一种变频调速分级分区恒压灌溉自动控制系统的制作方法

本实用新型属于节水灌溉技术领域，尤其涉及一种变频调速分级分区恒压灌溉自动控制系统。

背景技术：

目前，喷微灌(喷灌和微灌)是目前世界上应用最广泛的节水灌溉工程技术之一，具有节水、增产、节地、适应性强等优点，并向着低能耗、精准灌溉、自动化控制、多目标利用等方向发展。据统计截止2014年底，我国节水灌溉工程总面积为2901.9万hm²，其中喷微灌面积为784.4万hm²，占总节水灌溉工程面积的27％。灌水均匀度是喷微灌工程设计中衡量灌水质量的一个重要参数，对灌溉作物增产及节水效果具有重要的影响。利用机电泵加压条件下的管道式喷微灌系统，当管网布置及灌水器确定后，管网系统的压力变化是影响灌水均匀度的关键因素。但是，水泵电机通常是利用工频电源(50Hz)作恒速运转，水泵的运行特性不能适应田间管网流量和压力的变化，当控制灌溉面积较大或地形高差变化较大时，采用调压罐、调压阀等传统的控制调节措施均有一定的局限性，很难满足灌水均匀度的要求。因而有必要进行变频调速分级恒压灌溉自动控制系统的研究。

变频调速技术是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系，通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的，在电机调速控制方面以得到广泛应用。B Hanson等(1996)和Charles等(2008)进行了利用变频器调节水泵电机转速来改变输出流量和压力的研究，刘等(2009)进行了PLC及变频调速恒压喷灌技术的研究,李等(2015)提出了一种基于PLC的微灌变频控制系统的设计方法。但是，针对灌溉面积较大或地形坡度较大的喷微灌系统，使用一个恒定的管网压力也不能满足整块田地的灌水均匀度要求，如何根据灌溉分区进行分级恒压灌溉仍须进一步研究。

综上所述，目前的灌溉控制系统不能通过变频调速技术和自动化技术相结合，不能根据灌溉分区预先设定的压力控制值自动进行压力等级切换，实现分区分级恒压自动供水灌溉，以满足灌水均匀度要求和提高喷微灌系统的灌水质量。

技术实现要素：

本实用新型为解决目前的管道灌溉控制系统不能通过变频调速技术实现分区分级恒压灌溉，不能根据灌溉分区预先设定的压力控制值自动进行压力等级切换，实现分区分级恒压自动供水灌溉，以满足灌水均匀度要求和提高喷微灌系统的灌水质量的问题而提供一种变频调速分级分区恒压灌溉自动控制系统。

本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

一种变频调速分级分区恒压灌溉自动控制系统，所述变频调速分级分区恒压灌溉自动控制系统包括：

与远传压力表连接，用于获取不同灌溉分区的灌溉压力信息的管网压力控制点；

与变频器信号连接，用于检测管网压力控制点的压力，并转换成电信号，反馈给变频器的远传压力表；

与可编程控制器信号连接，通过内含的PID控制器将远传压力表反馈的压力信号与灌溉分区给定压力信号相比较，经调节后得到频率给定信号，控制水泵的转速和流量，实现管网压力控制点管网流量变化时，控制点的压力恒定不变的变频器；

与变频器连接，用于接收变频器的PID控制器将不同压力等级的压力上下限控制信息，按照设定的灌溉分区和压力等级要求进行自动控制供水灌溉的可编程控制器；

与变频器连接，用于控制水泵转速的控制电路；

与可编程控制器信号连接，用于按照设定的灌溉分区和压力等级要求，自动进行压力等级切换的压力转换电路；

与可编程控制器信号连接的可编程时控开关。

进一步，所述变频调速分级分区恒压灌溉自动控制系统还包括：与可编程控制器信号连接，同时与水泵连接，用于控制水流量的电磁阀系统；所述水泵为一台或多台；所述电磁阀系统设置有并联的多个电磁阀。

进一步，所述变频调速分级分区恒压灌溉自动控制系统还包括：与可编程控制器信号连接，同时与控制电路连接，用于调节水泵手动/自动运行状态的手动/自动转换电路。

本实用新型的另一目的在于提供一种利用上述的变频调速分级分区恒压灌溉自动控制系统的果树滴灌控制系统。

本实用新型的另一目的在于提供一种利用上述的变频调速分级分区恒压灌溉自动控制系统的小麦田喷灌控制系统。

本实用新型具有的优点和积极效果是：传统的喷微灌工程中，一般轮灌组是按照水泵额定流量的大小进行划分，当灌溉面积较大或地形高差变化较大时，很难满足灌溉均匀度的要求。本实用新型采用变频调速分级恒压供水控制系统，轮灌组可根据灌溉田块大小和地形并根据灌溉分区预先设定的压力控制值自动进行压力等级切换，并且可以将灌溉系统划分成若干个灌溉分区，使规划设计更加灵活，实现分区分级恒压自动供水灌溉，并能保证灌水均匀度和灌水质量要求,运行管理也更方便。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的变频调速分级恒压灌溉自动控制系统示意图；

图中：1、管网压力控制点；2、远传压力表；3、变频器；4、可编程控制器；5、控制电路；6、压力转换电路；7、可编程时控开关；8、电磁阀；9、手动/自动转换电路；10、水泵。

图2是本实用新型实施例提供的水泵变频调速运行时的流量Q与扬程H的关系曲线图。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

下面结合图对本实用新型的结构作详细的描述。

如图1所示，本实用新型实施例提供的变频调速分级分区恒压灌溉自动控制系统，包括：

与远传压力表连接，用于获取不同灌溉分区的灌溉压力信息的管网压力控制点1；

与变频器信号连接，用于检测管网压力控制点的压力，并转换成电信号，反馈给变频器的远传压力表2；

与可编程控制器信号连接，通过内含的PID控制器将远传压力表反馈的压力信号与灌溉分区给定压力信号相比较，经调节后得到频率给定信号，控制水泵10的转速和流量，实现管网压力控制点管网流量变化时，控制点的压力恒定不变的变频器3；

与变频器连接，用于接收变频器的PID控制器将不同压力等级的压力上下限控制信息，按照设定的灌溉分区和压力等级要求进行自动控制供水灌溉的可编程控制器4；

与变频器连接，用于控制水泵转速的控制电路5；

与可编程控制器信号连接，用于按照设定的灌溉分区和压力等级要求，自动进行压力等级切换的压力转换电路6；

与可编程控制器信号连接的可编程时控开关7。

进一步，所述变频调速分级分区恒压灌溉自动控制系统还包括：与可编程控制器信号连接，同时与水泵连接，用于控制水流量的电磁阀系统；所述水泵为一台或多台；所述电磁阀系统设置有并联的多个电磁阀8。

进一步，所述变频调速分级分区恒压灌溉自动控制系统还包括：与可编程控制器信号连接，同时与控制电路连接，用于调节水泵手动/自动运行状态的手动/自动转换电路9。

下面结合工作原理对本实用新型的结构作进一步的描述。

1、本实用新型的变频调速恒压控制原理为：

变频调速恒压供水是通过变频器调节水泵电机转速来实现恒压供水的，其恒压控制原理是由水泵特性决定的。

图2为水泵变频调速运行时的流量Q与扬程H的关系曲线图，N₁、N₂…是不同转速n₁、n₂…下的流量Q与扬程H的特性曲线。由图2可知，如果在n₁转速下，通过控制阀门等调节措施将流量从Q₁减小到Q₂，压力将沿N₁曲线由A点升高到B点，可以看出，在减少流量的同时提高了压力(H₂-H₁)。如果利用变频器调节水泵转速，当转速由n₁减少到n₂，流量就从Q₁减小到Q₂，而压力恒定不变。这种特性表明，在一定范围内，利用变频调速技术改变水泵电机转速来调节出水流量，能够保持出水压力恒定不变，实现恒压供水。如果预先设定不同的压力控制等级，即可实现分级恒压供水。

2变频调速分级恒压灌溉控制系统：

2.1系统组成

变频调速分级恒压灌溉自动控制系统由变频器(内含PID控制器)、可编程控制器(PLC)、可编程时控开关、远传压力表及相关电气控制部件组成，可同时对一台或多台三相380V、50Hz水泵电机进行自动控制，是一种具有变频调速和全自动闭环控制功能的机电一体化智能设备。该系统设计了多段压力设置转换电路，能根据灌溉分区(或灌溉方式)设定的压力要求自动进行压力等级切换，实现分级恒压自动供水灌溉，保证灌溉的均匀度，提高灌溉质量。

2.2系统工作原理：

该系统的工作原理是通过远传压力表检测管网控制点压力，并转换成电信号，反馈给PID控制器，PID控制器将压力反馈信号与压力给定信号相比较，经调节后得到频率给定信号，控制变频器的工作频率，从而控制水泵的转速和出流量，实现管网流量变化时控制点的压力恒定不变。同时，PID控制器将不同压力等级的压力上下限控制信息提供给PLC，通过多段压力设置转换电路自动进行压力等级切，按照设定的灌溉分区和压力等级要求进行自动供水灌溉。变频调速分级恒压灌溉自动控制系统的工作原理见图1。

2.3系统功能：

(1)该系统设有多段压力设置转换电路，能根据要求的灌溉分区(或灌溉方式)自动进行压力等级切换，并对电磁阀开启、关闭进行控制，进行分区分级恒压供水灌溉；

(2)该系统设有手动/自动切换电路，当切换至自动位置时，系统可根据出口压力变化，自动调节水泵的转速，以维持管网压力恒定。当变频控制电路出现故障时，可切换至手动位置，使水泵直接在工频下运行，保证正常供水；

(3)该系统能够按照设定的灌溉制度进行自动灌溉；

(4)该系统利用PLC控制水泵全循环软启动。同时具有故障显示及报警，并具有缺相、短路、过载、瞬时断电保护等电气保护功能。

2.4系统适用范围：

(1)灌溉面积较大。当喷微灌控制面积较大时，采用轮灌工作制度，往往各轮灌组要求水泵提供的流量(轮灌组面积不同)和压力(管道阻力损失不同)不同，需要采用变频调速分级恒压灌溉自动控制系统；

(2)地形高差变化大。当喷微灌控制区域的地形高差变化较大时，各灌水器要求水泵提供的压力不同，应根据设计允许压力变幅，划分灌溉分区。各灌溉分区要求水泵提供的流量(灌溉面积不同)和压力(地形高程不同)不同，需要采用变频调速分级恒压灌溉自动控制系统；

(3)一机多用。对于同一水源的灌溉区域，当采用不同的灌溉方式时，如一个水源井控制区域，果树采用滴灌，小麦田采用喷灌，要求水泵提供的流量和压力不同，需要采用变频调速分级恒压灌溉自动控制系统。

3系统分级压力等级的确定：

确定喷微灌系统分级压力等级时，首先要确定灌溉系统设计允许压力变幅，在传统喷微灌系统设计方法的基础上，将灌溉系统划分成若干个灌溉分区，要求每一灌溉分区内任意两个灌水器的工作水头差必须在系统设计允许压力变幅内，即满足下式要求

其中：h_imax为第i灌溉分区灌水器最大工作水头，m；h_imin为第i灌溉分区灌水器最小工作水头，m；h_d为灌水器设计工作水头，m。

灌溉分区确定后，需要确定管网系统的压力控制点。喷微灌工程设计中，为了管理方便，一般管网压力控制点选在管网首部枢纽处，当灌溉面积较大时，也可将压力控制点选在各个灌溉分区管网入口处。根据管网系统布置和灌水器的设计水头和流量，按照公式(2)和(3)就可以计算出各灌溉分区在压力控制点的压力等级值。

H_i＝h_d+h_ik+Z_i (2)

其中：H_i为第i灌溉分区在压力控制点的压力等级值，m；h_ik为第i灌溉分区工作时最不利灌水器到管网压力控制点的水头损失，m；Z_i为第i灌溉分区最不利灌水器与压力控制点的高差，m；K为考虑局部水头损失的扩大系数，K≥1；f_j为第j管段的摩阻系数；L_j为第j管段的长度，m；Q_ij为第i灌溉分区工作时第j管段的流量，m³/s；D_j为第i灌溉分区工作时第j管段的管径，m；m为流量指数；。

传统的喷微灌工程中，一般轮灌组是按照水泵额定流量的大小进行划分，当灌溉面积较大或地形高差变化较大时，很难满足灌溉均匀度的要求。采用变频调速分级恒压供水控制系统，轮灌组可根据灌溉田块大小和地形进行划分，并且可以将灌溉系统划分成若干个灌溉分区，使规划设计更加灵活，并能保证灌水均匀度和灌水质量要求,运行管理也更方便。

以上所述仅是对本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。