滴灌供水系統自動化節水控制設計方法

屈富山（伊犁花城勘測設計研究有限責任公司，新疆伊寧835000）

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滴灌供水系統自動化節水控制設計方法

屈富山
（伊犁花城勘測設計研究有限責任公司，新疆伊寧835000）

在農業生產過程中，灌溉是保證農作物產量的一項重要措施。相比于發達國家，我國農業發展起步較晚，采用的灌溉管理方法和管理技術也較差，灌溉自動化水平不高，嚴重制約了我國農業的發展。實現灌溉自動化控制已經成為未來農業的主要發展方向。基于此，本文對灌溉供水系統自動化節水控制的設計方法進行探討。

滴灌供水系統；自動化節水控制；設計

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.034

隨著現代信息技術的不斷發展，傳感器和計算機的功能也得到了進一步提升。在農業灌溉中引入自動化節水控制技術在節約水資源、促進我國經濟發展方面具有重要意義。當前農作物大面積種植已經成為農業發展的主要方向，研究適合農田使用、管理方便的集散性灌溉系統已經成為農業發展的必然。

1 案例概況

某地區為糧食農作物主產區，滴灌技術是本地區農業灌溉的主要形式。目前使用的是啟動控制滴灌的供水池，農田用水量發生變化時，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，經常會出現水壓不足的情況，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，出現水浪費的現象。因此，為了節省水資源，提高其應用價值，需要設計自動節水控制系統來自動調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、違規灌溉的情況。開環自動控制、閉環自動控制、手動控制是目前滴灌控制的主要方式。

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

（2）閉環自動控制體系。閉環體系操作過程不需要人參與，根據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，例如閥門的開關等，管理人員根據經驗來確定灌溉時間、灌溉順序以及灌溉時長等。手動控制體系雖然設備投資量很少，但是若不能準確控制，就很難對灌溉水量進行預測，從而出現灌溉水量的浪費，同時也浪費了人力，使得勞動生產率較低，對大面積的灌溉難以控制。

3 節水控制系統的構成

結合地區農作物的特點，蓄水池出水管應該在農田春灌水至冬灌水期間保證灌溉所需的供水量，從而確保農田滴灌帶主管道的供水壓力，在供水高峰期時，也不會出現水壓不足的情況，同時還需要保證蓄水池電機的高速運行。按照設計標準，設計出一種可以自動控制供水壓力的體系，具體設計如圖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，滴灌主管道上設立了供水壓力信號，根據供水壓力和流量的變化來調節水泵主電機。

按照農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計PLC的自動控制模型。然后按照自動控制模型設計PLC程序，規定變頻器參值。最后由自動化控制中心對軟件、硬件接口處數據進行處理，記錄最終的壓力檢測數據，同時下達控制命令。變頻器轉速控制部位需要以上機位的控制指令為主，來輸入相應的電機轉速和頻率。最后所有的信號都是依照終端設備來顯示的。

圖1 控制系統設計圖

圖2 自動化控制框圖

4 節水控制系統核心部件設計

4.1 電氣主回路設計

車身側面最動人的無疑是SAV標志性的車身比例。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，構成了富有力量感的肩部特征，并與伸展到側翼的3D立體懸浮LED尾燈相融合，展現了富有藝術氣息的科技感和雕塑感。環顧全新BMW X5不難發現它散發著X家族強勁、清晰而精確設計特征，讓時尚感與豪華感并存。

結合灌溉地區農田滴灌帶節水方案，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的70SE35變頻器，并將變頻器設置為矢量控制方式。如圖3所示。

在圖3中，空氣開關是QF1；變頻器的控制端子排S4、S3、S2、S1主要負責PLC_200的DO信號，將變頻器內部參數設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部設置反轉功能，否則將會影響到水泵電機的反轉工作。

圖3 電氣主回路原理圖

4.2 自動化控制電路設計

PLC具有抗干擾能力強、可靠性強等特點，結合這些特點來控制農田節水自動化控制體系。按照控制規格，PLC主要是選用某公司的可編制控制器，其型號為226 _2BD23 _OXB8。在設計過程中，可編制控制器負責壓力信號與控制信號的接收，當控制信號進入可編制控制器的模塊DI后，會經過PLC的內部程序流程，然后輸出數字信號。

4.3 系統軟件設計

系統軟件程序在進行編制時，主要是使用某公司開發的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，能夠對程序進行控制和調試，這種軟件很少在農業機械上使用。按照硬件體系的自動控制方案與主要設計原理，選用模塊化編程方案，達到可以轉換自動控制體系與手動控制體系的作用。自動控制體系依據是供水管內壓力和流量的變化，當壓力和流量發生變化時，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，然后結合轉速信號開啟電機。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和歸檔，觸發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據庫間隔時間，是變量收集時間的整數倍。默認情況下系統有五個定時器，分別為500ms、1s、1min、1h、1d，用戶也可以對定時器重新進行定義。利用歸檔向導在變量記錄中配置和建立過程值歸檔，并對數據進行存儲。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“歸檔向導”，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流程圖

5 自動化節水控制系統的運行和調試試驗

5.1 試驗方案

（1）試驗之前，根據STEP74.0本身具有的仿真功能，對自動化節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試工作，同時開始對變頻器進行參數設置。當水泵電機轉速信號在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據，同時對農田供水水管的流量變化也進行數據登記。

5.2 試驗結果分析

對蓄水體系自動化節水控制體系進行運行和試驗之后可得，對水泵電機轉速變化的控制主要是依據供水管道的流量，并且控制效果良好。當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，而電機轉速則會減弱，使水泵水壓降低，保證供水壓力平衡。當供水管道壓力變小時，PLC控制體系的壓力信號將會變小，但電機轉速會增大，從而對水泵增壓，直到供水管道壓力恢復正常值。對蓄水池供水自動控制體系進行調試之后，體系會自動升級改造，當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現，改造后的用水量明顯比改造前的用水量小，而且節約水量非常可觀，升級后的蓄水池自動節水體系具有較好的節水作用。

圖5 改造前與改造后系統用水量對比

6 結語

在農田灌溉中運用自動化節水控制系統，實現了根據供水管道流量和管道壓力對水泵電機轉速進行調節的目的，可以在供水壓力過大或者過低時發揮良好的均衡作用，達到節水的目的，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。