮,而是用手持遥控器,随时随地都可以发送一个信号给电磁阀使电磁阀打开开始供水进行浇灌,当土壤水分高于某一值时,用同样的方法发送一个信号给电磁阀使电磁阀关闭停止供水浇灌。
或者是工作人员在现场根据现场情况随时用遥控器进行控制。
3.3.3.2地理信息功能
①将整个区域的所有土壤含水量的在线检测点的位置通过GIS定位系统准确地标注在电子地图上,标注点的颜色随土壤含水量而变化,使人一目了然地就可以看到整个区域内的土壤含水
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