变频恒压灌溉控制系统设计-《江苏农业科学》(2017年9期).docx

龙源版权所有 变频恒压灌溉控制系统设计作者：花元涛 喻彩丽 王兴鹏来源：《江苏农业科学》2017年第09期 摘要：以大田常规灌溉技术为依据，利用计算机技术、变频技术、传感器技术、信息采集技术、无线通信技术提出了一套大田变频恒压灌溉自动控制系统的方法。该系统以变频恒压供水控制器与变频器相结合的方式，采用“一拖三”的“变频循环”模式对电机进行变频调速，增加了友好的人机界面，实现了恒压灌溉，远程实时监控、操作、查询等功能。该系统不仅可以做到适时适量、节水节能的合理灌溉，而且自动化程度大幅度提高、稳定性能增强，还降低了劳动成本。 关键词：恒压灌溉；变频循环；智能控制；人机界面 中图分类号： TP273文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2017）09-0172-05 水资源的短缺，已经成为制约我国农业生产的关键因素[1]。与其他发达国家相比，中国现代化农业建设起步晚，传统的供水、灌溉方式相对比较落后。目前，我国田间灌溉几乎都是根据田间农作物需水量进行人工控制阀门开度，操作中频繁地启停水泵电机，往往会因为电机启动时电流过大，而导致启动时电流过大对电网造成较大的冲击，以及水泵电机长时间高速运转加重磨损，降低电机寿命，电能损耗大[2-4]。同时，田间灌溉主要依据用户经验，自动化程度比较低，不利于资源的优化配置。在此情况下，提高灌水利用率、实现精确灌溉尤为重要。 1变频调整及恒压灌溉系统原理 灌水系统的控制对象一般是供水流量，转速控制法和阀门控制法是其常见的2种控制方法。阀门控制法就是通过保持电机转速的恒定，改变阀门开度的大小来控制灌溉。本研究的变频恒压调速也采用转速控制法，通过保持阀门开度不变，调节水泵电机转速来控制流量。 1.1变频调速原理 三相交流异步电动机的转差率、转速、电源频率、磁极对数之间具有如公式（1）的关系[5-6]： 式中：n为同步转速，n1为转子转速，f为频率，p为磁极对数，s为转差率。 从公式（1）中可知，由于交流电机磁极对数p和交流电机转差率s一般出厂时已经确定，不容易改变，此时交流电机转子转速n与电源频率f成正比例关系，即可以连续调节供电电源的频率从而实现连续、平滑地调节电机的同步转速，继而实现电机转子的平滑调速，实现调节交流电机调速的目的[6]。 1.2变频恒压的节能原理 水泵电机变速运行的相似原理如公式（2）所示： 式中：P1、H1、Q1、N1分别为变速前的输出功率、扬程、流量、转速；P2、H2、Q2、N2分别为变速后的输出功率、扬程、流量、转速。 从公式（2）可以看出，電机消耗的功率与流量以及水泵电机转速的立方成正比，由于田间种植作物种类不同，需水量、灌水时间等都有所不同，灌水量大时和灌水量少时的需水量差异大，如果一直保持水泵电机工频运行，就会导致大量的能源浪费[7-8]。 2.3变频恒压灌溉方案分析 变频恒压灌溉有2种方案，一种是1台变频器带动1台电机，这种方法操作起来最简单，不需要在变频器与电机之间进行相互切换，但费用相对较高；另一种方案是利用1台变频器拖动多台电机，在电机和变频器之间进行相互切换，也就是说变频器控制一台电机变频运行时，其他电机根据需要处于停机或工频运行状态，本研究的恒压灌溉系统选择的是后者方案。 3系统的总体设计 该系统在新疆南疆农作物旱作节水项目为背景的基础上研究设计，采用工控机、恒压供水电脑控制器2层控制结构（图1）。上位机人机界面负责信息查询、监视以及远程控制指令的下发，工控机中装有系统自动控制程序，负责读取传感器、按钮和其他开关量信号等信息，以及发出控制变频器、电磁阀等器件的信号，并将命令写入数据库中，工控机实时查询数据库中未执行的命令，并将此信息反馈给相应的元器件，进行相应的操作。 3.1变频恒压灌溉系统的系统设计 该系统采用电脑控制器与变频器相结合控制3台水泵电机进行“一拖三”的“变频循环方式”的模式灌溉[9-10]（图2）。其中，监控系统一直对变频器进行监视和控制。该灌溉系统有2种控制逻辑：手动控制、自动控制。各状态指示灯显示各电机的工/变频运行、手动控制、自动控制等状态。 3.2PID控制结构 本系统采用压力闭环控制，将压力传感器接于水泵出水口处对···试读结束