變頻恒壓灌溉控制系統設計

花元濤++喻彩麗++王興鵬

摘要：以大田常規灌溉技術為依據，利用計算機技術、變頻技術、傳感器技術、信息采集技術、無線通信技術提出了一套大田變頻恒壓灌溉自動控制系統的方法。該系統以變頻恒壓供水控制器與變頻器相結合的方式，采用“一拖三”的“變頻循環”模式對電機進行變頻調速，增加了友好的人機界面，實現了恒壓灌溉，遠程實時監控、操作、查詢等功能。該系統不僅可以做到適時適量、節水節能的合理灌溉，而且自動化程度大幅度提高、穩定性能增強，還降低了勞動成本。

關鍵詞：恒壓灌溉；變頻循環；智能控制；人機界面

中圖分類號： TP273文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）09-0172-05

水資源的短缺，已經成為制約我國農業生產的關鍵因素[1]。與其他發達國家相比，中國現代化農業建設起步晚，傳統的供水、灌溉方式相對比較落后。目前，我國田間灌溉幾乎都是根據田間農作物需水量進行人工控制閥門開度，操作中頻繁地啟停水泵電機，往往會因為電機啟動時電流過大，而導致啟動時電流過大對電網造成較大的沖擊，以及水泵電機長時間高速運轉加重磨損，降低電機壽命，電能損耗大[2-4]。同時，田間灌溉主要依據用戶經驗，自動化程度比較低，不利于資源的優化配置。在此情況下，提高灌水利用率、實現精確灌溉尤為重要。

1變頻調整及恒壓灌溉系統原理

灌水系統的控制對象一般是供水流量，轉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轉速的恒定，改變閥門開度的大小來控制灌溉。本研究的變頻恒壓調速也采用轉速控制法，通過保持閥門開度不變，調節水泵電機轉速來控制流量。

1.1變頻調速原理

三相交流異步電動機的轉差率、轉速、電源頻率、磁極對數之間具有如公式（1）的關系[5-6]：

式中：n為同步轉速，n1為轉子轉速，f為頻率，p為磁極對數，s為轉差率。

從公式（1）中可知，由于交流電機磁極對數p和交流電機轉差率s一般出廠時已經確定，不容易改變，此時交流電機轉子轉速n與電源頻率f成正比例關系，即可以連續調節供電電源的頻率從而實現連續、平滑地調節電機的同步轉速，繼而實現電機轉子的平滑調速，實現調節交流電機調速的目的[6]。

1.2變頻恒壓的節能原理

水泵電機變速運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、揚程、流量、轉速；P2、H2、Q2、N2分別為變速后的輸出功率、揚程、流量、轉速。

從公式（2）可以看出，電機消耗的功率與流量以及水泵電機轉速的立方成正比，由于田間種植作物種類不同，需水量、灌水時間等都有所不同，灌水量大時和灌水量少時的需水量差異大，如果一直保持水泵電機工頻運行，就會導致大量的能源浪費[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臺變頻器帶動1臺電機，這種方法操作起來最簡單，不需要在變頻器與電機之間進行相互切換，但費用相對較高；另一種方案是利用1臺變頻器拖動多臺電機，在電機和變頻器之間進行相互切換，也就是說變頻器控制一臺電機變頻運行時，其他電機根據需要處于停機或工頻運行狀態，本研究的恒壓灌溉系統選擇的是后者方案。

3系統的總體設計

該系統在新疆南疆農作物旱作節水項目為背景的基礎上研究設計，采用工控機、恒壓供水電腦控制器2層控制結構（圖1）。上位機人機界面負責信息查詢、監視以及遠程控制指令的下發，工控機中裝有系統自動控制程序，負責讀取傳感器、按鈕和其他開關量信號等信息，以及發出控制變頻器、電磁閥等器件的信號，并將命令寫入數據庫中，工控機實時查詢數據庫中未執行的命令，并將此信息反饋給相應的元器件，進行相應的操作。

3.1變頻恒壓灌溉系統的系統設計

該系統采用電腦控制器與變頻器相結合控制3臺水泵電機進行“一拖三”的“變頻循環方式”的模式灌溉[9-10]（圖2）。其中，監控系統一直對變頻器進行監視和控制。該灌溉系統有2種控制邏輯：手動控制、自動控制。各狀態指示燈顯示各電機的工/變頻運行、手動控制、自動控制等狀態。

3.2PID控制結構

本系統采用壓力閉環控制，將壓力傳感器接于水泵出水口處對水壓進行實時監測，然后將該值反饋到電腦控制器上，與預先設置的壓力上下限值進行比較，經過PID調節，送入變頻器，進而通過改變水泵電機的輸出電壓和頻率來改變水泵轉速，從而使管網壓力保持在預先設置的壓力范圍內，實現恒壓灌溉的目的，變頻恒壓灌溉系統的PID控制結構如圖3所示。

3.3變頻恒壓灌溉的硬件設計

為了滿足灌溉需求，系統硬件主要由研華PC-T1041Q工控機、易驅CV3100-4T變頻器、TG3000變頻供水/補水微電腦控制器、20886P5E22CM4型號壓力傳感器、Y160L-2水泵電機、JPC-3C流量計、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，它擁有自動節能運行、先進的矢量控制算法，0.75 kW至18.5 kW各種規格標準內置制動單元，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，并且在價格上也比較便宜。該系統選擇的電腦控制器是專門為變頻恒壓供水系統以及換熱系統補水而設計的，可以和各規格的變頻器結合使用，具有壓力穩定、控制精度高，系統超壓泄水自動控制，第二消防壓力（動壓）設定，可編程設定多種水泵的工作方式等多項功能，完全勝任此變頻恒壓灌溉的需求。

3.4變頻恒壓灌溉系統主電路、控制電路設計

根據變頻需求，其主、控制電路圖設計如圖4所示。該灌溉系統有2種控制邏輯，分別為自動控制和手動控制。電腦控制器上DI2是停機信號（或缺水監測），當DI2與CM2端子斷開超過2秒，恒壓供水控制器開始運行，此時進入自動灌溉模式；當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閉，也就是控制器停止運行，此時進入手動控制模式。因為此灌溉系統為“一拖三”循環軟啟動模式，所以事先把P03的參數改成P03=7，P03=7是3泵循環的軟啟動控制方式，此時系統定義G1、G2、G3是泵的工頻運行的控制端子，B1、B2、B3是泵的變頻運行的控制端子。事先設置P05參數，因為P05為欠壓加泵時間（P03=3、6、7、8、9、11時P05參數才有效），即電機切換的延時時間，并且電氣圖中的各指示燈可以直觀地顯示各運行狀態。表2、表3為電腦控器與變頻器主要參數設定，表4為TG3000電腦控制器接線端子及其功能。

3.5恒壓灌溉系統的軟件設計

該系統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環境下開發的，其開發工具為Eclipse，通過插件Windowbuilder對軟件界面進行設計。該軟件通過工控機串口與協調器通信，將傳感器的實時數據讀入并存入數據庫中，再由顯示界面將數據庫中的傳感器數據實時顯示，方便操作人員直觀監測。

當需要對電磁閥進行操作時，可以通過操作界面中的按鈕將需要控制的器件信息按數據庫格式寫入數據庫中，再由控制程序對數據庫定時查詢。當查詢到數據庫中有信息更新時，控制子程序將信息通過串口下發至協調器中，實現對電磁閥的控制。該程序還設計了報警機制，當接收數據錯誤時或者設備無法正常讀寫數據時系統將錯誤信息寫入數據庫中，通過顯示界面顯示報警信息。另外軟件還增添了對電磁閥進行監測，當電磁閥打開時間超過2 h，為防止電磁閥燒壞，程序將自動關閉電磁閥，并將關閉信息寫入數據庫中。通過顯示界面還可以實現對設備信息的增、刪、改、查等操作及歷史曲線的顯示等。上位機結構功能框如圖5所示，上位機設有上位機主程序用來控制電磁閥等器件的動作，讀取傳感器等設備信息，以及串口設備控制子模塊設計程序、設備控制指令執行子程序程序、設備查詢指令子程序，用來協調控制灌溉系統進行灌溉。

3.5.1恒壓灌溉自動控制流程

恒壓灌溉自動控制流程如圖6所示。系統先設定好管網壓力上限、下限作為基準，結合

泵出水口處壓力傳感器檢測到的管網壓力信號與TG3000變頻恒壓供水控制器組成壓力閉環控制，經過PID運算來調節系統所選的易驅變頻器的輸出電壓和頻率，并對電機工頻、變頻切換，以此來調節水泵電機的轉速以及切換電機的工頻、變頻運行狀態，如果設定的下限值大于實時數據，說明管網壓力較小，要增加變頻器的輸出頻率，提高泵的轉速，從而增加抽水速度和管網壓力，如果管網壓力達不到預先設置的壓力范圍，就將該電機切換為工頻，并且啟動另一臺電機進入變頻運行狀態，以此類推。如果設定的上限值小于實時數據，說明供水系統提供的壓力較大，要降低變頻器的輸出功率，降低泵的轉速，從而降低泵的抽水速度和管網壓力，使管網壓力保持在一定值范圍內，如管網壓力還是過大，就將此電機切換進入停機狀態并按先啟先停的原則將先開啟的工頻電機切換為變頻運行狀態[11-12]，直到管網壓力處在預先設置的范圍之內。

3.5.2系統監控界面

圖7為大田灌溉智能控制系統的主界面，通過該界面可以方便地對傳感器、流量計、電磁閥狀態等信息進行監測，并控制電磁閥等器件的啟停以及對數據的處理、存儲、查詢等操作。系統還提供了用戶登錄、灌溉策略、流量計示數、流量計歷時曲線、報警記錄、電磁閥開關控制、增刪元器件、溫度監測曲線、濕度監測曲線、光照監測曲線等界面。

4節能分析

該系統共用3臺功率為18 kW的水泵電機，若將其轉速降低為原來的3/4，其消耗的電能就變成7.59 kW，節能 57.8%；如果將其轉速降低到1/2，其消耗的電能為 2.25 kW，節能87.5%。可見，該灌溉系統的節能效果非常顯著。

5結論

本研究開發了一種變頻恒壓灌溉系統，該系統采用了變頻調速技術，可以使該灌溉系統管網水壓保持在預定設置的范圍內，從而實現恒壓灌溉的功能。根據實時采集的土壤墑情信息以及作物對灌水的需求等情況， 通過計算機管理系統管理，可以實現大田灌溉按時、按需、高精度、高效率、節水、節能。該系統還擁有簡單明了、易于操作、非常友好的人機遠程監控界面，在此界面上可以直觀地對各傳感器、流量計、電磁閥狀態等信息進行監測以及對電磁閥、變頻器等開關器件的開斷進行控制，具有實時監控、存儲、查詢等功能，自動化程度高。

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