PLC變頻調(diào)速節(jié)能灌溉系統(tǒng)的設(shè)計

田云+史潔+金東琦

摘要在分析了變頻調(diào)速灌溉系統(tǒng)與閥門開度調(diào)節(jié)灌溉系統(tǒng)的節(jié)能效果之后，得出了一種新型的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)供水方式，即利用PLC結(jié)合變頻器的方式來實現(xiàn)恒壓變流供水。給出了變頻調(diào)速灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，并進行了系統(tǒng)軟件流程設(shè)計。系統(tǒng)能夠連續(xù)采集水泵流量，與設(shè)定的工作壓力進行比較，實時改變水泵電機的工作頻率調(diào)節(jié)灌溉流量。從而改變了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)依靠控制閥門開度及人工啟停水泵電機的操作方法。經(jīng)過實驗證明，采用變頻調(diào)速的節(jié)水灌溉系統(tǒng)，比傳統(tǒng)模式節(jié)能20%~69%。對設(shè)備壽命周期的延長，節(jié)約電能和人工成本，提高灌溉可靠性方面均有極積的意義。

關(guān)鍵詞PLC變頻調(diào)速節(jié)能灌溉恒壓變流

Design of PLC frequency conversion and speed adjusting energy-saving in irrigation system

Tian Yun, Shi Jie,Jin Dongqi

（Heilongjiang Agricultural Economics Vocational College，Mudanjiang 157041）

Abstract: After analyzing the frequency control irrigation systems and irrigation systems regulating valve opening energy-saving effect, draw a new type of agricultural irrigation water supply system, which uses a combination of the inverter PLC way to achieve constant pressure variable flow water supply. Given frequency conversion irrigation system structure diagram, and system software process design. Continuous acquisition system can pump flow, and set the working pressure is compared in real time to change the operating frequency of the pump motor to adjust the irrigation flow. Thus changing the traditional agricultural methods of operation relies on manual control valve opening and start and stop the pump motor. After the experiment proved that the use of water-saving irrigation system frequency control than the traditional model of 20%~69% energy saving. To extend equipment life cycle energy savings in labor costs, improve reliability of irrigation has a very positive meaning.

Keywords: PLC；Frequency conversion and speed adjusting；Energy-saving irrigation system；Constant voltage and flow converter

基金項目：黑龍江省教育廳高職高專院?？蒲许椖浚?2525073）研究成果。

0引言

在我國農(nóng)業(yè)用水面臨資源短缺的同時，農(nóng)業(yè)用水浪費現(xiàn)象十分嚴(yán)重。特別是田間的過量灌溉或因渠系水量調(diào)配不當(dāng)，造成我國的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)對水資源的利用率目前只達到30%～40%，而發(fā)達國家可達80%之多。并且我們大部分地區(qū)采用水泵抽水灌溉的模式，水泵配套電機轉(zhuǎn)速匹配不合理，泵站裝置效率只有30%～40%，浪費了大量的電能。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉是根據(jù)田間需水量控制閥門開度以及人工啟停水泵電機的操作方式。這種方式往往需要專業(yè)人員進行值守，增加了人工成本。尋求一種切實可行的節(jié)水節(jié)能灌溉系統(tǒng)是當(dāng)前農(nóng)業(yè)發(fā)展的一項重要任務(wù)。在農(nóng)田灌溉園區(qū)，各種作物的種植結(jié)構(gòu)、需水量、灌溉時間等生長條件是不同的，而整個灌溉園區(qū)的供水壓力是一定的，屬于恒壓變流供水。所以灌溉系統(tǒng)的設(shè)計是以流量及供水壓力作為控制對象。在以往未采用變頻調(diào)速的灌溉系統(tǒng)當(dāng)中，存在以下問題：

（1）一般的灌溉系統(tǒng)中，采用水泵電機抽水的方式進行灌溉。水泵電機功率較高，巨大的啟動電流對電網(wǎng)造成的沖擊，如此一來，需增大水泵區(qū)域的供電變壓器容量，并且浪費了大量的電能。

（2）當(dāng)供水過量或者正在供水量時，只能靠調(diào)節(jié)閥門開度增加管阻進行流量控制。使電機需要頻繁啟停，降低了電機的壽命周期。水泵電機轉(zhuǎn)速不能連續(xù)調(diào)節(jié)，始終處于工頻狀態(tài)下運行。

（3）電機的啟動與停止完全依靠人工控制。灌溉系統(tǒng)的供水流量、壓力、供水總量能否與實際作物需求相吻合也需要憑借用戶的經(jīng)驗。而在實際灌溉中，大多數(shù)用戶不會根據(jù)用水量來調(diào)節(jié)閥門開度，只是在需水流量相差較大時，粗略的切換開機臺數(shù)來調(diào)節(jié)流量，造成了能源的巨大浪費。

1供水系統(tǒng)節(jié)能原理

供水系統(tǒng)的控制對象往往是水泵出水流量。常見的控制方法有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種，采用變頻調(diào)速的供水系統(tǒng)屬于轉(zhuǎn)速控制法。

1.1變頻調(diào)速原理

由電機學(xué)可知，異步電動機轉(zhuǎn)速可以表達為式（1）：

n=60f(1-s)/p（1）

式中n—電動機轉(zhuǎn)速；

f—電源頻率；

s—轉(zhuǎn)差率；

p—電動機極對數(shù)。

其中，極對數(shù)p和轉(zhuǎn)差率s屬于電機的物理參數(shù)，當(dāng)水泵電機出廠時就已經(jīng)設(shè)定，不可改變。所以，想改變電機轉(zhuǎn)速只能改變電機的輸入電源頻率f。只要連續(xù)改變電機的電源頻率即可調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速，使水泵可以進行連續(xù)而平滑的調(diào)速。

1.2恒壓變流調(diào)節(jié)及其節(jié)能原理

若使管網(wǎng)壓力保持恒定，需對管網(wǎng)壓力進行實時監(jiān)測，一般將監(jiān)測點設(shè)為水泵出水口處，利用壓力傳感器進行監(jiān)測，將監(jiān)測的壓力信號傳送給控制器進行處理。將監(jiān)測點的壓力與實際系統(tǒng)設(shè)定壓力進行比較，若實際壓力值低于設(shè)定壓力值，變頻調(diào)速器將使水泵電機電源頻率升高。從而提高了水泵轉(zhuǎn)速，增加了管網(wǎng)的壓力。相反，若管網(wǎng)實際壓力值高于設(shè)定壓力值，變頻調(diào)速器就將水泵電機電源頻率降低，水泵轉(zhuǎn)速下降，管網(wǎng)壓力減小。所以，水泵電機的轉(zhuǎn)速完全取決于管網(wǎng)的壓力與設(shè)定壓力差值，動態(tài)的調(diào)節(jié)水泵電機轉(zhuǎn)速就可以使壓力監(jiān)測點的壓力保持恒定值，而出水量卻隨之變化，即“恒壓變流”。

水泵的特性曲線和管阻特性曲線決定了水泵的壓力與出水量，如圖1所示。

圖1水泵性能工況圖 工況點為A表示的是水泵工頻50 Hz運行時，對應(yīng)的流量與壓力分別為Q0和H0。當(dāng)系統(tǒng)用水量由Q0減少至Q1時，如果水泵仍工頻運行，若用閥門來調(diào)節(jié)流量，管阻特性曲線將發(fā)生變化，由R1移至R2，水泵的工況點也將隨之發(fā)生變化，由A移至B，流量對應(yīng)Q1，壓力對應(yīng)H1，根據(jù)水泵原理，水泵輸出的功率為式（2）：

P=γQ1H11000η（2）

式中P—水泵提供的軸功率；

γ—水的重度；

η—水泵效率。

如果水泵電機轉(zhuǎn)速可調(diào)，由于用戶關(guān)小了閥門，管網(wǎng)流量變小，這時，管阻特性曲線發(fā)生了變化，由R1向R2方向移動，雖然管網(wǎng)流量變小了，但是水泵出口處壓力卻高于設(shè)定壓力H0，變頻器將自動降低水泵的電源頻率來降低轉(zhuǎn)速，水泵轉(zhuǎn)速降低至n1時，管網(wǎng)的流量減小至Q1，工況點為C。此時流量為Q1，壓力為H0，根據(jù)水泵原理，輸出的功率為式（3）：

P=γQ1H01000η（3）

很顯然，由于H0小于H1，水泵的節(jié)能為：

△P=γQ11000η(H1-H0)（4）

根據(jù)流體力學(xué)知識，流量Q與轉(zhuǎn)速n成正比，壓力H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，若要求水泵出水流量的下降，只需成比例的下降電機轉(zhuǎn)速n，如此一來，水泵功率則成立方關(guān)系下降。綜上所述，水泵的耗電功率與轉(zhuǎn)速近似成立方比的關(guān)系。比如：一臺功率為45 kW的水泵電機，降低轉(zhuǎn)速至原轉(zhuǎn)速4/5時，其消耗的電量為2304 kW，節(jié)省電量5147%；如果降低轉(zhuǎn)速至1/2，其消耗的電量為562 kW，節(jié)省電量達895%。

2變頻調(diào)速節(jié)水灌溉系統(tǒng)構(gòu)成

變頻調(diào)速灌溉系統(tǒng)主要由PLC和變頻器對水泵機組轉(zhuǎn)速優(yōu)化調(diào)整進行自動控制，控制過程采用閉環(huán)控制。壓力傳感器根據(jù)壓力輸出的連續(xù)變化的模擬量信號，再由AD轉(zhuǎn)換器變換成對應(yīng)的數(shù)字信號傳送給PLC與設(shè)定的壓力值進行比較，根據(jù)差值調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，進而改變電機轉(zhuǎn)速，使水泵的轉(zhuǎn)速及出水流量發(fā)生相應(yīng)的變化。使供水管網(wǎng)壓力保持恒定。

2.1系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要由PLC及其擴展單元、壓力變送器、AD轉(zhuǎn)換器、DA轉(zhuǎn)換器和變頻器構(gòu)成，形成壓力負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。圖2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2系統(tǒng)主要部件功能

(1)可編程控制器PLC將AD轉(zhuǎn)換器采集到的壓力信號進行處理，與設(shè)定的壓力數(shù)值進行比較，根據(jù)比較的結(jié)果調(diào)整輸出數(shù)據(jù)，改變變頻器的頻率。同時還承擔(dān)其他的輸出邏輯控制。三菱公司的FX2NPLC功能強大，能夠滿足實時數(shù)據(jù)采集和處理，而且體積小，安裝調(diào)試便捷，系統(tǒng)抗干擾能力強，可靠性高。

(2)變頻器。接收PLC發(fā)出的頻率控制信號，對應(yīng)的改變輸出頻率，對水泵電機進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。一般變頻器均有模擬量控制接口，可接收標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)0～10 V或4～20 mA模擬信號，該模擬信號與變頻器輸出頻率對應(yīng)成比例，可實現(xiàn)頻率的連續(xù)輸出，精度可達01 Hz。

(3)AD/DA轉(zhuǎn)換器。由于壓力變送器輸出信號為模擬量信號，不能直接提供給PLC使用，故要經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器進行數(shù)據(jù)采集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號供給PLC進行數(shù)據(jù)處理。由于變頻器采用模擬量線性控制，當(dāng)使用PLC控制變頻器時，PLC將數(shù)字量先送入DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號，由DA轉(zhuǎn)換器輸出的模擬信號間接控制變頻器輸出頻率。

3系統(tǒng)自動控制的實現(xiàn)

系統(tǒng)的自動控制依賴于完善的程序控制流程，PLC以梯形圖作為編程語言完成對水泵電機的轉(zhuǎn)速及邏輯控制。程序主要完成對AD轉(zhuǎn)換器及DA轉(zhuǎn)換器的初始化工作、系統(tǒng)手動控制與自動控制的切換、水泵機組切換及啟停等問題。

根據(jù)前面分析，水泵電機的轉(zhuǎn)速是改變水泵壓力及出水量關(guān)系曲線的根本參數(shù)，電機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，水泵工況點也隨之發(fā)生變化，在某一固定的壓力范圍內(nèi)，改變調(diào)節(jié)水泵電機的轉(zhuǎn)速，總有一條或一簇與之轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的特性曲線來滿足作物需水要求。

假設(shè)灌溉管網(wǎng)壓力要求為025～035 MPa，PLC將以此作為設(shè)定值，與壓力傳感器采集的水泵出水壓力實際進行比較。將比較的結(jié)果對水泵電機進行差異控制。其控制過程工作如圖3所示。圖3控制過程流程圖我們可以把系統(tǒng)設(shè)計成自動和手動的兩種方式。手動的工作方式可以由用戶通過矩陣按鍵設(shè)定所需管網(wǎng)壓力值，設(shè)定完畢后將轉(zhuǎn)為自動工作方式。自動工作方式將實時進行壓力比較，使灌溉系統(tǒng)管網(wǎng)壓力滿足要求。此外，為了避免電機出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，還可以使變頻器處于一個穩(wěn)定的頻率范圍，讓水泵電機工作狀態(tài)較為穩(wěn)定，這樣非常有利于延長水泵電機的使用壽命。

4變頻調(diào)速后水泵運行效能

采用變頻器后，通過對變頻器的控制可實現(xiàn)對電機以及水泵的轉(zhuǎn)速控制, 從而圓滿地解決了用戶要求恒壓變流的供水問題。

經(jīng)過變頻調(diào)速的灌溉系統(tǒng)，水泵電機的轉(zhuǎn)速根據(jù)管網(wǎng)壓力進行實時調(diào)節(jié)，使管網(wǎng)恒壓供水問題得到了圓滿的解決。經(jīng)過實驗證明，采用變頻器有如下優(yōu)越性：

(1)水泵電機的啟動不再需要Ｙ-△變換裝置，因為采用了變頻器，使水泵電機啟動頻率降為0，再經(jīng)過一段時間加速至設(shè)定頻率，不會對電網(wǎng)造成沖擊。

（2）電機轉(zhuǎn)速的改變是由改變變頻器輸出頻率來實現(xiàn)的。變頻器的輸出頻率可方便的由PLC及DA轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量來進行控制，響應(yīng)速度快。而PLC的對變頻器輸出頻率的調(diào)節(jié)是根據(jù)管網(wǎng)出水壓力的實際值進行控制的。壓力傳感器采集實際管網(wǎng)出水壓力的周期可高達幾十毫秒，數(shù)據(jù)具有實時性，達到了系統(tǒng)的全自動實時控制，節(jié)省人力資源并提高了可靠性，避免了由于用戶疏忽操作帶來的不穩(wěn)定性。

（3）變頻器的輸出頻率分辨率非常高，可達01 Hz，精度完全能夠達到節(jié)水灌溉系統(tǒng)的要求。另外，變頻器的頻率連續(xù)可調(diào)，使水泵電機的轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)隨意改變，從而水泵轉(zhuǎn)速可以快速響應(yīng)管網(wǎng)流量變化，避免了水泵電機的頻繁啟停，節(jié)省了大量的水能和電能。

5實驗結(jié)論分析

通過實驗證明，當(dāng)供水管網(wǎng)的工作壓力設(shè)定為025~03 MPa時，根據(jù)不同的出水流量，當(dāng)采用閥門控制和轉(zhuǎn)速控制時，水泵消耗的功率如下表所示。表中顯示，在變頻調(diào)速的節(jié)能灌溉方式下，根據(jù)水泵出水流量大小可節(jié)能20%~69%，效果顯著。表兩種控制方法節(jié)能效果統(tǒng)計表

控制

方式計算

項目Q/m3·h-10.90.80.70.60.50.40.3閥門

控制效率/%98948982736249功率/kW0.990.970.950.920.890.860.84變頻

控制轉(zhuǎn)速/r·min-10.940.880.820.760.700.640.58效率/%99989794908474功率/kW0.790.610.460.350.270.190.15節(jié)能效果/%203649576267696結(jié)語

由PLC和變頻器組成的節(jié)能灌溉系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，控制效果好，一次性投入成本低?？捎行Ы鉀Q不同灌溉區(qū)所需不同灌溉用水量時水泵空載的節(jié)能問題，節(jié)能效果顯著，管網(wǎng)壓力穩(wěn)定，經(jīng)濟效益良好。另外系統(tǒng)采用PLC程序易于修改，并可方便的移植到其他噴滴灌工程上使用。由于采用了自動控制，避免了人為干預(yù)，減少了不穩(wěn)定性。同時也避免了傳統(tǒng)閥門開度控制使水泵機組頻繁啟動，使電機壽命得已延長。變頻調(diào)速在節(jié)能灌溉系統(tǒng)的恒壓變流起到了巨大的推動作用，效果良好。利用變頻調(diào)速技術(shù)不但可以實現(xiàn)恒壓變流供水，還能夠?qū)崿F(xiàn)恒流變壓供水，甚至還可以實現(xiàn)變流變壓的供水來滿足不同用戶需求。總之，變頻調(diào)速在農(nóng)業(yè)節(jié)能灌溉中的應(yīng)用是現(xiàn)在農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個重要研究課題。

參考文獻：

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P=γQ1H11000η（2）

式中P—水泵提供的軸功率；

γ—水的重度；

η—水泵效率。

如果水泵電機轉(zhuǎn)速可調(diào)，由于用戶關(guān)小了閥門，管網(wǎng)流量變小，這時，管阻特性曲線發(fā)生了變化，由R1向R2方向移動，雖然管網(wǎng)流量變小了，但是水泵出口處壓力卻高于設(shè)定壓力H0，變頻器將自動降低水泵的電源頻率來降低轉(zhuǎn)速，水泵轉(zhuǎn)速降低至n1時，管網(wǎng)的流量減小至Q1，工況點為C。此時流量為Q1，壓力為H0，根據(jù)水泵原理，輸出的功率為式（3）：

P=γQ1H01000η（3）

很顯然，由于H0小于H1，水泵的節(jié)能為：

△P=γQ11000η(H1-H0)（4）

根據(jù)流體力學(xué)知識，流量Q與轉(zhuǎn)速n成正比，壓力H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，若要求水泵出水流量的下降，只需成比例的下降電機轉(zhuǎn)速n，如此一來，水泵功率則成立方關(guān)系下降。綜上所述，水泵的耗電功率與轉(zhuǎn)速近似成立方比的關(guān)系。比如：一臺功率為45 kW的水泵電機，降低轉(zhuǎn)速至原轉(zhuǎn)速4/5時，其消耗的電量為2304 kW，節(jié)省電量5147%；如果降低轉(zhuǎn)速至1/2，其消耗的電量為562 kW，節(jié)省電量達895%。

2變頻調(diào)速節(jié)水灌溉系統(tǒng)構(gòu)成

變頻調(diào)速灌溉系統(tǒng)主要由PLC和變頻器對水泵機組轉(zhuǎn)速優(yōu)化調(diào)整進行自動控制，控制過程采用閉環(huán)控制。壓力傳感器根據(jù)壓力輸出的連續(xù)變化的模擬量信號，再由AD轉(zhuǎn)換器變換成對應(yīng)的數(shù)字信號傳送給PLC與設(shè)定的壓力值進行比較，根據(jù)差值調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，進而改變電機轉(zhuǎn)速，使水泵的轉(zhuǎn)速及出水流量發(fā)生相應(yīng)的變化。使供水管網(wǎng)壓力保持恒定。

2.1系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要由PLC及其擴展單元、壓力變送器、AD轉(zhuǎn)換器、DA轉(zhuǎn)換器和變頻器構(gòu)成，形成壓力負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。圖2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2系統(tǒng)主要部件功能

(1)可編程控制器PLC將AD轉(zhuǎn)換器采集到的壓力信號進行處理，與設(shè)定的壓力數(shù)值進行比較，根據(jù)比較的結(jié)果調(diào)整輸出數(shù)據(jù)，改變變頻器的頻率。同時還承擔(dān)其他的輸出邏輯控制。三菱公司的FX2NPLC功能強大，能夠滿足實時數(shù)據(jù)采集和處理，而且體積小，安裝調(diào)試便捷，系統(tǒng)抗干擾能力強，可靠性高。

(2)變頻器。接收PLC發(fā)出的頻率控制信號，對應(yīng)的改變輸出頻率，對水泵電機進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。一般變頻器均有模擬量控制接口，可接收標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)0～10 V或4～20 mA模擬信號，該模擬信號與變頻器輸出頻率對應(yīng)成比例，可實現(xiàn)頻率的連續(xù)輸出，精度可達01 Hz。

(3)AD/DA轉(zhuǎn)換器。由于壓力變送器輸出信號為模擬量信號，不能直接提供給PLC使用，故要經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器進行數(shù)據(jù)采集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號供給PLC進行數(shù)據(jù)處理。由于變頻器采用模擬量線性控制，當(dāng)使用PLC控制變頻器時，PLC將數(shù)字量先送入DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號，由DA轉(zhuǎn)換器輸出的模擬信號間接控制變頻器輸出頻率。

3系統(tǒng)自動控制的實現(xiàn)

系統(tǒng)的自動控制依賴于完善的程序控制流程，PLC以梯形圖作為編程語言完成對水泵電機的轉(zhuǎn)速及邏輯控制。程序主要完成對AD轉(zhuǎn)換器及DA轉(zhuǎn)換器的初始化工作、系統(tǒng)手動控制與自動控制的切換、水泵機組切換及啟停等問題。

根據(jù)前面分析，水泵電機的轉(zhuǎn)速是改變水泵壓力及出水量關(guān)系曲線的根本參數(shù)，電機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，水泵工況點也隨之發(fā)生變化，在某一固定的壓力范圍內(nèi)，改變調(diào)節(jié)水泵電機的轉(zhuǎn)速，總有一條或一簇與之轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的特性曲線來滿足作物需水要求。

假設(shè)灌溉管網(wǎng)壓力要求為025～035 MPa，PLC將以此作為設(shè)定值，與壓力傳感器采集的水泵出水壓力實際進行比較。將比較的結(jié)果對水泵電機進行差異控制。其控制過程工作如圖3所示。圖3控制過程流程圖我們可以把系統(tǒng)設(shè)計成自動和手動的兩種方式。手動的工作方式可以由用戶通過矩陣按鍵設(shè)定所需管網(wǎng)壓力值，設(shè)定完畢后將轉(zhuǎn)為自動工作方式。自動工作方式將實時進行壓力比較，使灌溉系統(tǒng)管網(wǎng)壓力滿足要求。此外，為了避免電機出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，還可以使變頻器處于一個穩(wěn)定的頻率范圍，讓水泵電機工作狀態(tài)較為穩(wěn)定，這樣非常有利于延長水泵電機的使用壽命。

4變頻調(diào)速后水泵運行效能

采用變頻器后，通過對變頻器的控制可實現(xiàn)對電機以及水泵的轉(zhuǎn)速控制, 從而圓滿地解決了用戶要求恒壓變流的供水問題。

經(jīng)過變頻調(diào)速的灌溉系統(tǒng)，水泵電機的轉(zhuǎn)速根據(jù)管網(wǎng)壓力進行實時調(diào)節(jié)，使管網(wǎng)恒壓供水問題得到了圓滿的解決。經(jīng)過實驗證明，采用變頻器有如下優(yōu)越性：

(1)水泵電機的啟動不再需要Ｙ-△變換裝置，因為采用了變頻器，使水泵電機啟動頻率降為0，再經(jīng)過一段時間加速至設(shè)定頻率，不會對電網(wǎng)造成沖擊。

（2）電機轉(zhuǎn)速的改變是由改變變頻器輸出頻率來實現(xiàn)的。變頻器的輸出頻率可方便的由PLC及DA轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量來進行控制，響應(yīng)速度快。而PLC的對變頻器輸出頻率的調(diào)節(jié)是根據(jù)管網(wǎng)出水壓力的實際值進行控制的。壓力傳感器采集實際管網(wǎng)出水壓力的周期可高達幾十毫秒，數(shù)據(jù)具有實時性，達到了系統(tǒng)的全自動實時控制，節(jié)省人力資源并提高了可靠性，避免了由于用戶疏忽操作帶來的不穩(wěn)定性。

（3）變頻器的輸出頻率分辨率非常高，可達01 Hz，精度完全能夠達到節(jié)水灌溉系統(tǒng)的要求。另外，變頻器的頻率連續(xù)可調(diào)，使水泵電機的轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)隨意改變，從而水泵轉(zhuǎn)速可以快速響應(yīng)管網(wǎng)流量變化，避免了水泵電機的頻繁啟停，節(jié)省了大量的水能和電能。

5實驗結(jié)論分析

通過實驗證明，當(dāng)供水管網(wǎng)的工作壓力設(shè)定為025~03 MPa時，根據(jù)不同的出水流量，當(dāng)采用閥門控制和轉(zhuǎn)速控制時，水泵消耗的功率如下表所示。表中顯示，在變頻調(diào)速的節(jié)能灌溉方式下，根據(jù)水泵出水流量大小可節(jié)能20%~69%，效果顯著。表兩種控制方法節(jié)能效果統(tǒng)計表

控制

方式計算

項目Q/m3·h-10.90.80.70.60.50.40.3閥門

控制效率/%98948982736249功率/kW0.990.970.950.920.890.860.84變頻

控制轉(zhuǎn)速/r·min-10.940.880.820.760.700.640.58效率/%99989794908474功率/kW0.790.610.460.350.270.190.15節(jié)能效果/%203649576267696結(jié)語

由PLC和變頻器組成的節(jié)能灌溉系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，控制效果好，一次性投入成本低?？捎行Ы鉀Q不同灌溉區(qū)所需不同灌溉用水量時水泵空載的節(jié)能問題，節(jié)能效果顯著，管網(wǎng)壓力穩(wěn)定，經(jīng)濟效益良好。另外系統(tǒng)采用PLC程序易于修改，并可方便的移植到其他噴滴灌工程上使用。由于采用了自動控制，避免了人為干預(yù)，減少了不穩(wěn)定性。同時也避免了傳統(tǒng)閥門開度控制使水泵機組頻繁啟動，使電機壽命得已延長。變頻調(diào)速在節(jié)能灌溉系統(tǒng)的恒壓變流起到了巨大的推動作用，效果良好。利用變頻調(diào)速技術(shù)不但可以實現(xiàn)恒壓變流供水，還能夠?qū)崿F(xiàn)恒流變壓供水，甚至還可以實現(xiàn)變流變壓的供水來滿足不同用戶需求?？傊冾l調(diào)速在農(nóng)業(yè)節(jié)能灌溉中的應(yīng)用是現(xiàn)在農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個重要研究課題。

參考文獻：

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[3]張振國.變頻調(diào)速裝置在農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉中的應(yīng)用[D].太原理工大學(xué)碩士論文，2003:20-23.

[4]劉永華，陳志明.PLC及變頻調(diào)速恒壓噴灌系統(tǒng)的設(shè)計[J].節(jié)水灌溉，2009(1):44-45.

[5]費順華，陳慧霞.自控變頻節(jié)能節(jié)水灌溉系統(tǒng)開發(fā)研究[J].浙江水利科技，2007（3）:15-17.（05）

P=γQ1H11000η（2）

式中P—水泵提供的軸功率；

γ—水的重度；

η—水泵效率。

如果水泵電機轉(zhuǎn)速可調(diào)，由于用戶關(guān)小了閥門，管網(wǎng)流量變小，這時，管阻特性曲線發(fā)生了變化，由R1向R2方向移動，雖然管網(wǎng)流量變小了，但是水泵出口處壓力卻高于設(shè)定壓力H0，變頻器將自動降低水泵的電源頻率來降低轉(zhuǎn)速，水泵轉(zhuǎn)速降低至n1時，管網(wǎng)的流量減小至Q1，工況點為C。此時流量為Q1，壓力為H0，根據(jù)水泵原理，輸出的功率為式（3）：

P=γQ1H01000η（3）

很顯然，由于H0小于H1，水泵的節(jié)能為：

△P=γQ11000η(H1-H0)（4）

根據(jù)流體力學(xué)知識，流量Q與轉(zhuǎn)速n成正比，壓力H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，若要求水泵出水流量的下降，只需成比例的下降電機轉(zhuǎn)速n，如此一來，水泵功率則成立方關(guān)系下降。綜上所述，水泵的耗電功率與轉(zhuǎn)速近似成立方比的關(guān)系。比如：一臺功率為45 kW的水泵電機，降低轉(zhuǎn)速至原轉(zhuǎn)速4/5時，其消耗的電量為2304 kW，節(jié)省電量5147%；如果降低轉(zhuǎn)速至1/2，其消耗的電量為562 kW，節(jié)省電量達895%。

2變頻調(diào)速節(jié)水灌溉系統(tǒng)構(gòu)成

變頻調(diào)速灌溉系統(tǒng)主要由PLC和變頻器對水泵機組轉(zhuǎn)速優(yōu)化調(diào)整進行自動控制，控制過程采用閉環(huán)控制。壓力傳感器根據(jù)壓力輸出的連續(xù)變化的模擬量信號，再由AD轉(zhuǎn)換器變換成對應(yīng)的數(shù)字信號傳送給PLC與設(shè)定的壓力值進行比較，根據(jù)差值調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，進而改變電機轉(zhuǎn)速，使水泵的轉(zhuǎn)速及出水流量發(fā)生相應(yīng)的變化。使供水管網(wǎng)壓力保持恒定。

2.1系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要由PLC及其擴展單元、壓力變送器、AD轉(zhuǎn)換器、DA轉(zhuǎn)換器和變頻器構(gòu)成，形成壓力負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。圖2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2系統(tǒng)主要部件功能

(1)可編程控制器PLC將AD轉(zhuǎn)換器采集到的壓力信號進行處理，與設(shè)定的壓力數(shù)值進行比較，根據(jù)比較的結(jié)果調(diào)整輸出數(shù)據(jù)，改變變頻器的頻率。同時還承擔(dān)其他的輸出邏輯控制。三菱公司的FX2NPLC功能強大，能夠滿足實時數(shù)據(jù)采集和處理，而且體積小，安裝調(diào)試便捷，系統(tǒng)抗干擾能力強，可靠性高。

(2)變頻器。接收PLC發(fā)出的頻率控制信號，對應(yīng)的改變輸出頻率，對水泵電機進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。一般變頻器均有模擬量控制接口，可接收標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)0～10 V或4～20 mA模擬信號，該模擬信號與變頻器輸出頻率對應(yīng)成比例，可實現(xiàn)頻率的連續(xù)輸出，精度可達01 Hz。

(3)AD/DA轉(zhuǎn)換器。由于壓力變送器輸出信號為模擬量信號，不能直接提供給PLC使用，故要經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器進行數(shù)據(jù)采集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號供給PLC進行數(shù)據(jù)處理。由于變頻器采用模擬量線性控制，當(dāng)使用PLC控制變頻器時，PLC將數(shù)字量先送入DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號，由DA轉(zhuǎn)換器輸出的模擬信號間接控制變頻器輸出頻率。

3系統(tǒng)自動控制的實現(xiàn)

系統(tǒng)的自動控制依賴于完善的程序控制流程，PLC以梯形圖作為編程語言完成對水泵電機的轉(zhuǎn)速及邏輯控制。程序主要完成對AD轉(zhuǎn)換器及DA轉(zhuǎn)換器的初始化工作、系統(tǒng)手動控制與自動控制的切換、水泵機組切換及啟停等問題。

根據(jù)前面分析，水泵電機的轉(zhuǎn)速是改變水泵壓力及出水量關(guān)系曲線的根本參數(shù)，電機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，水泵工況點也隨之發(fā)生變化，在某一固定的壓力范圍內(nèi)，改變調(diào)節(jié)水泵電機的轉(zhuǎn)速，總有一條或一簇與之轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的特性曲線來滿足作物需水要求。

假設(shè)灌溉管網(wǎng)壓力要求為025～035 MPa，PLC將以此作為設(shè)定值，與壓力傳感器采集的水泵出水壓力實際進行比較。將比較的結(jié)果對水泵電機進行差異控制。其控制過程工作如圖3所示。圖3控制過程流程圖我們可以把系統(tǒng)設(shè)計成自動和手動的兩種方式。手動的工作方式可以由用戶通過矩陣按鍵設(shè)定所需管網(wǎng)壓力值，設(shè)定完畢后將轉(zhuǎn)為自動工作方式。自動工作方式將實時進行壓力比較，使灌溉系統(tǒng)管網(wǎng)壓力滿足要求。此外，為了避免電機出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，還可以使變頻器處于一個穩(wěn)定的頻率范圍，讓水泵電機工作狀態(tài)較為穩(wěn)定，這樣非常有利于延長水泵電機的使用壽命。

4變頻調(diào)速后水泵運行效能

采用變頻器后，通過對變頻器的控制可實現(xiàn)對電機以及水泵的轉(zhuǎn)速控制, 從而圓滿地解決了用戶要求恒壓變流的供水問題。

經(jīng)過變頻調(diào)速的灌溉系統(tǒng)，水泵電機的轉(zhuǎn)速根據(jù)管網(wǎng)壓力進行實時調(diào)節(jié)，使管網(wǎng)恒壓供水問題得到了圓滿的解決。經(jīng)過實驗證明，采用變頻器有如下優(yōu)越性：

(1)水泵電機的啟動不再需要Ｙ-△變換裝置，因為采用了變頻器，使水泵電機啟動頻率降為0，再經(jīng)過一段時間加速至設(shè)定頻率，不會對電網(wǎng)造成沖擊。

（2）電機轉(zhuǎn)速的改變是由改變變頻器輸出頻率來實現(xiàn)的。變頻器的輸出頻率可方便的由PLC及DA轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量來進行控制，響應(yīng)速度快。而PLC的對變頻器輸出頻率的調(diào)節(jié)是根據(jù)管網(wǎng)出水壓力的實際值進行控制的。壓力傳感器采集實際管網(wǎng)出水壓力的周期可高達幾十毫秒，數(shù)據(jù)具有實時性，達到了系統(tǒng)的全自動實時控制，節(jié)省人力資源并提高了可靠性，避免了由于用戶疏忽操作帶來的不穩(wěn)定性。

（3）變頻器的輸出頻率分辨率非常高，可達01 Hz，精度完全能夠達到節(jié)水灌溉系統(tǒng)的要求。另外，變頻器的頻率連續(xù)可調(diào)，使水泵電機的轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)隨意改變，從而水泵轉(zhuǎn)速可以快速響應(yīng)管網(wǎng)流量變化，避免了水泵電機的頻繁啟停，節(jié)省了大量的水能和電能。

5實驗結(jié)論分析

通過實驗證明，當(dāng)供水管網(wǎng)的工作壓力設(shè)定為025~03 MPa時，根據(jù)不同的出水流量，當(dāng)采用閥門控制和轉(zhuǎn)速控制時，水泵消耗的功率如下表所示。表中顯示，在變頻調(diào)速的節(jié)能灌溉方式下，根據(jù)水泵出水流量大小可節(jié)能20%~69%，效果顯著。表兩種控制方法節(jié)能效果統(tǒng)計表

控制

方式計算

項目Q/m3·h-10.90.80.70.60.50.40.3閥門

控制效率/%98948982736249功率/kW0.990.970.950.920.890.860.84變頻

控制轉(zhuǎn)速/r·min-10.940.880.820.760.700.640.58效率/%99989794908474功率/kW0.790.610.460.350.270.190.15節(jié)能效果/%203649576267696結(jié)語

由PLC和變頻器組成的節(jié)能灌溉系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，控制效果好，一次性投入成本低?？捎行Ы鉀Q不同灌溉區(qū)所需不同灌溉用水量時水泵空載的節(jié)能問題，節(jié)能效果顯著，管網(wǎng)壓力穩(wěn)定，經(jīng)濟效益良好。另外系統(tǒng)采用PLC程序易于修改，并可方便的移植到其他噴滴灌工程上使用。由于采用了自動控制，避免了人為干預(yù)，減少了不穩(wěn)定性。同時也避免了傳統(tǒng)閥門開度控制使水泵機組頻繁啟動，使電機壽命得已延長。變頻調(diào)速在節(jié)能灌溉系統(tǒng)的恒壓變流起到了巨大的推動作用，效果良好。利用變頻調(diào)速技術(shù)不但可以實現(xiàn)恒壓變流供水，還能夠?qū)崿F(xiàn)恒流變壓供水，甚至還可以實現(xiàn)變流變壓的供水來滿足不同用戶需求?？傊?，變頻調(diào)速在農(nóng)業(yè)節(jié)能灌溉中的應(yīng)用是現(xiàn)在農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個重要研究課題。

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