圓形噴灌機(jī)精準(zhǔn)同步監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李妙祺　楊小平　馮全

摘? 要：為了實(shí)現(xiàn)三跨圓形噴灌機(jī)電機(jī)精準(zhǔn)同步并達(dá)到提高灌水均勻度的控制目的，本系統(tǒng)使用變頻器配合主行走電機(jī)進(jìn)行了同步控制，并使用可編程邏輯控制器及人機(jī)界面，設(shè)計(jì)了圓形噴灌機(jī)的監(jiān)控組態(tài)系統(tǒng)，同時(shí)具有手動(dòng)控制功能。該系統(tǒng)能夠顯著提高噴灌作業(yè)時(shí)的灌水均勻度，有利于作物生長，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：圓形噴灌機(jī);PLC;HMI;變頻器

中圖分類號：S275.5? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）23-0095-04

Abstract： In order to realize the accurate synchronization across three circular sprinkler motor and reach the control goal of improving irrigation uniformity， the control system of center pivot irrigation machine was designed by using frequency converter to control the main motor and using programmable logic controller and human-machine interface. It also has manual control function. The system can significantly improve the irrigation uniformity during irrigation， which is beneficial to the efficiency of crop growth and agricultural production.

Keywords： center pivot sprinkling machine; PLC; HMI; inverter

引言

噴灌技術(shù)是一種節(jié)水灌溉技術(shù)，我國對噴灌技術(shù)的研究始于1953年，圓形噴灌機(jī)是一種大規(guī)模、高自動(dòng)化程度的灌溉用機(jī)械。早期的圓形噴灌機(jī)多使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)行走地輪并且配備機(jī)械減速裝置，通過百分率計(jì)時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)并控制不同跨電機(jī)的啟停，使塔架車一個(gè)跟著一個(gè)繞著中心支軸旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了連續(xù)自移噴灑作業(yè)。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)在噴灌系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，而我國在技術(shù)開發(fā)方面尚存在一定的差距，尤其體現(xiàn)在：控制精度差、行走速度無法自整定、灌溉的均勻度低等問題[1]。

為了解決以上問題，需要引入基于可編程控制器的精準(zhǔn)同步控制系統(tǒng)，利用光電傳感器檢測相鄰塔架的角變位，從而控制變頻器調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，使塔架支撐的灌溉用水管道盡可能保持在一條直線上，并且限制安全控制角不大于1.5°。

1 圓形噴灌機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的噴灌機(jī)共有三跨，長度均為57m，三跨總長171m，每一跨由一臺三相可調(diào)速變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)行走輪帶動(dòng)其移動(dòng)。若考慮圓形噴灌機(jī)噴灌作業(yè)過程中會(huì)遺失圓形區(qū)域以外的地塊，則可以給最遠(yuǎn)跨加一15m的懸臂。在設(shè)計(jì)過程中，由于考慮成本等因素，將主控PLC選擇為西門子S7-200CPU226機(jī)型，PLC接受來自手動(dòng)控制部分的各跨電機(jī)啟停及反轉(zhuǎn)信號（手動(dòng)部分亦可在人機(jī)界面上進(jìn)行操作），另外采用光電開關(guān)進(jìn)行相鄰兩跨扭轉(zhuǎn)角度檢測，當(dāng)相鄰兩個(gè)塔架扭轉(zhuǎn)角度不超過1.5°時(shí)，保護(hù)機(jī)構(gòu)不啟動(dòng)，PLC依據(jù)人機(jī)界面（HMI）上操作員設(shè)定的灌溉時(shí)間和水量進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，分析每跨電機(jī)的行走速度，控制變頻器啟動(dòng)電機(jī)并合理調(diào)速，同時(shí)在整個(gè)生產(chǎn)過程中監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，在系統(tǒng)發(fā)生錯(cuò)誤、危險(xiǎn)狀況時(shí)能夠及時(shí)報(bào)警、自矯正或切斷電源線路。當(dāng)工作時(shí)長到、或灌溉水量到達(dá)預(yù)設(shè)值，則設(shè)備停止噴灌作業(yè)。其系統(tǒng)組成圖如圖1所示：

2 系統(tǒng)硬件選擇及系統(tǒng)接線

2.1 噴頭的選擇

噴頭的選擇是設(shè)計(jì)圓形噴灌機(jī)灌溉項(xiàng)目時(shí)應(yīng)考慮的主要因素。噴頭的間距以及類型是兩個(gè)主要變量。在噴灌機(jī)的作業(yè)過程中，一跨走最快，三跨走最慢。噴灌機(jī)運(yùn)行一周，若要保證所有區(qū)域灌水均勻，則需自遠(yuǎn)端至中心支軸逐漸減小噴灑水量，并采用散射式噴頭，根據(jù)噴頭工作壓力，在噴頭進(jìn)水口上游配置適當(dāng)?shù)膲毫φ{(diào)節(jié)器。噴頭宜采用懸吊安裝方式，懸吊的高度由作物高度確定。

本設(shè)計(jì)采用可變孔口尺寸的噴頭實(shí)現(xiàn)變量噴灑[3]，由于靠近中心支座處的覆蓋面積相對小，只需很小的水量，所以噴嘴尺寸也非常小。在中心支軸較遠(yuǎn)的桁架中，所需的水量增加，噴頭的噴嘴需要加大，以滿足水量增加的需要。配置噴頭時(shí)，輸水管某一管段處的流量值，應(yīng)該與該處灌溉的圓形面積之比為常數(shù)[5]，計(jì)算公式如下：

式中Q為總流量，QE為末端噴頭的流量，Qi為主管道的第i段的通過流量，ri為管道至中心支軸的距離，l為主輸水管道的長度。

2.2 電機(jī)及變頻器的選擇

驅(qū)動(dòng)裝置采用有過流過載保護(hù)的2.2kW變頻三相異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)行走輪移動(dòng)，采用變頻器調(diào)速的系統(tǒng)由于轉(zhuǎn)速可調(diào)，故可選擇不同直徑的行走輪（本設(shè)計(jì)車輪外徑為1.28m），速度由變頻器進(jìn)行調(diào)整，也可由操作人員通過人機(jī)界面鍵入，系統(tǒng)自動(dòng)處理相關(guān)數(shù)據(jù)的運(yùn)算，電機(jī)相關(guān)參數(shù)見表1。

變頻器選擇西門子MM420型，采用單一的RS485主從鏈路通過USS協(xié)議鏈接3臺跨電機(jī)，在使用該協(xié)議之前，需要在變頻器中對驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行基本參數(shù)設(shè)置、控制源參數(shù)設(shè)置及通信設(shè)置。

2.3 系統(tǒng)接線圖

系統(tǒng)外部接線圖如圖2所示。MA0是給整個(gè)噴灌作業(yè)提供輸水動(dòng)力的水泵。MA1、MA2、MA3分別為三跨行走電機(jī)。其中MA1為距中央支軸最遠(yuǎn)端電機(jī)，所有跨的行走電機(jī)都能夠分別實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)及無極調(diào)速。PLC主機(jī)CPU226，數(shù)字量24I/16O，具有兩個(gè)RS485口。CPU模塊采用RS485網(wǎng)絡(luò)與變頻器進(jìn)行USS通信連接，波特率9600。CPU主機(jī)用周期電報(bào)通信的方式輪番詢問各個(gè)變頻器的狀態(tài)信息。BG1至SF5接主機(jī)數(shù)字量輸入端子，系統(tǒng)工作指示燈PG0、PG1及控制水泵的接觸器線圈接輸出端子，其功能及端口分配見表2。HMI為西門子公司的Smart 700IEV3，帶RS422/485隔離串口通信，最大通信速率187.5Kbits/s。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件控制流程：

本系統(tǒng)分為手動(dòng)部分和自動(dòng)控制部分，控制功能描述如下：

（1）模式自主選擇：根據(jù)實(shí)際情況和用戶需要，手動(dòng)模式和自動(dòng)工作模式自主選擇，在自動(dòng)模式下，只要切入手動(dòng)則自動(dòng)模式全部停止。

（2）智能控制：可編程邏輯控制器根據(jù)從設(shè)備采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)做出判斷對灌溉設(shè)備進(jìn)行控制。

（3）信息實(shí)時(shí)顯示：實(shí)現(xiàn)跨電機(jī)行走速度、當(dāng)前位置的實(shí)時(shí)顯示，方便使用者確認(rèn)和系統(tǒng)調(diào)試。

（4）數(shù)據(jù)自動(dòng)采集：在不需要人工干預(yù)的情況下，進(jìn)行灌溉時(shí)間的計(jì)時(shí)和灌溉用水量的自動(dòng)采集。

（5）人機(jī)界面操控： 由于各種農(nóng)作物在生長的各個(gè)階段對水分的需求不同，為達(dá)到最適宜農(nóng)作物的需水量，可視情況通過人機(jī)界面調(diào)整灌溉輪次、時(shí)長及水量。

自動(dòng)控制部分系統(tǒng)控制流程如圖3：

4 組態(tài)界面設(shè)計(jì)

在圖4的歡迎界面中可以選擇手動(dòng)或自動(dòng)控制，選擇手動(dòng)后進(jìn)入圖5的手動(dòng)控制畫面，其控制功能與PLC輸入端子的按鈕控制功能相同，若開機(jī)后選擇自動(dòng)控制則進(jìn)入圖6的參數(shù)設(shè)置及電機(jī)狀態(tài)監(jiān)控畫面，本功能需要先對生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置后機(jī)器才能啟動(dòng)。在圖7的運(yùn)行監(jiān)控畫面可隨時(shí)查看每一跨電機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行位置和灌溉總水量及系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)長，同時(shí)，本系統(tǒng)還具有管理員權(quán)限設(shè)置和錯(cuò)誤報(bào)警功能。

5 試驗(yàn)

由于戶外試驗(yàn)不可避免地會(huì)受到自然條件的影響，例如蒸騰作用，風(fēng)力等，其中通過多次試驗(yàn)比對，在多種氣象條件下，不同的風(fēng)速對試驗(yàn)數(shù)據(jù)影響最大，通過數(shù)據(jù)分析得到采用百分率計(jì)時(shí)器的控制系統(tǒng)的灌水均勻度（A）和采用速度調(diào)節(jié)裝置的灌水均勻度（B）如圖8所示。在圖中可以看出，在采用了合理的行走方式控制后，該圓形噴灌機(jī)能夠提高噴灌作業(yè)的灌水均勻度。

6 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)通過觸摸屏、可編程序控制器配合跨電機(jī)變頻調(diào)速，通過操作觸摸屏或手動(dòng)控制按鈕實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)、水泵的自動(dòng)或手動(dòng)的啟動(dòng)、停止。同時(shí)還可根據(jù)灌水量的要求自動(dòng)實(shí)施噴灌作業(yè)，并且能夠自動(dòng)調(diào)整三臺電機(jī)達(dá)到同步行走的目的。本系統(tǒng)能夠現(xiàn)場或遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行，能及時(shí)有效的處理突發(fā)事件。通過合理的設(shè)備選型、參數(shù)計(jì)算和軟件設(shè)計(jì)，達(dá)到提高普通噴灌機(jī)灌水均勻度的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]錢一超，侯永勝，席三忠，等.影響電動(dòng)圓形噴灌機(jī)灌水均勻度的因素及分析[J].節(jié)水灌溉，2010（4）：20-22.

[2]張承國，韓登侖.DYP_235型電動(dòng)圓形噴灌機(jī)的研制[J].中國農(nóng)機(jī)化，2012（2）：100-103.

[3]趙偉霞，李久生，栗巖峰.大型噴灌機(jī)變量灌溉技術(shù)研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016（13）：1-7.

[4]嚴(yán)海軍，肖建偉，等.圓形噴灌機(jī)低壓阻尼噴頭水滴直徑分布規(guī)律的試驗(yàn)研究[J].水利學(xué)報(bào)，2014，45（4）：467-472.

[5]嚴(yán)海軍，姚培培，等.圓形噴灌機(jī)噴頭配置技術(shù)與軟件研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42（6）：84-88.

[6]李保明，薛桂寧，等.中心支軸式噴灌機(jī)典型標(biāo)準(zhǔn)工程設(shè)計(jì)[J].中國馬鈴薯，2012，26（6）：374-378.