RU2797366C1

RU2797366C1 - Automated paddy irrigation system

Info

Publication number: RU2797366C1
Application number: RU2022124208A
Authority: RU
Inventors: Николай Вячеславович Островский; Вячеслав Тимофеевич Островский; Елена Владимировна Дегтярева; Вячеслав Вячеславович Островский; Егор Андреевич Наумов; Дмитрий Анатольевич Щербак; Иван Сергеевич Носуля; Влад Дмитриевич Кудым; Христофор Евстафьевич Кесафоти
Filing date: 2022-09-12
Publication date: 2023-06-05

Abstract

FIELD: irrigation systems.

SUBSTANCE: system includes a network of irrigation canals with water supply regulators, field sprinklers, water outlets, paddy fields, a controlled point, regulators, level sensors, water supply regulators field sprinkler to paddy fields, communication lines for connecting regulators to the control system. The system has a crop rotation area distributor equipped with non-contact level sensors located in the head and along the length of the crop rotation area distributor at water outlets to irrigation channels, a distribution channel head regulator with a built-in control microcontroller, irrigation channels equipped with direct-acting head regulators made in the form of movable ring weirs, providing a constant difference in the levels of the irrigation canal and the distributor of the crop rotation area. Water outlets into paddy-fields are equipped with indirect level regulators. To control the head regulator of the distributor of the crop rotation area, a wireless communication line is used to transfer data to the control system, consisting of non-contact level sensors communicated with each other, a control microcontroller, a cloud data storage and a remote operator control point.

EFFECT: increased efficiency of water distribution in paddy irrigation systems and accuracy of water level control in canals and fields of rice irrigation systems.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к ирригационным системам и может быть использовано для эффективного автоматизированного управления водораспределением на рисовых оросительных системах.The invention relates to irrigation systems and can be used for efficient automated control of water distribution in rice irrigation systems.

Известно изобретение Способ и система управления дифференциальным поливом сельскохозяйственных культур (RU 2744069 С1, опубликовано: 02.03.2021 Бюл. №7), решающее задачи по дистанционному контролю и управлению подачей воды с учетом поливных норм для выращиваемых сельскохозяйственных (с/х) культур при применении различных видов оросительных систем, с применением сетей Wi-Fi или GSM для передачи данных, и передачей данных с датчиков на центральный блок посредством беспроводной технологии.Known invention Method and control system for differential irrigation of agricultural crops (RU 2744069 C1, published: 03/02/2021 Bull. No. 7), solving the problems of remote control and management of water supply, taking into account irrigation norms for cultivated agricultural (agricultural) crops when applied various types of irrigation systems, using Wi-Fi or GSM networks for data transmission, and transmitting data from sensors to the central unit using wireless technology.

Недостаток - ориентация на ОС нерисовых севооборотов и управление оросительной техникой, которая не характерна для орошения риса на РОС (несоответствие алгоритмов функционирования (управления) и структуры контрольно-измерительной аппаратуры, исполнительных механизмов и регулирующих органов), т.е. неприемлемость системы управления условиям эксплуатации.The disadvantage is the orientation towards the OS of non-rice crop rotations and the management of irrigation equipment, which is not typical for irrigating rice on the DSS (inconsistency between the functioning (control) algorithms and the structure of control and measuring equipment, actuators and regulatory bodies), i.e. unacceptability of the control system to operating conditions.

Наиболее близкими по технической сущности является (авторское свидетельство SU 1434388 А1, кл. G02B 13/00, опубликовано: 30.10.1988 Бюл. №40 - прототип), автоматизированная рисовая оросительная система, включающая сеть оросительных каналов с регуляторами водоподачи, картовыми оросителями, рисовыми чеками, контролируемый пункт, регуляторами, датчиками уровня, регуляторы водоподачи из картовых оросителей в рисовые чеки, линии связи подключения регуляторов к системе управления.The closest in technical essence is (author's certificate SU 1434388 A1, class G02B 13/00, published: 10/30/1988 Bull. No. 40 - prototype), an automated rice irrigation system, including a network of irrigation canals with water supply regulators, cart sprinklers, rice checks, a controlled point, regulators, level sensors, water supply regulators from cart sprinklers to rice checks, communication lines for connecting regulators to the control system.

Для увеличения точности, надежности и быстродействия регулирования в систему введены последовательно соединенные датчики уровня, сравнивающие элементы, многомерные широтно-импульсные регуляторы и блок управления регуляторами водовыпусков.To increase the accuracy, reliability and speed of regulation, series-connected level sensors, comparing elements, multidimensional pulse-width controllers and a control unit for water outlet regulators are introduced into the system.

Недостатком известного устройства является то, что оно имеет сложную схему взаимосвязей между диспетчерским пунктом, широтно-импульсным регулятором, сравнивающими элементами чековых и канальных датчиков уровня и сложную систему подзарядки химических источников электроэнергии, функционирующую за счет разности потенциалов между корнеобитаемым слоем почвы и поверхностным слоем воды в чеке.The disadvantage of the known device is that it has a complex scheme of relationships between the control room, pulse-width controller, comparing elements of check and channel level sensors and a complex system for recharging chemical power sources, which operates due to the potential difference between the root-inhabited soil layer and the surface layer of water in check.

Техническим результатом является повышение эффективности водораспределения на рисовых оросительных системах и точности регулирования уровня воды в каналах и чеках рисовых оросительных систем.The technical result is to increase the efficiency of water distribution in rice irrigation systems and the accuracy of water level control in the channels and checks of rice irrigation systems.

Технический результат достигается тем, что автоматизированная рисовая оросительная система, включающая сеть оросительных каналов с регуляторами водоподачи, картовыми оросителями, водовыпусками, рисовыми чеками, контролируемым пунктом, регуляторами, датчиками уровня, регуляторы водоподачи из картовых оросителей в рисовые чеки, линии связи подключения регуляторов к системе управления, согласно изобретению имеет распределитель севооборотного участка, снабженный бесконтактными датчиками уровня, расположенными в головной части и по длине распределителя севооборотного участка у водовыпусков в оросительные каналы, головным регулятором распределительного канала со встроенным управляющим микроконтроллером, оросительные каналы, снабженные головными регуляторами прямого действия, выполненными в виде подвижных кольцевых водосливов, обеспечивающих постоянную разность уровней оросительного канала и распределителя севооборотного участка, а водовыпуски в рисовые чеки оснащены чековыми регуляторами уровня непрямого действия, при этом для управления головным регулятором распределителя севооборотного участка использована беспроводная линия связи для передачи данных в систему управления, состоящую из сообщенных между собой бесконтактных датчиков уровня, управляющего микроконтроллера, облачного хранилища данных и контрольного пункта удаленного операторского управления.The technical result is achieved by the fact that an automated rice irrigation system, including a network of irrigation canals with water supply regulators, kart irrigators, water outlets, rice checks, a controlled point, regulators, level sensors, water supply regulators from kart irrigators to rice checks, communication lines for connecting regulators to the system control, according to the invention, has a crop rotation area distributor equipped with non-contact level sensors located in the head part and along the length of the crop rotation area distributor at water outlets to irrigation channels, a head regulator of the distribution channel with a built-in control microcontroller, irrigation channels equipped with direct-acting head regulators made in in the form of movable annular weirs, providing a constant difference in the levels of the irrigation canal and the distributor of the crop rotation area, and the water outlets in rice fields are equipped with check level regulators of indirect action, while a wireless communication line is used to control the head regulator of the distributor of the crop rotation area to transmit data to the control system, consisting of interconnected non-contact level sensors, a control microcontroller, a cloud data storage and a control point for remote operator control.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фигуре 1 представлена конструкция автоматизированной рисовой оросительной системы, на фигуре 2 показана схема головного регулятора распределительного канала, на фигуре 3 поясняется принцип работы головных регуляторов оросительных каналов.The essence of the invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows the design of an automated rice irrigation system, figure 2 shows a diagram of the head regulator of the distribution channel, figure 3 explains the principle of operation of the head regulators of irrigation channels.

Автоматизированная рисовая оросительная система содержит сеть оросительных каналов, состоящую из распределителя старшего порядка 1, по которому вода поступает на севооборотный участок - модуль рисовой оросительной системы Кубанская (возможна адаптация схемы к рисовой оросительной системе, соответствующей конструкции карт Краснодарского типа), распределителя севооборотного участка 2, оросительных каналов севооборотного участка 3 и рисовые чеки 4. Для точного поддержания уровня в распределителе севооборотного участка 2 на требуемой отметке на водовыпуске в распределителе севооборотного участка установлен головной регулятор распределительного канала 5 (фигура 2), который имеет линию беспроводной связи с бесконтактными датчиками уровня 6 в распределителе севооборотного участка 2. По сигналам датчиков уровня 6, расположенных в головной части и по длине распределителя севооборотного участка у водовыпусков в оросительные каналы, регулятор 5 пополняет канал 2 водой, поддерживая уровень воды на заданной (const) отметке, устанавливаемой специалистами службы эксплуатации рисовой системы.The automated rice irrigation system contains a network of irrigation canals, consisting of a distributor of the highest order 1, through which water enters the crop rotation area - the module of the Kubanskaya rice irrigation system (it is possible to adapt the scheme to the rice irrigation system, corresponding to the design of maps of the Krasnodar type), the distributor of the crop rotation plot 2, irrigation channels of the crop rotation area 3 and rice checks 4. To accurately maintain the level in the distributor of the crop rotation area 2 at the required level at the water outlet, the head regulator of the distribution channel 5 (figure 2) is installed in the distributor of the crop rotation area, which has a wireless communication line with non-contact level sensors 6 in distributor of crop rotation area 2. According to the signals of level sensors 6 located in the head part and along the length of the distributor of crop rotation area at water outlets to irrigation canals, regulator 5 replenishes channel 2 with water, maintaining the water level at a predetermined (const) mark, set by specialists of the rice system operation service .

Головной регулятор распределительного канала 5 является электропневматическим регулятором непрямого действия, содержащий водовыпускную трубу 7 (фигура 2), выполненную виде изогнутой под углом 90° металлической трубы, закрепленный на глубинном плоском скользящем затворе 8. Водовыпускная труба 7 содержит в верхней части затвор в виде кольцевого водослива, выполненного в виде подвижного оголовка 9 (выполненного из пеноматериала в жестком корпусе), соединенного эластичной сильфонной трубой 10 и направляющей трубой 11 с управляющей камерой 12. Управляющая камера 12 является жестким металлическими коробом цилиндрический формы, в нижней части которого выполнена прорезь круглой формы для входа направляющей трубы 11. Управляющая камера 12 жестко присоединена к трубе водовыпуска 7. Внутри управляющей камеры 12 к направляющей трубе 11 с жестко прикреплена площадка 13. Над площадкой 13 размещена воздухонаполняемая эластичная емкость 14, соединенная воздуховодом 15 с компрессором 16. Регулятор распределительного канала 5 оборудован управляющим микроконтроллером 17, управляющий запуском компрессора 16. Датчики уровня 6 оборудованы микроконтроллерами 18. Компрессор 16, микроконтроллеры 17, 18 оборудованы автономными источниками питания (аккумуляторы+солнечные батареи). Линия связи для передачи управляющего потока данных между микроконтроллерами является беспроводной, организована по принципу IoT-технологии (internet of things). Микроконтроллеры 18 датчиков уровня 6 транслируют данные значения уровня в распределительном канале 2 напрямую на микроконтроллер 17 регулятора 5 и в облачное хранилище данных 19 (фигура 1), связанное с контрольным пунктом удаленного операторского управления 20, обладающего функциям эксплуатационной настройки системы и аварийного управления.The head regulator of the distribution channel 5 is an electro-pneumatic regulator of indirect action, containing a drain pipe 7 (figure 2), made in the form of a metal pipe bent at an angle of 90 °, fixed on a deep flat sliding gate 8. The outlet pipe 7 contains a gate in the upper part in the form of an annular weir , made in the form of a movable head 9 (made of foam in a rigid case), connected by an elastic bellows pipe 10 and a guide pipe 11 with a control chamber 12. The control chamber 12 is a rigid cylindrical metal box, in the lower part of which a round-shaped slot is made for entry guide pipe 11. The control chamber 12 is rigidly attached to the outlet pipe 7. Inside the control chamber 12, a platform 13 is rigidly attached to the guide pipe 11 c. An air-filled elastic container 14 is placed above the platform 13, connected by an air duct 15 to a compressor 16. The distribution channel regulator 5 is equipped with a control microcontroller 17 that controls the start of the compressor 16. Level sensors 6 are equipped with microcontrollers 18. The compressor 16, microcontrollers 17, 18 are equipped with autonomous power sources (batteries + solar panels). The communication line for transferring the control data stream between microcontrollers is wireless, organized according to the principle of IoT technology (internet of things). The microcontrollers 18 of the level sensors 6 transmit the data of the level values in the distribution channel 2 directly to the microcontroller 17 of the regulator 5 and to the cloud data storage 19 (figure 1) associated with the control point of the remote operator control 20, which has the functions of operational system setup and emergency control.

На водовыпусках в оросительные каналы 3 установлены головные регуляторы прямого действия оросительных каналов 21, закрепляемые на трубе водовыпусков 22 (фигура 3), состоящие из вставки 23, кольцевого водослива 24, устанавливаемого на поплавке 25, соединенном с вставкой 23 гофрированной трубой 26. Гофрированная труба 26 имеет возможность растяжения-сжатия, поэтому, при снижении уровня в оросительных каналах поплавок 25 опускается и за счет перелива через верхнюю грань кольцевого водослива 24 уровень воды в оросительных каналах 3 пополняется и восстанавливается до требуемой отметки, при этом сохраняется постоянное значения перепада уровней Z с распределителем севооборотного участка 2.At the water outlets in the irrigation canals 3, head regulators of direct action of the irrigation canals 21 are installed, fixed on the pipe of the water outlets 22 (figure 3), consisting of an insert 23, an annular weir 24 mounted on a float 25 connected to the insert 23 by a corrugated pipe 26. Corrugated pipe 26 has the ability to stretch-compress, therefore, when the level in the irrigation channels decreases, the float 25 drops and, due to overflow through the upper edge of the annular weir 24, the water level in the irrigation channels 3 is replenished and restored to the required level, while maintaining a constant value of the level difference Z with the distributor crop rotation plot 2.

На водовыпусках в чеки устанавливаются чековые регуляторы непрямого действия уровня 27, обеспечивающие высокую точность поддержания уровня в чеках 4 (с отклонением от заданной отметки не более ±2 см, оптимальное значение отклонения уровня от заданной отметки составляет ±1 см).Check regulators of indirect action of level 27 are installed in the checks at water outlets, which ensure high accuracy of maintaining the level in checks 4 (with a deviation from the set mark of no more than ± 2 cm, the optimal value of the level deviation from the set mark is ± 1 cm).

Автоматизированная рисовая оросительная система работает следующим образом.Automated rice irrigation system works as follows.

Верхним регулируемым звеном автоматизированной оросительной системы является распределитель севооборотного участка 2. Заданное положение уровня воды в нем (УНБ заданный, фигура 2) контролируется установленными в канале бесконтактными датчиками уровня 6. Датчиков уровня 6 в распределителе севооборотного участка 2 может быть размещено 4 и более штук (в головной части и по длине распределителя севооборотного участка у водовыпусков в оросительные каналы), они настраиваются на единую отметку заданного к поддержанию уровня. Датчики уровня 6 измеряют, а совмещенные с ними микроконтроллеры 18 передают сигнал о положении уровня в распределителе 2 на микроконтроллер 17 головного регулятора распределительного канала 5. Показания о плоскости уровня усредняются и при понижении уровня относительно заданного более чем на два сантиметра микроконтроллер 17 включает компрессор 16, который по воздуховоду 15 нагнетает воздух в воздухонаполняемую эластичную емкость 14. За счет увеличения емкости 14 опускаются вниз площадка 13, направляющая труба 11 и соединенный с ней оголовок 9 кольцевого водослива. В результате вода из канала 1, попадая в отверстие оголовка 9 затопленного кольцевого водослива движется через водовыпускную трубу 7 в нижний бьеф и наполняет распределитель севооборотного участка 2. При достижении уровнем в процессе наполнения в распределителе севооборотного участка 2 заданной отметки (УНБ заданный) датчики уровня 6 фиксируют достижение, а микроконтроллеры 18 передают сигнал о достаточном наполнении на микроконтроллер 17. При достаточном наполнении распределителя севооборотного участка 2 микроконтроллер 17 обеспечивает остановку компрессора 16 и сброс воздуха из емкости 14 в атмосферу, при этом подвижный оголовок 9 кольцевого водослива всплывает выше УВБ в распределителе старшего порядка 1 и вода перестает поступать в распределитель севооборотного участка 2. По мере разбора воды из распределителя севооборотного участка 2 при последующем понижении УНБ циклы наполнения из распределителя старшего порядка 1 через регулятор распределительного канала 5 повторяются, таким образом, в распределителе севооборотного участка 22 поддерживается постоянный уровень.The upper adjustable link of the automated irrigation system is the distributor of crop rotation plot 2. The specified position of the water level in it (UNB set, figure 2) is controlled by contactless level sensors 6 installed in the channel. Level sensors 6 in the distributor of crop rotation plot 2 can be placed 4 or more pieces ( in the head part and along the length of the distributor of the crop rotation area at water outlets to irrigation canals), they are adjusted to a single mark of the level set for maintenance. Level sensors 6 measure, and the microcontrollers 18 combined with them transmit a signal about the level position in the distributor 2 to the microcontroller 17 of the main regulator of the distribution channel 5. The readings about the level plane are averaged and when the level drops by more than two centimeters relative to the set one, the microcontroller 17 turns on the compressor 16, which, through the air duct 15, pumps air into the air-filled elastic container 14. Due to the increase in the container 14, the platform 13, the guide pipe 11 and the head 9 of the annular weir connected to it are lowered down. As a result, water from channel 1, entering the opening of the head 9 of the flooded annular weir, moves through the outlet pipe 7 to the downstream and fills the distributor of the crop rotation section 2. When the level in the distributor of the crop rotation section 2 reaches a predetermined mark (UNB set) during filling, level sensors 6 the achievement is fixed, and the microcontrollers 18 transmit a signal of sufficient filling to the microcontroller 17. When the distributor of the crop rotation section 2 is sufficiently filled, the microcontroller 17 ensures that the compressor 16 stops and the air is released from the tank 14 into the atmosphere, while the movable tip 9 of the annular weir floats above the UVB in the distributor of the senior of order 1 and water stops flowing into the distributor of crop rotation plot 2. As water is taken from the distributor of crop rotation plot 2, with the subsequent lowering of the UNB, the filling cycles from the distributor of higher order 1 through the regulator of the distribution channel 5 are repeated, thus, a constant level is maintained in the distributor of crop rotation plot 22 .

Средним регулируемым звеном автоматизированной рисовой оросительной системы являются оросительные каналы 3 с установленными головными регуляторами прямого действия в оросительных каналах 21 (по принципу действия - это гидравлические регуляторы с подвижным кольцевым водосливом), закрепляемыми на трубе водовыпусков 22 (фигура 3). Высота кольцевого водослива 24, размещаемого на поплавках 25 регуляторов 21 побирается для каждого оросительного канала 3 таким образом, чтобы при наполнении канала 3 до отметки УНБ заданный переток воды через верхнюю грань водослива 24 прекращался и между уровнями распределителя севооборотного участка 2 и каналом 3 поддерживался установленный перепад Z. В ходе полива риса поплавок 25 следует за уровнем воды в оросительном канале 3 и при понижении уровня за счет разбора в рисовые чеки 4 вместе с поплавком понижается верхняя грань кольцевого водослива 24, что приводит к переливу воды через нее из распределителя севооборотного участка 2 в канал 3 и автоматическому поддержанию уровня в канале 3 на отметке, которая соответствует отметке УНБ заданный.The middle adjustable link of the automated rice irrigation system is irrigation canals 3 with direct-acting head regulators installed in irrigation canals 21 (according to the principle of operation, these are hydraulic regulators with a movable annular weir), fixed on the water outlet pipe 22 (figure 3). The height of the annular weir 24, placed on the floats 25 of the regulators 21, is chosen for each irrigation channel 3 in such a way that when the channel 3 is filled to the UNB mark, the specified water flow through the upper edge of the weir 24 stops and the established difference is maintained between the levels of the distributor of the crop rotation plot 2 and channel 3 Z. During the irrigation of rice, the float 25 follows the water level in the irrigation canal 3, and when the level drops due to parsing into rice checks 4, the upper edge of the annular weir 24 decreases together with the float, which leads to water overflow through it from the distributor of the crop rotation plot 2 into channel 3 and automatically maintaining the level in channel 3 at a level that corresponds to the UNB mark set.

Нижним регулируемым звеном автоматизированной рисовой оросительной системы являются водовыпуски в рисовые чеки 4, оборудованные регуляторами непрямого действия уровня 27 (по принципу действия - это гидравлические регуляторы). Регуляторы уровня 27 поддерживают положение уровня воды в чеках с высокой точностью с оптимальным значением отклонения уровня от заданной отметки, составляющим ±1 см.The lower regulated link of the automated rice irrigation system is water outlets into rice fields 4, equipped with level 27 indirect action regulators (according to the principle of operation, these are hydraulic regulators). Level regulators 27 maintain the position of the water level in the checks with high accuracy with the optimal value of the level deviation from the set mark, which is ±1 cm.

Claims

Automated rice irrigation system, including a network of irrigation canals with water supply regulators, kart irrigators, water outlets, rice checks, a controlled point, regulators, level sensors, water supply regulators from kart irrigators to rice checks, communication lines for connecting regulators to the control system, characterized in that has a distributor of the crop rotation area, equipped with non-contact level sensors located in the head part and along the length of the distributor of the crop rotation area at the water outlets to the irrigation channels, the head regulator of the distribution channel with a built-in control microcontroller, irrigation channels equipped with direct-acting head regulators made in the form of movable annular weirs , providing a constant difference in the levels of the irrigation channel and the distributor of the crop rotation area, and the water outlets in the rice fields are equipped with check level regulators of indirect action, while a wireless communication line is used to control the head regulator of the distributor of the crop rotation area to transfer data to the control system, consisting of interconnected contactless level sensors, control microcontroller, cloud storage and remote operator control.