PLC變頻調速節能灌溉系統的設計

田云+史潔+金東琦

摘要在分析了變頻調速灌溉系統與閥門開度調節灌溉系統的節能效果之后，得出了一種新型的農業灌溉系統供水方式，即利用PLC結合變頻器的方式來實現恒壓變流供水。給出了變頻調速灌溉系統結構圖，并進行了系統軟件流程設計。系統能夠連續采集水泵流量，與設定的工作壓力進行比較，實時改變水泵電機的工作頻率調節灌溉流量。從而改變了傳統農業依靠控制閥門開度及人工啟停水泵電機的操作方法。經過實驗證明，采用變頻調速的節水灌溉系統，比傳統模式節能20%~69%。對設備壽命周期的延長，節約電能和人工成本，提高灌溉可靠性方面均有極積的意義。

關鍵詞PLC變頻調速節能灌溉恒壓變流

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校科研項目（12525073）研究成果。

0引言

在我國農業用水面臨資源短缺的同時，農業用水浪費現象十分嚴重。特別是田間的過量灌溉或因渠系水量調配不當，造成我國的農業灌溉系統對水資源的利用率目前只達到30%～40%，而發達國家可達80%之多。并且我們大部分地區采用水泵抽水灌溉的模式，水泵配套電機轉速匹配不合理，泵站裝置效率只有30%～40%，浪費了大量的電能。傳統農業節水灌溉是根據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人員進行值守，增加了人工成本。尋求一種切實可行的節水節能灌溉系統是當前農業發展的一項重要任務。在農田灌溉園區，各種作物的種植結構、需水量、灌溉時間等生長條件是不同的，而整個灌溉園區的供水壓力是一定的，屬于恒壓變流供水。所以灌溉系統的設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速的灌溉系統當中，存在以下問題：

（1）一般的灌溉系統中，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造成的沖擊，如此一來，需增大水泵區域的供電變壓器容量，并且浪費了大量的電能。

（2）當供水過量或者正在供水量時，只能靠調節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。水泵電機轉速不能連續調節，始終處于工頻狀態下運行。

（3）電機的啟動與停止完全依靠人工控制。灌溉系統的供水流量、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驗。而在實際灌溉中，大多數用戶不會根據用水量來調節閥門開度，只是在需水流量相差較大時，粗略的切換開機臺數來調節流量，造成了能源的巨大浪費。

1供水系統節能原理

供水系統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速控制法兩種，采用變頻調速的供水系統屬于轉速控制法。

1.1變頻調速原理

由電機學可知，異步電動機轉速可以表達為式（1）：

n=60f(1-s)/p（1）

式中n—電動機轉速；

f—電源頻率；

s—轉差率；

p—電動機極對數。

其中，極對數p和轉差率s屬于電機的物理參數，當水泵電機出廠時就已經設定，不可改變。所以，想改變電機轉速只能改變電機的輸入電源頻率f。只要連續改變電機的電源頻率即可調整電機的轉速，使水泵可以進行連續而平滑的調速。

1.2恒壓變流調節及其節能原理

若使管網壓力保持恒定，需對管網壓力進行實時監測，一般將監測點設為水泵出水口處，利用壓力傳感器進行監測，將監測的壓力信號傳送給控制器進行處理。將監測點的壓力與實際系統設定壓力進行比較，若實際壓力值低于設定壓力值，變頻調速器將使水泵電機電源頻率升高。從而提高了水泵轉速，增加了管網的壓力。相反，若管網實際壓力值高于設定壓力值，變頻調速器就將水泵電機電源頻率降低，水泵轉速下降，管網壓力減小。所以，水泵電機的轉速完全取決于管網的壓力與設定壓力差值，動態的調節水泵電機轉速就可以使壓力監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，對應的流量與壓力分別為Q0和H0。當系統用水量由Q0減少至Q1時，如果水泵仍工頻運行，若用閥門來調節流量，管阻特性曲線將發生變化，由R1移至R2，水泵的工況點也將隨之發生變化，由A移至B，流量對應Q1，壓力對應H1，根據水泵原理，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。

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

P=γQ1H01000η（3）

很顯然，由于H0小于H1，水泵的節能為：

△P=γQ11000η(H1-H0)（4）

根據流體力學知識，流量Q與轉速n成正比，壓力H與轉速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速n，如此一來，水泵功率則成立方關系下降。綜上所述，水泵的耗電功率與轉速近似成立方比的關系。比如：一臺功率為45 kW的水泵電機，降低轉速至原轉速4/5時，其消耗的電量為2304 kW，節省電量5147%；如果降低轉速至1/2，其消耗的電量為562 kW，節省電量達895%。

2變頻調速節水灌溉系統構成

變頻調速灌溉系統主要由PLC和變頻器對水泵機組轉速優化調整進行自動控制，控制過程采用閉環控制。壓力傳感器根據壓力輸出的連續變化的模擬量信號，再由AD轉換器變換成對應的數字信號傳送給PLC與設定的壓力值進行比較，根據差值調節變頻器的輸出頻率，進而改變電機轉速，使水泵的轉速及出水流量發生相應的變化。使供水管網壓力保持恒定。

2.1系統組成

本系統主要由PLC及其擴展單元、壓力變送器、AD轉換器、DA轉換器和變頻器構成，形成壓力負反饋閉環控制系統。系統結構圖如圖2所示。圖2系統結構圖2.2系統主要部件功能

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

(2)變頻器。接收PLC發出的頻率控制信號，對應的改變輸出頻率，對水泵電機進行轉速調節。一般變頻器均有模擬量控制接口，可接收標準的工業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成比例，可實現頻率的連續輸出，精度可達01 Hz。

(3)AD/DA轉換器。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AD轉換器進行數據采集并轉換為數字信號供給PLC進行數據處理。由于變頻器采用模擬量線性控制，當使用PLC控制變頻器時，PLC將數字量先送入DA轉換器轉換為模擬信號，由DA轉換器輸出的模擬信號間接控制變頻器輸出頻率。

3系統自動控制的實現

系統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速及邏輯控制。程序主要完成對AD轉換器及DA轉換器的初始化工作、系統手動控制與自動控制的切換、水泵機組切換及啟停等問題。

根據前面分析，水泵電機的轉速是改變水泵壓力及出水量關系曲線的根本參數，電機轉速發生變化，水泵工況點也隨之發生變化，在某一固定的壓力范圍內，改變調節水泵電機的轉速，總有一條或一簇與之轉速相對應的特性曲線來滿足作物需水要求。

假設灌溉管網壓力要求為025～035 MPa，PLC將以此作為設定值，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設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定所需管網壓力值，設定完畢后將轉為自動工作方式。自動工作方式將實時進行壓力比較，使灌溉系統管網壓力滿足要求。此外，為了避免電機出現振蕩現象，還可以使變頻器處于一個穩定的頻率范圍，讓水泵電機工作狀態較為穩定，這樣非常有利于延長水泵電機的使用壽命。

4變頻調速后水泵運行效能

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

經過變頻調速的灌溉系統，水泵電機的轉速根據管網壓力進行實時調節，使管網恒壓供水問題得到了圓滿的解決。經過實驗證明，采用變頻器有如下優越性：

(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，再經過一段時間加速至設定頻率，不會對電網造成沖擊。

（2）電機轉速的改變是由改變變頻器輸出頻率來實現的。變頻器的輸出頻率可方便的由PLC及DA轉換器輸出的模擬量來進行控制，響應速度快。而PLC的對變頻器輸出頻率的調節是根據管網出水壓力的實際值進行控制的。壓力傳感器采集實際管網出水壓力的周期可高達幾十毫秒，數據具有實時性，達到了系統的全自動實時控制，節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水灌溉系統的要求。另外，變頻器的頻率連續可調，使水泵電機的轉速在一定范圍內隨意改變，從而水泵轉速可以快速響應管網流量變化，避免了水泵電機的頻繁啟停，節省了大量的水能和電能。

5實驗結論分析

通過實驗證明，當供水管網的工作壓力設定為025~03 MPa時，根據不同的出水流量，當采用閥門控制和轉速控制時，水泵消耗的功率如下表所示。表中顯示，在變頻調速的節能灌溉方式下，根據水泵出水流量大小可節能20%~69%，效果顯著。表兩種控制方法節能效果統計表

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節能效果/%203649576267696結語

由PLC和變頻器組成的節能灌溉系統，結構簡單，控制效果好，一次性投入成本低。可有效解決不同灌溉區所需不同灌溉用水量時水泵空載的節能問題，節能效果顯著，管網壓力穩定，經濟效益良好。另外系統采用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，減少了不穩定性。同時也避免了傳統閥門開度控制使水泵機組頻繁啟動，使電機壽命得已延長。變頻調速在節能灌溉系統的恒壓變流起到了巨大的推動作用，效果良好。利用變頻調速技術不但可以實現恒壓變流供水，還能夠實現恒流變壓供水，甚至還可以實現變流變壓的供水來滿足不同用戶需求。總之，變頻調速在農業節能灌溉中的應用是現在農業發展的一個重要研究課題。

參考文獻：

[1]武鵬林，張向東.節水灌溉系統變頻控制的節能研究與應用[J].農業工程學報，2002(4):22-25.

[2]方彥軍.樓宇集中空調變頻調節節能研究[J].自動化博覽，2000(6):5-7.

[3]張振國.變頻調速裝置在農業節水灌溉中的應用[D].太原理工大學碩士論文，2003:20-23.

[4]劉永華，陳志明.PLC及變頻調速恒壓噴灌系統的設計[J].節水灌溉，2009(1):44-45.

[5]費順華，陳慧霞.自控變頻節能節水灌溉系統開發研究[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。

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

P=γQ1H01000η（3）

很顯然，由于H0小于H1，水泵的節能為：

△P=γQ11000η(H1-H0)（4）

根據流體力學知識，流量Q與轉速n成正比，壓力H與轉速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速n，如此一來，水泵功率則成立方關系下降。綜上所述，水泵的耗電功率與轉速近似成立方比的關系。比如：一臺功率為45 kW的水泵電機，降低轉速至原轉速4/5時，其消耗的電量為2304 kW，節省電量5147%；如果降低轉速至1/2，其消耗的電量為562 kW，節省電量達895%。

2變頻調速節水灌溉系統構成

變頻調速灌溉系統主要由PLC和變頻器對水泵機組轉速優化調整進行自動控制，控制過程采用閉環控制。壓力傳感器根據壓力輸出的連續變化的模擬量信號，再由AD轉換器變換成對應的數字信號傳送給PLC與設定的壓力值進行比較，根據差值調節變頻器的輸出頻率，進而改變電機轉速，使水泵的轉速及出水流量發生相應的變化。使供水管網壓力保持恒定。

2.1系統組成

本系統主要由PLC及其擴展單元、壓力變送器、AD轉換器、DA轉換器和變頻器構成，形成壓力負反饋閉環控制系統。系統結構圖如圖2所示。圖2系統結構圖2.2系統主要部件功能

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

(2)變頻器。接收PLC發出的頻率控制信號，對應的改變輸出頻率，對水泵電機進行轉速調節。一般變頻器均有模擬量控制接口，可接收標準的工業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成比例，可實現頻率的連續輸出，精度可達01 Hz。

(3)AD/DA轉換器。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AD轉換器進行數據采集并轉換為數字信號供給PLC進行數據處理。由于變頻器采用模擬量線性控制，當使用PLC控制變頻器時，PLC將數字量先送入DA轉換器轉換為模擬信號，由DA轉換器輸出的模擬信號間接控制變頻器輸出頻率。

3系統自動控制的實現

系統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速及邏輯控制。程序主要完成對AD轉換器及DA轉換器的初始化工作、系統手動控制與自動控制的切換、水泵機組切換及啟停等問題。

根據前面分析，水泵電機的轉速是改變水泵壓力及出水量關系曲線的根本參數，電機轉速發生變化，水泵工況點也隨之發生變化，在某一固定的壓力范圍內，改變調節水泵電機的轉速，總有一條或一簇與之轉速相對應的特性曲線來滿足作物需水要求。

假設灌溉管網壓力要求為025～035 MPa，PLC將以此作為設定值，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設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定所需管網壓力值，設定完畢后將轉為自動工作方式。自動工作方式將實時進行壓力比較，使灌溉系統管網壓力滿足要求。此外，為了避免電機出現振蕩現象，還可以使變頻器處于一個穩定的頻率范圍，讓水泵電機工作狀態較為穩定，這樣非常有利于延長水泵電機的使用壽命。

4變頻調速后水泵運行效能

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

經過變頻調速的灌溉系統，水泵電機的轉速根據管網壓力進行實時調節，使管網恒壓供水問題得到了圓滿的解決。經過實驗證明，采用變頻器有如下優越性：

(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，再經過一段時間加速至設定頻率，不會對電網造成沖擊。

（2）電機轉速的改變是由改變變頻器輸出頻率來實現的。變頻器的輸出頻率可方便的由PLC及DA轉換器輸出的模擬量來進行控制，響應速度快。而PLC的對變頻器輸出頻率的調節是根據管網出水壓力的實際值進行控制的。壓力傳感器采集實際管網出水壓力的周期可高達幾十毫秒，數據具有實時性，達到了系統的全自動實時控制，節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水灌溉系統的要求。另外，變頻器的頻率連續可調，使水泵電機的轉速在一定范圍內隨意改變，從而水泵轉速可以快速響應管網流量變化，避免了水泵電機的頻繁啟停，節省了大量的水能和電能。

5實驗結論分析

通過實驗證明，當供水管網的工作壓力設定為025~03 MPa時，根據不同的出水流量，當采用閥門控制和轉速控制時，水泵消耗的功率如下表所示。表中顯示，在變頻調速的節能灌溉方式下，根據水泵出水流量大小可節能20%~69%，效果顯著。表兩種控制方法節能效果統計表

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節能效果/%203649576267696結語

由PLC和變頻器組成的節能灌溉系統，結構簡單，控制效果好，一次性投入成本低。可有效解決不同灌溉區所需不同灌溉用水量時水泵空載的節能問題，節能效果顯著，管網壓力穩定，經濟效益良好。另外系統采用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，減少了不穩定性。同時也避免了傳統閥門開度控制使水泵機組頻繁啟動，使電機壽命得已延長。變頻調速在節能灌溉系統的恒壓變流起到了巨大的推動作用，效果良好。利用變頻調速技術不但可以實現恒壓變流供水，還能夠實現恒流變壓供水，甚至還可以實現變流變壓的供水來滿足不同用戶需求。總之，變頻調速在農業節能灌溉中的應用是現在農業發展的一個重要研究課題。

參考文獻：

[1]武鵬林，張向東.節水灌溉系統變頻控制的節能研究與應用[J].農業工程學報，2002(4):22-25.

[2]方彥軍.樓宇集中空調變頻調節節能研究[J].自動化博覽，2000(6):5-7.

[3]張振國.變頻調速裝置在農業節水灌溉中的應用[D].太原理工大學碩士論文，2003:20-23.

[4]劉永華，陳志明.PLC及變頻調速恒壓噴灌系統的設計[J].節水灌溉，2009(1):44-45.

[5]費順華，陳慧霞.自控變頻節能節水灌溉系統開發研究[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。

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

P=γQ1H01000η（3）

很顯然，由于H0小于H1，水泵的節能為：

△P=γQ11000η(H1-H0)（4）

根據流體力學知識，流量Q與轉速n成正比，壓力H與轉速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速n，如此一來，水泵功率則成立方關系下降。綜上所述，水泵的耗電功率與轉速近似成立方比的關系。比如：一臺功率為45 kW的水泵電機，降低轉速至原轉速4/5時，其消耗的電量為2304 kW，節省電量5147%；如果降低轉速至1/2，其消耗的電量為562 kW，節省電量達895%。

2變頻調速節水灌溉系統構成

變頻調速灌溉系統主要由PLC和變頻器對水泵機組轉速優化調整進行自動控制，控制過程采用閉環控制。壓力傳感器根據壓力輸出的連續變化的模擬量信號，再由AD轉換器變換成對應的數字信號傳送給PLC與設定的壓力值進行比較，根據差值調節變頻器的輸出頻率，進而改變電機轉速，使水泵的轉速及出水流量發生相應的變化。使供水管網壓力保持恒定。

2.1系統組成

本系統主要由PLC及其擴展單元、壓力變送器、AD轉換器、DA轉換器和變頻器構成，形成壓力負反饋閉環控制系統。系統結構圖如圖2所示。圖2系統結構圖2.2系統主要部件功能

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

(2)變頻器。接收PLC發出的頻率控制信號，對應的改變輸出頻率，對水泵電機進行轉速調節。一般變頻器均有模擬量控制接口，可接收標準的工業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成比例，可實現頻率的連續輸出，精度可達01 Hz。

(3)AD/DA轉換器。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AD轉換器進行數據采集并轉換為數字信號供給PLC進行數據處理。由于變頻器采用模擬量線性控制，當使用PLC控制變頻器時，PLC將數字量先送入DA轉換器轉換為模擬信號，由DA轉換器輸出的模擬信號間接控制變頻器輸出頻率。

3系統自動控制的實現

系統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速及邏輯控制。程序主要完成對AD轉換器及DA轉換器的初始化工作、系統手動控制與自動控制的切換、水泵機組切換及啟停等問題。

根據前面分析，水泵電機的轉速是改變水泵壓力及出水量關系曲線的根本參數，電機轉速發生變化，水泵工況點也隨之發生變化，在某一固定的壓力范圍內，改變調節水泵電機的轉速，總有一條或一簇與之轉速相對應的特性曲線來滿足作物需水要求。

假設灌溉管網壓力要求為025～035 MPa，PLC將以此作為設定值，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設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定所需管網壓力值，設定完畢后將轉為自動工作方式。自動工作方式將實時進行壓力比較，使灌溉系統管網壓力滿足要求。此外，為了避免電機出現振蕩現象，還可以使變頻器處于一個穩定的頻率范圍，讓水泵電機工作狀態較為穩定，這樣非常有利于延長水泵電機的使用壽命。

4變頻調速后水泵運行效能

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

經過變頻調速的灌溉系統，水泵電機的轉速根據管網壓力進行實時調節，使管網恒壓供水問題得到了圓滿的解決。經過實驗證明，采用變頻器有如下優越性：

(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，再經過一段時間加速至設定頻率，不會對電網造成沖擊。

（2）電機轉速的改變是由改變變頻器輸出頻率來實現的。變頻器的輸出頻率可方便的由PLC及DA轉換器輸出的模擬量來進行控制，響應速度快。而PLC的對變頻器輸出頻率的調節是根據管網出水壓力的實際值進行控制的。壓力傳感器采集實際管網出水壓力的周期可高達幾十毫秒，數據具有實時性，達到了系統的全自動實時控制，節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水灌溉系統的要求。另外，變頻器的頻率連續可調，使水泵電機的轉速在一定范圍內隨意改變，從而水泵轉速可以快速響應管網流量變化，避免了水泵電機的頻繁啟停，節省了大量的水能和電能。

5實驗結論分析

通過實驗證明，當供水管網的工作壓力設定為025~03 MPa時，根據不同的出水流量，當采用閥門控制和轉速控制時，水泵消耗的功率如下表所示。表中顯示，在變頻調速的節能灌溉方式下，根據水泵出水流量大小可節能20%~69%，效果顯著。表兩種控制方法節能效果統計表

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節能效果/%203649576267696結語

由PLC和變頻器組成的節能灌溉系統，結構簡單，控制效果好，一次性投入成本低。可有效解決不同灌溉區所需不同灌溉用水量時水泵空載的節能問題，節能效果顯著，管網壓力穩定，經濟效益良好。另外系統采用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，減少了不穩定性。同時也避免了傳統閥門開度控制使水泵機組頻繁啟動，使電機壽命得已延長。變頻調速在節能灌溉系統的恒壓變流起到了巨大的推動作用，效果良好。利用變頻調速技術不但可以實現恒壓變流供水，還能夠實現恒流變壓供水，甚至還可以實現變流變壓的供水來滿足不同用戶需求。總之，變頻調速在農業節能灌溉中的應用是現在農業發展的一個重要研究課題。

參考文獻：

[1]武鵬林，張向東.節水灌溉系統變頻控制的節能研究與應用[J].農業工程學報，2002(4):22-25.

[2]方彥軍.樓宇集中空調變頻調節節能研究[J].自動化博覽，2000(6):5-7.

[3]張振國.變頻調速裝置在農業節水灌溉中的應用[D].太原理工大學碩士論文，2003:20-23.

[4]劉永華，陳志明.PLC及變頻調速恒壓噴灌系統的設計[J].節水灌溉，2009(1):44-45.

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