屈富山（伊犁花城勘測(cè)設(shè)計(jì)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(dòng)化節(jié)水控制設(shè)計(jì)方法

屈富山
（伊犁花城勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，新疆伊寧835000）

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，灌溉是保證農(nóng)作物產(chǎn)量的一項(xiàng)重要措施。相比于發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)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(dòng)化水平不高，嚴(yán)重制約了我國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。實(shí)現(xiàn)灌溉自動(dòng)化控制已經(jīng)成為未來(lái)農(nóng)業(yè)的主要發(fā)展方向?；诖耍疚膶?duì)灌溉供水系統(tǒng)自動(dòng)化節(jié)水控制的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探討。

滴灌供水系統(tǒng)；自動(dòng)化節(jié)水控制；設(shè)計(jì)

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(jì)算機(jī)的功能也得到了進(jìn)一步提升。在農(nóng)業(yè)灌溉中引入自動(dòng)化節(jié)水控制技術(shù)在節(jié)約水資源、促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)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(dòng)控制滴灌的供水池，農(nóng)田用水量發(fā)生變化時(shí)，滴灌帶主管道也會(huì)隨著用水量的變化而變化，不可以對(duì)其進(jìn)行控制。在用水高峰期，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)水壓不足的情況，但用水量較低時(shí)，滴灌管道的壓力又會(huì)變大，造成滴灌帶中水壓增大，出現(xiàn)水浪費(fèi)的現(xiàn)象。因此，為了節(jié)省水資源，提高其應(yīng)用價(jià)值，需要設(shè)計(jì)自動(dòng)節(jié)水控制系統(tǒng)來(lái)自動(dòng)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(dòng)化控制能夠更有效地解決浪費(fèi)水資源、違規(guī)灌溉的情況。開(kāi)環(huán)自動(dòng)控制、閉環(huán)自動(dòng)控制、手動(dòng)控制是目前滴灌控制的主要方式。

（1）開(kāi)環(huán)自動(dòng)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(jì)劃中應(yīng)包含灌溉時(shí)間、灌溉周期、灌溉順序等，依靠定時(shí)器編制程序來(lái)達(dá)到開(kāi)環(huán)控制的目的。

（2）閉環(huán)自動(dòng)控制體系。閉環(huán)體系操作過(guò)程不需要人參與，根據(jù)之前編制完善的控制程序來(lái)控制閥門(mén)，最后進(jìn)行灌溉。這類(lèi)控制體系，除去自動(dòng)閥門(mén)和中央控制器，還必須安裝各類(lèi)檢測(cè)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(dòng)控制體系。體系中所有操作都必須要人來(lái)進(jìn)行，例如閥門(mén)的開(kāi)關(guān)等，管理人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定灌溉時(shí)間、灌溉順序以及灌溉時(shí)長(zhǎng)等。手動(dòng)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(duì)灌溉水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而出現(xiàn)灌溉水量的浪費(fèi)，同時(shí)也浪費(fèi)了人力，使得勞動(dòng)生產(chǎn)率較低，對(duì)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(diǎn)，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(shí)，也不會(huì)出現(xiàn)水壓不足的情況，同時(shí)還需要保證蓄水池電機(jī)的高速運(yùn)行。按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)出一種可以自動(dòng)控制供水壓力的體系，具體設(shè)計(jì)如圖1所示。供水流量信號(hào)是通過(guò)供水主管道的控制體系和流量閥向來(lái)輸入的，滴灌主管道上設(shè)立了供水壓力信號(hào)，根據(jù)供水壓力和流量的變化來(lái)調(diào)節(jié)水泵主電機(jī)。

按照農(nóng)田滴灌帶供水壓力控制的需求，對(duì)供水壓力自動(dòng)化控制體系進(jìn)行流程設(shè)計(jì)，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(guò)檢測(cè)壓力值來(lái)設(shè)計(jì)PLC的自動(dòng)控制模型。然后按照自動(dòng)控制模型設(shè)計(jì)PLC程序，規(guī)定變頻器參值。最后由自動(dòng)化控制中心對(duì)軟件、硬件接口處數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，記錄最終的壓力檢測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)下達(dá)控制命令。變頻器轉(zhuǎn)速控制部位需要以上機(jī)位的控制指令為主，來(lái)輸入相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速和頻率。最后所有的信號(hào)都是依照終端設(shè)備來(lái)顯示的。

圖1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

圖2 自動(dòng)化控制框圖

4 節(jié)水控制系統(tǒng)核心部件設(shè)計(jì)

4.1 電氣主回路設(shè)計(jì)

車(chē)身側(cè)面最動(dòng)人的無(wú)疑是SAV標(biāo)志性的車(chē)身比例。相比上一代車(chē)型，全新BMW X5尺寸全面加大，軸距比前代車(chē)型長(zhǎng)42毫米，由此帶來(lái)了更加舒展的車(chē)身。同時(shí)精確的腰線從后門(mén)處上揚(yáng)，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(qiáng)勁、清晰而精確設(shè)計(jì)特征，讓時(shí)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(jī)會(huì)采用2系列三相交流異步電動(dòng)機(jī)，并且確保采用一用一配置，同時(shí)也可以控制頻率轉(zhuǎn)速。電機(jī)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(kāi)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(hào)，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(duì)信號(hào)的阻斷效果來(lái)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)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(huì)影響到水泵電機(jī)的反轉(zhuǎn)工作。

圖3 電氣主回路原理圖

4.2 自動(dòng)化控制電路設(shè)計(jì)

PLC具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，結(jié)合這些特點(diǎn)來(lái)控制農(nóng)田節(jié)水自動(dòng)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(hào)為226 _2BD23 _OXB8。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可編制控制器負(fù)責(zé)壓力信號(hào)與控制信號(hào)的接收，當(dāng)控制信號(hào)進(jìn)入可編制控制器的模塊DI后，會(huì)經(jīng)過(guò)PLC的內(nèi)部程序流程，然后輸出數(shù)字信號(hào)。

4.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件程序在進(jìn)行編制時(shí)，主要是使用某公司開(kāi)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(jìn)行控制和調(diào)試，這種軟件很少在農(nóng)業(yè)機(jī)械上使用。按照硬件體系的自動(dòng)控制方案與主要設(shè)計(jì)原理，選用模塊化編程方案，達(dá)到可以轉(zhuǎn)換自動(dòng)控制體系與手動(dòng)控制體系的作用。自動(dòng)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(shí)，PLC會(huì)輸入采樣單元對(duì)這兩種信號(hào)進(jìn)行比較，比較之后，輸出壓力和流量PID自動(dòng)控制信號(hào)，然后結(jié)合轉(zhuǎn)速信號(hào)開(kāi)啟電機(jī)。一般的手動(dòng)體系是用于水泵電機(jī)的檢修。軟件流程如圖4所示。

Wincc變量記錄主要對(duì)過(guò)程值進(jìn)行歸檔，歸檔的方式、歸檔的過(guò)程、歸檔的周期可以利用事件將過(guò)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(dòng)超出2%時(shí)會(huì)自動(dòng)將歸檔程序打開(kāi)，同時(shí)也可以通過(guò)某個(gè)提前設(shè)定好的時(shí)間間隔對(duì)歸檔進(jìn)行控制。建立歸檔定時(shí)器進(jìn)行歸檔周期和采集周期的定時(shí)。變量收集周期指的是在對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程值變量時(shí)間間隔進(jìn)行記錄。變量歸檔周期指的是將收集到和處理過(guò)的過(guò)程值輸送到歸檔數(shù)據(jù)庫(kù)間隔時(shí)間，是變量收集時(shí)間的整數(shù)倍。默認(rèn)情況下系統(tǒng)有五個(gè)定時(shí)器，分別為500ms、1s、1min、1h、1d，用戶也可以對(duì)定時(shí)器重新進(jìn)行定義。利用歸檔向?qū)г谧兞坑涗浿信渲煤徒⑦^(guò)程值歸檔，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。通過(guò)項(xiàng)目管理器中的快捷菜單將歸檔打開(kāi)，并在歸檔菜單中選擇“歸檔向?qū)А?，并逐步進(jìn)行，將名稱(chēng)輸入后選擇歸檔變量，生成ProcessVa1ueAichive1歸檔。

圖4 供水自動(dòng)化控制系統(tǒng)流程圖

5 自動(dòng)化節(jié)水控制系統(tǒng)的運(yùn)行和調(diào)試試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)方案

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

（2）試驗(yàn)時(shí)，在將要試驗(yàn)的供水管道上安裝壓力傳感器，并將傳感器信號(hào)輸進(jìn)PLC控制體系，在確保變頻器主接線沒(méi)有問(wèn)題之后，方可開(kāi)始主水泵電機(jī)的調(diào)試工作，同時(shí)開(kāi)始對(duì)變頻器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。當(dāng)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)在PLC體系中顯示出來(lái)之后，開(kāi)始試驗(yàn)供水壓力信號(hào)并記錄壓力值變化程度。

（3）試驗(yàn)之后，記錄蓄水池出管的流量和壓力數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)農(nóng)田供水水管的流量變化也進(jìn)行數(shù)據(jù)登記。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)蓄水體系自動(dòng)化節(jié)水控制體系進(jìn)行運(yùn)行和試驗(yàn)之后可得，對(duì)水泵電機(jī)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(shí)，PLC控制體系的管道水壓也會(huì)隨之增大，而電機(jī)轉(zhuǎn)速則會(huì)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(shí)，PLC控制體系的壓力信號(hào)將會(huì)變小，但電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)增大，從而對(duì)水泵增壓，直到供水管道壓力恢復(fù)正常值。對(duì)蓄水池供水自動(dòng)控制體系進(jìn)行調(diào)試之后，體系會(huì)自動(dòng)升級(jí)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(méi)有改造過(guò)的進(jìn)行比較會(huì)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(jí)后的蓄水池自動(dòng)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(duì)比

6 結(jié)語(yǔ)

在農(nóng)田灌溉中運(yùn)用自動(dòng)化節(jié)水控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)供水管道流量和管道壓力對(duì)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的，可以在供水壓力過(guò)大或者過(guò)低時(shí)發(fā)揮良好的均衡作用，達(dá)到節(jié)水的目的，具有一定的借鑒參考價(jià)值。

［1］康紹忠，蔡煥杰，馮紹元.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水的技術(shù)創(chuàng)新與未來(lái)研究重點(diǎn)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，20（01）：14.

［2］宮建華.基于遠(yuǎn)程控制的智能灌溉系統(tǒng)研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2004：13.

［3］葛承軒.基于ZigBee智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.北京：北京工業(yè)大學(xué)，2008：19.

［4］戴榮富.河水自壓滴灌平流式沉沙池工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2013（09）：65-67.

［5］王蕾.番茄滴灌規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例分析［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2011（02）：58-60.

［6］李?lèi)?ài)傳，衣淑娟，王熙.寒地水稻節(jié)水控制灌溉的機(jī)理與研究［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2014，（12）：89-91.

［7］馮俊杰，費(fèi)良軍，鄧忠.自適應(yīng)滴灌灌水器的水力性能試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013（04）：25-27.

［8］趙燕東，馬揚(yáng)飛，王勇志.綠地精準(zhǔn)灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與最優(yōu)灌溉量分析［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012（03）：54-55.

S275.6

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1672-2469（2016）01-0105-04

2015-11-24

屈富山（1979年—），男，工程師。