變頻恒壓灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

花元濤++喻彩麗++王興鵬

摘要：以大田常規(guī)灌溉技術(shù)為依據(jù)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、變頻技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息采集技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)提出了一套大田變頻恒壓灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)的方法。該系統(tǒng)以變頻恒壓供水控制器與變頻器相結(jié)合的方式，采用“一拖三”的“變頻循環(huán)”模式對(duì)電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，增加了友好的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)了恒壓灌溉，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、操作、查詢等功能。該系統(tǒng)不僅可以做到適時(shí)適量、節(jié)水節(jié)能的合理灌溉，而且自動(dòng)化程度大幅度提高、穩(wěn)定性能增強(qiáng)，還降低了勞動(dòng)成本。

關(guān)鍵詞：恒壓灌溉；變頻循環(huán)；智能控制；人機(jī)界面

中圖分類號(hào)： TP273文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）09-0172-05

水資源的短缺，已經(jīng)成為制約我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵因素[1]。與其他發(fā)達(dá)國(guó)家相比，中國(guó)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)建設(shè)起步晚，傳統(tǒng)的供水、灌溉方式相對(duì)比較落后。目前，我國(guó)田間灌溉幾乎都是根據(jù)田間農(nóng)作物需水量進(jìn)行人工控制閥門開度，操作中頻繁地啟停水泵電機(jī)，往往會(huì)因?yàn)殡姍C(jī)啟動(dòng)時(shí)電流過大，而導(dǎo)致啟動(dòng)時(shí)電流過大對(duì)電網(wǎng)造成較大的沖擊，以及水泵電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間高速運(yùn)轉(zhuǎn)加重磨損，降低電機(jī)壽命，電能損耗大[2-4]。同時(shí)，田間灌溉主要依據(jù)用戶經(jīng)驗(yàn)，自動(dòng)化程度比較低，不利于資源的優(yōu)化配置。在此情況下，提高灌水利用率、實(shí)現(xiàn)精確灌溉尤為重要。

1變頻調(diào)整及恒壓灌溉系統(tǒng)原理

灌水系統(tǒng)的控制對(duì)象一般是供水流量，轉(zhuǎn)速控制法和閥門控制法是其常見的2種控制方法。閥門控制法就是通過保持電機(jī)轉(zhuǎn)速的恒定，改變閥門開度的大小來控制灌溉。本研究的變頻恒壓調(diào)速也采用轉(zhuǎn)速控制法，通過保持閥門開度不變，調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速來控制流量。

1.1變頻調(diào)速原理

三相交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率、轉(zhuǎn)速、電源頻率、磁極對(duì)數(shù)之間具有如公式（1）的關(guān)系[5-6]：

式中：n為同步轉(zhuǎn)速，n1為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，f為頻率，p為磁極對(duì)數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率。

從公式（1）中可知，由于交流電機(jī)磁極對(duì)數(shù)p和交流電機(jī)轉(zhuǎn)差率s一般出廠時(shí)已經(jīng)確定，不容易改變，此時(shí)交流電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與電源頻率f成正比例關(guān)系，即可以連續(xù)調(diào)節(jié)供電電源的頻率從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)、平滑地調(diào)節(jié)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，繼而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的平滑調(diào)速，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)交流電機(jī)調(diào)速的目的[6]。

1.2變頻恒壓的節(jié)能原理

水泵電機(jī)變速運(yùn)行的相似原理如公式（2）所示：

式中：P1、H1、Q1、N1分別為變速前的輸出功率、揚(yáng)程、流量、轉(zhuǎn)速；P2、H2、Q2、N2分別為變速后的輸出功率、揚(yáng)程、流量、轉(zhuǎn)速。

從公式（2）可以看出，電機(jī)消耗的功率與流量以及水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的立方成正比，由于田間種植作物種類不同，需水量、灌水時(shí)間等都有所不同，灌水量大時(shí)和灌水量少時(shí)的需水量差異大，如果一直保持水泵電機(jī)工頻運(yùn)行，就會(huì)導(dǎo)致大量的能源浪費(fèi)[7-8]。

2.3變頻恒壓灌溉方案分析

變頻恒壓灌溉有2種方案，一種是1臺(tái)變頻器帶動(dòng)1臺(tái)電機(jī)，這種方法操作起來最簡(jiǎn)單，不需要在變頻器與電機(jī)之間進(jìn)行相互切換，但費(fèi)用相對(duì)較高；另一種方案是利用1臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)電機(jī)，在電機(jī)和變頻器之間進(jìn)行相互切換，也就是說變頻器控制一臺(tái)電機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)，其他電機(jī)根據(jù)需要處于停機(jī)或工頻運(yùn)行狀態(tài)，本研究的恒壓灌溉系統(tǒng)選擇的是后者方案。

3系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)在新疆南疆農(nóng)作物旱作節(jié)水項(xiàng)目為背景的基礎(chǔ)上研究設(shè)計(jì)，采用工控機(jī)、恒壓供水電腦控制器2層控制結(jié)構(gòu)（圖1）。上位機(jī)人機(jī)界面負(fù)責(zé)信息查詢、監(jiān)視以及遠(yuǎn)程控制指令的下發(fā)，工控機(jī)中裝有系統(tǒng)自動(dòng)控制程序，負(fù)責(zé)讀取傳感器、按鈕和其他開關(guān)量信號(hào)等信息，以及發(fā)出控制變頻器、電磁閥等器件的信號(hào)，并將命令寫入數(shù)據(jù)庫(kù)中，工控機(jī)實(shí)時(shí)查詢數(shù)據(jù)庫(kù)中未執(zhí)行的命令，并將此信息反饋給相應(yīng)的元器件，進(jìn)行相應(yīng)的操作。

3.1變頻恒壓灌溉系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用電腦控制器與變頻器相結(jié)合控制3臺(tái)水泵電機(jī)進(jìn)行“一拖三”的“變頻循環(huán)方式”的模式灌溉[9-10]（圖2）。其中，監(jiān)控系統(tǒng)一直對(duì)變頻器進(jìn)行監(jiān)視和控制。該灌溉系統(tǒng)有2種控制邏輯：手動(dòng)控制、自動(dòng)控制。各狀態(tài)指示燈顯示各電機(jī)的工/變頻運(yùn)行、手動(dòng)控制、自動(dòng)控制等狀態(tài)。

3.2PID控制結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用壓力閉環(huán)控制，將壓力傳感器接于水泵出水口處對(duì)水壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，然后將該值反饋到電腦控制器上，與預(yù)先設(shè)置的壓力上下限值進(jìn)行比較，經(jīng)過PID調(diào)節(jié)，送入變頻器，進(jìn)而通過改變水泵電機(jī)的輸出電壓和頻率來改變水泵轉(zhuǎn)速，從而使管網(wǎng)壓力保持在預(yù)先設(shè)置的壓力范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)恒壓灌溉的目的，變頻恒壓灌溉系統(tǒng)的PID控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.3變頻恒壓灌溉的硬件設(shè)計(jì)

為了滿足灌溉需求，系統(tǒng)硬件主要由研華PC-T1041Q工控機(jī)、易驅(qū)CV3100-4T變頻器、TG3000變頻供水/補(bǔ)水微電腦控制器、20886P5E22CM4型號(hào)壓力傳感器、Y160L-2水泵電機(jī)、JPC-3C流量計(jì)、2W-50電磁閥等組成（表1）。

變頻器選擇的是高性能矢量控制變頻器，它擁有自動(dòng)節(jié)能運(yùn)行、先進(jìn)的矢量控制算法，0.75 kW至18.5 kW各種規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)置制動(dòng)單元，提供脈沖輸入輸出，擁有豐富靈活的輸入、輸出接口和控制方式等功能，并且在價(jià)格上也比較便宜。該系統(tǒng)選擇的電腦控制器是專門為變頻恒壓供水系統(tǒng)以及換熱系統(tǒng)補(bǔ)水而設(shè)計(jì)的，可以和各規(guī)格的變頻器結(jié)合使用，具有壓力穩(wěn)定、控制精度高，系統(tǒng)超壓泄水自動(dòng)控制，第二消防壓力（動(dòng)壓）設(shè)定，可編程設(shè)定多種水泵的工作方式等多項(xiàng)功能，完全勝任此變頻恒壓灌溉的需求。

3.4變頻恒壓灌溉系統(tǒng)主電路、控制電路設(shè)計(jì)

根據(jù)變頻需求，其主、控制電路圖設(shè)計(jì)如圖4所示。該灌溉系統(tǒng)有2種控制邏輯，分別為自動(dòng)控制和手動(dòng)控制。電腦控制器上DI2是停機(jī)信號(hào)（或缺水監(jiān)測(cè)），當(dāng)DI2與CM2端子斷開超過2秒，恒壓供水控制器開始運(yùn)行，此時(shí)進(jìn)入自動(dòng)灌溉模式；當(dāng)DI2與CM2端子閉合超過2秒，恒壓供水控制器的所有輸出都要關(guān)閉，也就是控制器停止運(yùn)行，此時(shí)進(jìn)入手動(dòng)控制模式。因?yàn)榇斯喔认到y(tǒng)為“一拖三”循環(huán)軟啟動(dòng)模式，所以事先把P03的參數(shù)改成P03=7，P03=7是3泵循環(huán)的軟啟動(dòng)控制方式，此時(shí)系統(tǒng)定義G1、G2、G3是泵的工頻運(yùn)行的控制端子，B1、B2、B3是泵的變頻運(yùn)行的控制端子。事先設(shè)置P05參數(shù)，因?yàn)镻05為欠壓加泵時(shí)間（P03=3、6、7、8、9、11時(shí)P05參數(shù)才有效），即電機(jī)切換的延時(shí)時(shí)間，并且電氣圖中的各指示燈可以直觀地顯示各運(yùn)行狀態(tài)。表2、表3為電腦控器與變頻器主要參數(shù)設(shè)定，表4為TG3000電腦控制器接線端子及其功能。

3.5恒壓灌溉系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)功能的完成不僅需要硬件部分，還需要軟件部分，軟件是在java環(huán)境下開發(fā)的，其開發(fā)工具為Eclipse，通過插件Windowbuilder對(duì)軟件界面進(jìn)行設(shè)計(jì)。該軟件通過工控機(jī)串口與協(xié)調(diào)器通信，將傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)讀入并存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，再由顯示界面將數(shù)據(jù)庫(kù)中的傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，方便操作人員直觀監(jiān)測(cè)。

當(dāng)需要對(duì)電磁閥進(jìn)行操作時(shí)，可以通過操作界面中的按鈕將需要控制的器件信息按數(shù)據(jù)庫(kù)格式寫入數(shù)據(jù)庫(kù)中，再由控制程序?qū)?shù)據(jù)庫(kù)定時(shí)查詢。當(dāng)查詢到數(shù)據(jù)庫(kù)中有信息更新時(shí)，控制子程序?qū)⑿畔⑼ㄟ^串口下發(fā)至協(xié)調(diào)器中，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥的控制。該程序還設(shè)計(jì)了報(bào)警機(jī)制，當(dāng)接收數(shù)據(jù)錯(cuò)誤時(shí)或者設(shè)備無(wú)法正常讀寫數(shù)據(jù)時(shí)系統(tǒng)將錯(cuò)誤信息寫入數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過顯示界面顯示報(bào)警信息。另外軟件還增添了對(duì)電磁閥進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)電磁閥打開時(shí)間超過2 h，為防止電磁閥燒壞，程序?qū)⒆詣?dòng)關(guān)閉電磁閥，并將關(guān)閉信息寫入數(shù)據(jù)庫(kù)中。通過顯示界面還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備信息的增、刪、改、查等操作及歷史曲線的顯示等。上位機(jī)結(jié)構(gòu)功能框如圖5所示，上位機(jī)設(shè)有上位機(jī)主程序用來控制電磁閥等器件的動(dòng)作，讀取傳感器等設(shè)備信息，以及串口設(shè)備控制子模塊設(shè)計(jì)程序、設(shè)備控制指令執(zhí)行子程序程序、設(shè)備查詢指令子程序，用來協(xié)調(diào)控制灌溉系統(tǒng)進(jìn)行灌溉。

3.5.1恒壓灌溉自動(dòng)控制流程

恒壓灌溉自動(dòng)控制流程如圖6所示。系統(tǒng)先設(shè)定好管網(wǎng)壓力上限、下限作為基準(zhǔn)，結(jié)合

泵出水口處壓力傳感器檢測(cè)到的管網(wǎng)壓力信號(hào)與TG3000變頻恒壓供水控制器組成壓力閉環(huán)控制，經(jīng)過PID運(yùn)算來調(diào)節(jié)系統(tǒng)所選的易驅(qū)變頻器的輸出電壓和頻率，并對(duì)電機(jī)工頻、變頻切換，以此來調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及切換電機(jī)的工頻、變頻運(yùn)行狀態(tài)，如果設(shè)定的下限值大于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，說明管網(wǎng)壓力較小，要增加變頻器的輸出頻率，提高泵的轉(zhuǎn)速，從而增加抽水速度和管網(wǎng)壓力，如果管網(wǎng)壓力達(dá)不到預(yù)先設(shè)置的壓力范圍，就將該電機(jī)切換為工頻，并且啟動(dòng)另一臺(tái)電機(jī)進(jìn)入變頻運(yùn)行狀態(tài)，以此類推。如果設(shè)定的上限值小于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，說明供水系統(tǒng)提供的壓力較大，要降低變頻器的輸出功率，降低泵的轉(zhuǎn)速，從而降低泵的抽水速度和管網(wǎng)壓力，使管網(wǎng)壓力保持在一定值范圍內(nèi)，如管網(wǎng)壓力還是過大，就將此電機(jī)切換進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)并按先啟先停的原則將先開啟的工頻電機(jī)切換為變頻運(yùn)行狀態(tài)[11-12]，直到管網(wǎng)壓力處在預(yù)先設(shè)置的范圍之內(nèi)。

3.5.2系統(tǒng)監(jiān)控界面

圖7為大田灌溉智能控制系統(tǒng)的主界面，通過該界面可以方便地對(duì)傳感器、流量計(jì)、電磁閥狀態(tài)等信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并控制電磁閥等器件的啟停以及對(duì)數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)、查詢等操作。系統(tǒng)還提供了用戶登錄、灌溉策略、流量計(jì)示數(shù)、流量計(jì)歷時(shí)曲線、報(bào)警記錄、電磁閥開關(guān)控制、增刪元器件、溫度監(jiān)測(cè)曲線、濕度監(jiān)測(cè)曲線、光照監(jiān)測(cè)曲線等界面。

4節(jié)能分析

該系統(tǒng)共用3臺(tái)功率為18 kW的水泵電機(jī)，若將其轉(zhuǎn)速降低為原來的3/4，其消耗的電能就變成7.59 kW，節(jié)能 57.8%；如果將其轉(zhuǎn)速降低到1/2，其消耗的電能為 2.25 kW，節(jié)能87.5%?？梢?，該灌溉系統(tǒng)的節(jié)能效果非常顯著。

5結(jié)論

本研究開發(fā)了一種變頻恒壓灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了變頻調(diào)速技術(shù)，可以使該灌溉系統(tǒng)管網(wǎng)水壓保持在預(yù)定設(shè)置的范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)恒壓灌溉的功能。根據(jù)實(shí)時(shí)采集的土壤墑情信息以及作物對(duì)灌水的需求等情況， 通過計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)管理，可以實(shí)現(xiàn)大田灌溉按時(shí)、按需、高精度、高效率、節(jié)水、節(jié)能。該系統(tǒng)還擁有簡(jiǎn)單明了、易于操作、非常友好的人機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控界面，在此界面上可以直觀地對(duì)各傳感器、流量計(jì)、電磁閥狀態(tài)等信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)以及對(duì)電磁閥、變頻器等開關(guān)器件的開斷進(jìn)行控制，具有實(shí)時(shí)監(jiān)控、存儲(chǔ)、查詢等功能，自動(dòng)化程度高。

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