屈富山（伊犁花城勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，新疆伊寧835000）

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滴灌供水系統(tǒng)自動化節(jié)水控制設(shè)計方法

屈富山
（伊犁花城勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，新疆伊寧835000）

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，灌溉是保證農(nóng)作物產(chǎn)量的一項重要措施。相比于發(fā)達國家，我國農(nóng)業(yè)發(fā)展起步較晚，采用的灌溉管理方法和管理技術(shù)也較差，灌溉自動化水平不高，嚴(yán)重制約了我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展。實現(xiàn)灌溉自動化控制已經(jīng)成為未來農(nóng)業(yè)的主要發(fā)展方向。基于此，本文對灌溉供水系統(tǒng)自動化節(jié)水控制的設(shè)計方法進行探討。

滴灌供水系統(tǒng)；自動化節(jié)水控制；設(shè)計

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.034

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷發(fā)展，傳感器和計算機的功能也得到了進一步提升。在農(nóng)業(yè)灌溉中引入自動化節(jié)水控制技術(shù)在節(jié)約水資源、促進我國經(jīng)濟發(fā)展方面具有重要意義。當(dāng)前農(nóng)作物大面積種植已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要方向，研究適合農(nóng)田使用、管理方便的集散性灌溉系統(tǒng)已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然。

1 案例概況

某地區(qū)為糧食農(nóng)作物主產(chǎn)區(qū)，滴灌技術(shù)是本地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉的主要形式。目前使用的是啟動控制滴灌的供水池，農(nóng)田用水量發(fā)生變化時，滴灌帶主管道也會隨著用水量的變化而變化，不可以對其進行控制。在用水高峰期，經(jīng)常會出現(xiàn)水壓不足的情況，但用水量較低時，滴灌管道的壓力又會變大，造成滴灌帶中水壓增大，出現(xiàn)水浪費的現(xiàn)象。因此，為了節(jié)省水資源，提高其應(yīng)用價值，需要設(shè)計自動節(jié)水控制系統(tǒng)來自動調(diào)整滴灌帶中主管道的水壓和水流量。

2 滴灌控制方式

自動化控制能夠更有效地解決浪費水資源、違規(guī)灌溉的情況。開環(huán)自動控制、閉環(huán)自動控制、手動控制是目前滴灌控制的主要方式。

（1）開環(huán)自動控制體系。在灌溉地區(qū)中不需要安裝傳感器，預(yù)制的灌溉計劃中應(yīng)包含灌溉時間、灌溉周期、灌溉順序等，依靠定時器編制程序來達到開環(huán)控制的目的。

（2）閉環(huán)自動控制體系。閉環(huán)體系操作過程不需要人參與，根據(jù)之前編制完善的控制程序來控制閥門，最后進行灌溉。這類控制體系，除去自動閥門和中央控制器，還必須安裝各類檢測傳感器，比如溫度傳感器、壓力傳感器、土壤水分傳感器等。

（3）手動控制體系。體系中所有操作都必須要人來進行，例如閥門的開關(guān)等，管理人員根據(jù)經(jīng)驗來確定灌溉時間、灌溉順序以及灌溉時長等。手動控制體系雖然設(shè)備投資量很少，但是若不能準(zhǔn)確控制，就很難對灌溉水量進行預(yù)測，從而出現(xiàn)灌溉水量的浪費，同時也浪費了人力，使得勞動生產(chǎn)率較低，對大面積的灌溉難以控制。

3 節(jié)水控制系統(tǒng)的構(gòu)成

結(jié)合地區(qū)農(nóng)作物的特點，蓄水池出水管應(yīng)該在農(nóng)田春灌水至冬灌水期間保證灌溉所需的供水量，從而確保農(nóng)田滴灌帶主管道的供水壓力，在供水高峰期時，也不會出現(xiàn)水壓不足的情況，同時還需要保證蓄水池電機的高速運行。按照設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計出一種可以自動控制供水壓力的體系，具體設(shè)計如圖1所示。供水流量信號是通過供水主管道的控制體系和流量閥向來輸入的，滴灌主管道上設(shè)立了供水壓力信號，根據(jù)供水壓力和流量的變化來調(diào)節(jié)水泵主電機。

按照農(nóng)田滴灌帶供水壓力控制的需求，對供水壓力自動化控制體系進行流程設(shè)計，如圖2所示。在圖2中可以看到體系的核心部位是PLC控制中心，通過檢測壓力值來設(shè)計PLC的自動控制模型。然后按照自動控制模型設(shè)計PLC程序，規(guī)定變頻器參值。最后由自動化控制中心對軟件、硬件接口處數(shù)據(jù)進行處理，記錄最終的壓力檢測數(shù)據(jù)，同時下達控制命令。變頻器轉(zhuǎn)速控制部位需要以上機位的控制指令為主，來輸入相應(yīng)的電機轉(zhuǎn)速和頻率。最后所有的信號都是依照終端設(shè)備來顯示的。

圖1 控制系統(tǒng)設(shè)計圖

圖2 自動化控制框圖

4 節(jié)水控制系統(tǒng)核心部件設(shè)計

4.1 電氣主回路設(shè)計

車身側(cè)面最動人的無疑是SAV標(biāo)志性的車身比例。相比上一代車型，全新BMW X5尺寸全面加大，軸距比前代車型長42毫米，由此帶來了更加舒展的車身。同時精確的腰線從后門處上揚，構(gòu)成了富有力量感的肩部特征，并與伸展到側(cè)翼的3D立體懸浮LED尾燈相融合，展現(xiàn)了富有藝術(shù)氣息的科技感和雕塑感。環(huán)顧全新BMW X5不難發(fā)現(xiàn)它散發(fā)著X家族強勁、清晰而精確設(shè)計特征，讓時尚感與豪華感并存。

結(jié)合灌溉地區(qū)農(nóng)田滴灌帶節(jié)水方案，水泵電機會采用2系列三相交流異步電動機，并且確保采用一用一配置，同時也可以控制頻率轉(zhuǎn)速。電機采用變頻控制方案中，主要采用的變頻器為某公司所生產(chǎn)的70SE35變頻器，并將變頻器設(shè)置為矢量控制方式。如圖3所示。

在圖3中，空氣開關(guān)是QF1；變頻器的控制端子排S4、S3、S2、S1主要負(fù)責(zé)PLC_200的DO信號，將變頻器內(nèi)部參數(shù)設(shè)置為端子排控制方式，利用S1、S2、S3對信號的阻斷效果來對電機轉(zhuǎn)速進行不同的組合，其中S4控制變頻器的起停端口；但是禁止在變頻器內(nèi)部設(shè)置反轉(zhuǎn)功能，否則將會影響到水泵電機的反轉(zhuǎn)工作。

圖3 電氣主回路原理圖

4.2 自動化控制電路設(shè)計

PLC具有抗干擾能力強、可靠性強等特點，結(jié)合這些特點來控制農(nóng)田節(jié)水自動化控制體系。按照控制規(guī)格，PLC主要是選用某公司的可編制控制器，其型號為226 _2BD23 _OXB8。在設(shè)計過程中，可編制控制器負(fù)責(zé)壓力信號與控制信號的接收，當(dāng)控制信號進入可編制控制器的模塊DI后，會經(jīng)過PLC的內(nèi)部程序流程，然后輸出數(shù)字信號。

4.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件程序在進行編制時，主要是使用某公司開發(fā)的STEP7-MicruWIN軟件。STEP7-MicruWIN軟件是一種小型的可編輯程序軟件，主要用于PLC體系，具有仿真的作用，能夠?qū)Τ绦蜻M行控制和調(diào)試，這種軟件很少在農(nóng)業(yè)機械上使用。按照硬件體系的自動控制方案與主要設(shè)計原理，選用模塊化編程方案，達到可以轉(zhuǎn)換自動控制體系與手動控制體系的作用。自動控制體系依據(jù)是供水管內(nèi)壓力和流量的變化，當(dāng)壓力和流量發(fā)生變化時，PLC會輸入采樣單元對這兩種信號進行比較，比較之后，輸出壓力和流量PID自動控制信號，然后結(jié)合轉(zhuǎn)速信號開啟電機。一般的手動體系是用于水泵電機的檢修。軟件流程如圖4所示。

Wincc變量記錄主要對過程值進行歸檔，歸檔的方式、歸檔的過程、歸檔的周期可以利用事件將過程值觸發(fā)和歸檔，觸發(fā)的事件條件可以鏈接到腳本和變量上。例如水管壓力波動超出2%時會自動將歸檔程序打開，同時也可以通過某個提前設(shè)定好的時間間隔對歸檔進行控制。建立歸檔定時器進行歸檔周期和采集周期的定時。變量收集周期指的是在對系統(tǒng)運行過程值變量時間間隔進行記錄。變量歸檔周期指的是將收集到和處理過的過程值輸送到歸檔數(shù)據(jù)庫間隔時間，是變量收集時間的整數(shù)倍。默認(rèn)情況下系統(tǒng)有五個定時器，分別為500ms、1s、1min、1h、1d，用戶也可以對定時器重新進行定義。利用歸檔向?qū)г谧兞坑涗浿信渲煤徒⑦^程值歸檔，并對數(shù)據(jù)進行存儲。通過項目管理器中的快捷菜單將歸檔打開，并在歸檔菜單中選擇“歸檔向?qū)А?，并逐步進行，將名稱輸入后選擇歸檔變量，生成ProcessVa1ueAichive1歸檔。

圖4 供水自動化控制系統(tǒng)流程圖

5 自動化節(jié)水控制系統(tǒng)的運行和調(diào)試試驗

5.1 試驗方案

（1）試驗之前，根據(jù)STEP74.0本身具有的仿真功能，對自動化節(jié)水控制體系進行仿真試驗，以此來保證軟件的可用性和可靠性。調(diào)試PLC的輸出和輸入信號，提高PLC硬件體系的運行效率。

（2）試驗時，在將要試驗的供水管道上安裝壓力傳感器，并將傳感器信號輸進PLC控制體系，在確保變頻器主接線沒有問題之后，方可開始主水泵電機的調(diào)試工作，同時開始對變頻器進行參數(shù)設(shè)置。當(dāng)水泵電機轉(zhuǎn)速信號在PLC體系中顯示出來之后，開始試驗供水壓力信號并記錄壓力值變化程度。

（3）試驗之后，記錄蓄水池出管的流量和壓力數(shù)據(jù)，同時對農(nóng)田供水水管的流量變化也進行數(shù)據(jù)登記。

5.2 試驗結(jié)果分析

對蓄水體系自動化節(jié)水控制體系進行運行和試驗之后可得，對水泵電機轉(zhuǎn)速變化的控制主要是依據(jù)供水管道的流量，并且控制效果良好。當(dāng)供水管中的水流壓力很大時，PLC控制體系的管道水壓也會隨之增大，而電機轉(zhuǎn)速則會減弱，使水泵水壓降低，保證供水壓力平衡。當(dāng)供水管道壓力變小時，PLC控制體系的壓力信號將會變小，但電機轉(zhuǎn)速會增大，從而對水泵增壓，直到供水管道壓力恢復(fù)正常值。對蓄水池供水自動控制體系進行調(diào)試之后，體系會自動升級改造，當(dāng)改造后的蓄水池供水體系投入使用之后，用水量的具體變化如下：采用的記錄單位是1h，而主要用水量變化如圖5所示。與之前沒有改造過的進行比較會發(fā)現(xiàn)，改造后的用水量明顯比改造前的用水量小，而且節(jié)約水量非?？捎^，升級后的蓄水池自動節(jié)水體系具有較好的節(jié)水作用。

圖5 改造前與改造后系統(tǒng)用水量對比

6 結(jié)語

在農(nóng)田灌溉中運用自動化節(jié)水控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了根據(jù)供水管道流量和管道壓力對水泵電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)的目的，可以在供水壓力過大或者過低時發(fā)揮良好的均衡作用，達到節(jié)水的目的，具有一定的借鑒參考價值。

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S275.6

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1672-2469（2016）01-0105-04

2015-11-24

屈富山（1979年—），男，工程師。