滴灌供水系统自动化节水控制设计方法

2016-07-06屈富山伊犁花城勘测设计研究有限责任公司新疆伊宁835000

水利规划与设计 2016年1期

屈富山（伊犁花城勘测设计研究有限责任公司，新疆伊宁835000）

滴灌供水系统自动化节水控制设计方法

屈富山
（伊犁花城勘测设计研究有限责任公司，新疆伊宁835000）

在农业生产过程中，灌溉是保证农作物产量的一项重要措施。相比于发达国家，我国农业发展起步较晚，采用的灌溉管理方法和管理技术也较差，灌溉自动化水平不高，严重制约了我国农业的发展。实现灌溉自动化控制已经成为未来农业的主要发展方向。基于此，本文对灌溉供水系统自动化节水控制的设计方法进行探讨。

滴灌供水系统；自动化节水控制；设计

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.034

随着现代信息技术的不断发展，传感器和计算机的功能也得到了进一步提升。在农业灌溉中引入自动化节水控制技术在节约水资源、促进我国经济发展方面具有重要意义。当前农作物大面积种植已经成为农业发展的主要方向，研究适合农田使用、管理方便的集散性灌溉系统已经成为农业发展的必然。

1 案例概况

某地区为粮食农作物主产区，滴灌技术是本地区农业灌溉的主要形式。目前使用的是启动控制滴灌的供水池，农田用水量发生变化时，滴灌带主管道也会随着用水量的变化而变化，不可以对其进行控制。在用水高峰期，经常会出现水压不足的情况，但用水量较低时，滴灌管道的压力又会变大，造成滴灌带中水压增大，出现水浪费的现象。因此，为了节省水资源，提高其应用价值，需要设计自动节水控制系统来自动调整滴灌带中主管道的水压和水流量。

2 滴灌控制方式

自动化控制能够更有效地解决浪费水资源、违规灌溉的情况。开环自动控制、闭环自动控制、手动控制是目前滴灌控制的主要方式。

（1）开环自动控制体系。在灌溉地区中不需要安装传感器，预制的灌溉计划中应包含灌溉时间、灌溉周期、灌溉顺序等，依靠定时器编制程序来达到开环控制的目的。

（2）闭环自动控制体系。闭环体系操作过程不需要人参与，根据之前编制完善的控制程序来控制阀门，最后进行灌溉。这类控制体系，除去自动阀门和中央控制器，还必须安装各类检测传感器，比如温度传感器、压力传感器、土壤水分传感器等。

（3）手动控制体系。体系中所有操作都必须要人来进行，例如阀门的开关等，管理人员根据经验来确定灌溉时间、灌溉顺序以及灌溉时长等。手动控制体系虽然设备投资量很少，但是若不能准确控制，就很难对灌溉水量进行预测，从而出现灌溉水量的浪费，同时也浪费了人力，使得劳动生产率较低，对大面积的灌溉难以控制。

3 节水控制系统的构成

结合地区农作物的特点，蓄水池出水管应该在农田春灌水至冬灌水期间保证灌溉所需的供水量，从而确保农田滴灌带主管道的供水压力，在供水高峰期时，也不会出现水压不足的情况，同时还需要保证蓄水池电机的高速运行。按照设计标准，设计出一种可以自动控制供水压力的体系，具体设计如图1所示。供水流量信号是通过供水主管道的控制体系和流量阀向来输入的，滴灌主管道上设立了供水压力信号，根据供水压力和流量的变化来调节水泵主电机。

按照农田滴灌带供水压力控制的需求，对供水压力自动化控制体系进行流程设计，如图2所示。在图2中可以看到体系的核心部位是PLC控制中心，通过检测压力值来设计PLC的自动控制模型。然后按照自动控制模型设计PLC程序，规定变频器参值。最后由自动化控制中心对软件、硬件接口处数据进行处理，记录最终的压力检测数据，同时下达控制命令。变频器转速控制部位需要以上机位的控制指令为主，来输入相应的电机转速和频率。最后所有的信号都是依照终端设备来显示的。

图1 控制系统设计图

图2 自动化控制框图

4 节水控制系统核心部件设计

4.1 电气主回路设计

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结合灌溉地区农田滴灌带节水方案，水泵电机会采用2系列三相交流异步电动机，并且确保采用一用一配置，同时也可以控制频率转速。电机采用变频控制方案中，主要采用的变频器为某公司所生产的70SE35变频器，并将变频器设置为矢量控制方式。如图3所示。

在图3中，空气开关是QF1；变频器的控制端子排S4、S3、S2、S1主要负责PLC_200的DO信号，将变频器内部参数设置为端子排控制方式，利用S1、S2、S3对信号的阻断效果来对电机转速进行不同的组合，其中S4控制变频器的起停端口；但是禁止在变频器内部设置反转功能，否则将会影响到水泵电机的反转工作。

图3 电气主回路原理图

4.2 自动化控制电路设计

PLC具有抗干扰能力强、可靠性强等特点，结合这些特点来控制农田节水自动化控制体系。按照控制规格，PLC主要是选用某公司的可编制控制器，其型号为226 _2BD23 _OXB8。在设计过程中，可编制控制器负责压力信号与控制信号的接收，当控制信号进入可编制控制器的模块DI后，会经过PLC的内部程序流程，然后输出数字信号。

4.3 系统软件设计

系统软件程序在进行编制时，主要是使用某公司开发的STEP7-MicruWIN软件。STEP7-MicruWIN软件是一种小型的可编辑程序软件，主要用于PLC体系，具有仿真的作用，能够对程序进行控制和调试，这种软件很少在农业机械上使用。按照硬件体系的自动控制方案与主要设计原理，选用模块化编程方案，达到可以转换自动控制体系与手动控制体系的作用。自动控制体系依据是供水管内压力和流量的变化，当压力和流量发生变化时，PLC会输入采样单元对这两种信号进行比较，比较之后，输出压力和流量PID自动控制信号，然后结合转速信号开启电机。一般的手动体系是用于水泵电机的检修。软件流程如图4所示。

Wincc变量记录主要对过程值进行归档，归档的方式、归档的过程、归档的周期可以利用事件将过程值触发和归档，触发的事件条件可以链接到脚本和变量上。例如水管压力波动超出2%时会自动将归档程序打开，同时也可以通过某个提前设定好的时间间隔对归档进行控制。建立归档定时器进行归档周期和采集周期的定时。变量收集周期指的是在对系统运行过程值变量时间间隔进行记录。变量归档周期指的是将收集到和处理过的过程值输送到归档数据库间隔时间，是变量收集时间的整数倍。默认情况下系统有五个定时器，分别为500ms、1s、1min、1h、1d，用户也可以对定时器重新进行定义。利用归档向导在变量记录中配置和建立过程值归档，并对数据进行存储。通过项目管理器中的快捷菜单将归档打开，并在归档菜单中选择“归档向导”，并逐步进行，将名称输入后选择归档变量，生成ProcessVa1ueAichive1归档。

图4 供水自动化控制系统流程图

5 自动化节水控制系统的运行和调试试验

5.1 试验方案

（1）试验之前，根据STEP74.0本身具有的仿真功能，对自动化节水控制体系进行仿真试验，以此来保证软件的可用性和可靠性。调试PLC的输出和输入信号，提高PLC硬件体系的运行效率。

（2）试验时，在将要试验的供水管道上安装压力传感器，并将传感器信号输进PLC控制体系，在确保变频器主接线没有问题之后，方可开始主水泵电机的调试工作，同时开始对变频器进行参数设置。当水泵电机转速信号在PLC体系中显示出来之后，开始试验供水压力信号并记录压力值变化程度。

（3）试验之后，记录蓄水池出管的流量和压力数据，同时对农田供水水管的流量变化也进行数据登记。

5.2 试验结果分析

对蓄水体系自动化节水控制体系进行运行和试验之后可得，对水泵电机转速变化的控制主要是依据供水管道的流量，并且控制效果良好。当供水管中的水流压力很大时，PLC控制体系的管道水压也会随之增大，而电机转速则会减弱，使水泵水压降低，保证供水压力平衡。当供水管道压力变小时，PLC控制体系的压力信号将会变小，但电机转速会增大，从而对水泵增压，直到供水管道压力恢复正常值。对蓄水池供水自动控制体系进行调试之后，体系会自动升级改造，当改造后的蓄水池供水体系投入使用之后，用水量的具体变化如下：采用的记录单位是1h，而主要用水量变化如图5所示。与之前没有改造过的进行比较会发现，改造后的用水量明显比改造前的用水量小，而且节约水量非常可观，升级后的蓄水池自动节水体系具有较好的节水作用。