基于電力載波的指針式灌溉機(jī)行程自控系統(tǒng)的研制

戎 娜 梅建虎

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽合肥 230036；安徽銅陵市國(guó)家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)，安徽銅陵 244000）

1 引言

指針式噴灌機(jī)運(yùn)行過(guò)程中不需要導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，取水點(diǎn)固定，在農(nóng)業(yè)規(guī)模化經(jīng)營(yíng)［1］、提高農(nóng)業(yè)灌溉用水效率［2］和促進(jìn)水肥一體化［3］的多重背景下，有著廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)［4］。但該設(shè)備作業(yè)區(qū)域通常呈圓形，要求在作業(yè)區(qū)域內(nèi)的土地狀況一致，作物種植類型和種植時(shí)間盡量一致。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，用戶通常會(huì)分區(qū)域進(jìn)行分期、分類型種植，要求灌溉機(jī)必須能提供行程控制以達(dá)到分區(qū)域灌溉的功能。應(yīng)銅陵國(guó)家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)的項(xiàng)目要求，依托該公司指針式灌溉機(jī)現(xiàn)有硬件資源，選擇在灌溉機(jī)末端安裝限位裝置開關(guān)，并采集信息傳至首部供其控制決策。論文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了1種基于電力載波通信的行程控制技術(shù)解決方案。

2 行程控制

程開關(guān)就會(huì)觸發(fā)閉合，采集端發(fā)送信號(hào)至載波模塊，控制端通過(guò)電力線接受到該信號(hào)，控制三相電機(jī)停轉(zhuǎn)且水泵停止送水，待設(shè)定時(shí)間到達(dá)后再繼續(xù)反向運(yùn)動(dòng)。如此反復(fù)，當(dāng)灌溉往返次數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)停止?jié)补唷?/p>

圖1 指針式灌溉機(jī)系統(tǒng)行程控制示意

2.1 工作原理 如圖1所示，在系統(tǒng)控制端（左側(cè)中心支軸附近），控制對(duì)象是水泵和三相交流電機(jī)；在采集端（右側(cè)塔車輪附近）監(jiān)測(cè)對(duì)象是行程開關(guān)觸碰行程觸發(fā)樁所產(chǎn)生的信息。當(dāng)灌溉機(jī)輔助設(shè)備碰觸到限位裝置時(shí)，行

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 如圖2所示，系統(tǒng)引入電力載波模塊和微處理器，利用現(xiàn)有的110V電力線作為通訊線，在末端感知限位信息，并把信息狀態(tài)傳輸至首端，首部微處理器根據(jù)處理結(jié)果，發(fā)出相關(guān)控制指令，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)向或系統(tǒng)制停。

圖2 自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 電力載波模塊 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)，系統(tǒng)選用的是BWP11B型電力線調(diào)制解調(diào)器（圖3）。

圖3 BWP11B嵌入式電力線調(diào)制解調(diào)器

3.2 行程開關(guān)輸入電路 行程開關(guān)狀態(tài)檢測(cè)電路是本灌溉控制系統(tǒng)的重要輸入電路，考慮到控制系統(tǒng)工作在室外環(huán)境，輸入電路采用光耦隔離，提高外部開關(guān)輸入量抗干擾能力。光耦使用TLP52-4四路開關(guān)輸入量，實(shí)際使用中只需要兩路，余下兩路作為后期的升級(jí)使用（圖4）。

圖4 開關(guān)量輸入電哭（左）TLP521-4內(nèi)部結(jié)構(gòu)（右）

3.3 繼電器電路 繼電器在本設(shè)計(jì)中為控制和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在硬件設(shè)計(jì)中為防止上電后誤動(dòng)作，選用了低電平控制繼電器，并且采用雙三極管反相式設(shè)計(jì)，進(jìn)一步放大電流，驅(qū)動(dòng)繼電器。末端控制電路板的四組繼電器驅(qū)動(dòng)電路均相同，圖5為其中1組繼電器的驅(qū)動(dòng)電路原理圖。

圖5 繼電哭控制電器

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)軟件是在KEIL C51開發(fā)環(huán)境下使用C語(yǔ)言編寫，限位開關(guān)信息采集和首部控制程序流程圖如圖6所示。

圖6 工作流程

5 測(cè)試與結(jié)果

測(cè)試中，末端行程開關(guān)連接到圖7（b）指定的輸入端口，電力載波模塊連接110V交流電力線；首端控制器的載波模塊連接110V電力線，繼電器輸出接口連接原有的380V交流接觸器控制線圈，控制器輸入接口連接原控制箱的相接正反轉(zhuǎn)及制停接口。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

測(cè)試時(shí)模擬農(nóng)田真實(shí)灌溉過(guò)程，開機(jī)設(shè)置灌溉機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，相應(yīng)交流接觸器吸合，三相電機(jī)帶動(dòng)輪胎按照設(shè)定方向行走，當(dāng)?shù)竭_(dá)限位樁時(shí)，行程開關(guān)被觸發(fā)，信號(hào)通過(guò)電力線傳輸?shù)绞锥丝刂葡?，吸合另一組交流接觸器，改變?nèi)嘞嘈蚴闺姍C(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)。同理到達(dá)另一邊時(shí)再次返回。此外，末端行程開關(guān)在手動(dòng)條件下也具有對(duì)灌溉機(jī)運(yùn)行方向的控制功能；首部控制器在灌溉機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行制停操作。

6 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試結(jié)果看，方案設(shè)計(jì)功能已全部實(shí)現(xiàn)，設(shè)備運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性良好，其他問(wèn)題有待長(zhǎng)期待機(jī)測(cè)試。本次設(shè)計(jì)方案中的輸出輸入接口為設(shè)備根據(jù)需求升級(jí)成定時(shí)、定量灌溉控制工作預(yù)留了空間。本系統(tǒng)為灌溉機(jī)智能化提供了1種硬件基礎(chǔ)。