一种管道灌溉恒压监控系统的制作方法

本实用新型属于农业节水灌溉控制技术领域，尤其涉及一种管道灌溉恒压监控系统。

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。目前管道灌溉是通过控制管网压力来调节灌水均匀度，管网压力调节一般是在设计时通过管径大小进行调节压力，压力过大时在管道局部安装减压阀进行调节，这样调节压力的范围小，并且不能满足管网用水流量变化时的恒压要求。

综上所述，目前规模化灌溉管网系统的压力存在不均衡，水源不能合理分配。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种管道灌溉恒压监控系统，旨在解决规模化灌溉管网系统的压力均衡问题。通过管网中的灌溉恒压控制装置控制系统调节不同分区管网的压力以实现管网出水口中压力的平衡，通过后台监控调度系统同时管理整个管网系统，根据管网中压力的变化，后台系统自动分配水源，调节智能压力控制系统，以实现平衡整个管网压力与水源的合理分配。

本实用新型是这样实现的，一种管道灌溉恒压监控系统，所述灌溉恒压监控系统包括：

通过通信传输层与后台控制系统层连接，用于对主管网压力和分管网压力通过压力传感器进行测量，根据所得数据，由就地控制箱通过PID算法实时调节分管阀门，达到调节分管压力的现场控制层；

用于将后台控制系统层命令传达给现场控制层的通信传输层；

用于根据水源情况，用水计划和水量调配的要求，制定并执行用水计划，实时监测现场控制层的各种动作参数，将灌溉数据存入数据库为灌区以后的规划与调控提供依据；实现节水灌溉和用水调配的后台控制系统层。

进一步，所述现场控制层包括：

负责发出和接收各种运行程序指令的编程控制器PLC；

实时显示灌溉系统的各项参数及远程操控的触摸屏；

实时监测管网压力，反馈给编程控制器PLC分析处理的压力传感器；

将压力传感器的电压信号转换成数字信号的A/D转换器；

与编程控制器PLC连接，用于调节水的流速，控制平衡管道内的压力，使管道压力趋于恒定的电动调节阀门。

进一步，所述的通信层包括：

负责进行数据采集及规约转换的通信管理机；

负责局域网数据交换的网络交换机；

远距离传输数据的光纤和光电转换的光电转换器；

通信管理机将水压信号、PLC调节信号、控制信号、及各种现场信息进行规约转换，形成统一的上传规约，再通过光电转换由光纤传输到后台系统。

进一步，所述后台控制系统层包括：

接收控制计算机传输现场发送上来的数据的云端数据服务器；

用于位置信息显示、灌溉管网结构及数据显示、现场设备监控、统计报表的生成、报警及故障告警、灌溉水压曲线显示、水资源调度规划及灌溉管网拓扑控制设计、下传控制信息或设定的信息控制计算机；

用于数据存储的云端服务器；数据由后台通过互联网传输上去，这些数据根据一定的组合和排列存储在云端服务器中；

手机通过互联网从云端数据服务器中取到相应数据的手机。由手机APP的程序实施随时随地的观察与监视。

进一步，所述现场控制层连接有电源供电系统；所述电源供电系统包括现场电源装置和太阳能电源装置；所述现场电源和太阳能电源均与编程控制器PLC电源连接。

本实用新型提供的灌溉恒压控制采用了闭环控制，使设定压力根据实时压力自动调节闸门，保证了出口压力恒定。

采用了现场存储模式，避免了数据的丢失和网络原因造成压力突变与数据的漏记。

采用了一体式阀门保证了设备的安全可靠运行及长久的寿命。

采用了手机APP操作模式，使压力调节可随时随地轻松使用手机进行操作。

本实用新型通过管网中的管道灌溉恒压控制装置控制系统调节分区管网的压力以实现管网出水口中压力的平衡，通过后台监控调度系统同时管理整个管网系统，根据管网中压力的变化，后台系统自动分配水资源，调节智能压力控制系统，以实现平衡整个管网压力与水源的合理分配。

通过系统的各个分层结构实现出口压力的恒压；根据水源的情况、用水计划和水量调配组织的要求制定用水计划，并执行用水计划，调节、控制管网出口压力水量，按设定压力给末端出口供水；实时监测系统的各种动作及参数；将灌溉数据存入数据库为灌区以后的规划及计划提供依据；实现了用户管理及用水收费。

本实用新型现场控制层通过接收工业自动化控制系统的信号来驱动阀门改变阀芯和阀座之间的截面积大小控制管道介质的流量、压力等工艺参数。实现自动化调节功能。

本实用新型的电源供电系统；根据现场实际情况，能提供电源的就选现场电源，无法提供电源的，提供电太能电源为现场设备供电。

本实用新型根据现场不同环境，可根据实际情况采用不同的通信方式，比如GPRS通信、数传电台通信、专用光纤网络通信、无线网络覆盖式通信等通信方式，根据现场情况与投资情况选择不同的网络通信方式。

本实用新型的智能手机APP软件控制：通过手机APP软件可以随时随地对灌溉恒压控制装置控制系统进行压力的设定，用水开启与关闭管理，如果增加流量计可对出水口进行管理和流量计量，实现出水口水量收费系统。

本实用新型的实时监控子系统、历史查询子系统、管网压力平衡系统用户管理及收费子系统都是在后台软件的基础平台上实现。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的管道灌溉恒压监控系统示意图。

图2是本实用新型实施例提供的现场控制层结构示意图。

图中：1、现场控制层；1-1、编程控制器PLC；1-2、触摸屏；1-3、压力传感器；1-4、A/D转换器；1-5、电动调节阀门；2、通信传输层；3、后台控制系统层；4、太阳能电源装置。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

下面结合附图对本实用新型的结构作详细描述。

如图1所示，本实用新型实施例提供的灌溉恒压监控系统，所述管道灌溉恒压监控系统包括：

通过通信传输层与后台控制系统层连接，用于对主管网压力和分管网压力通过压力传感器进行测量，根据所得数据，由就地控制箱通过PID算法实时调节分管阀门，达到调节分管压力的现场控制层1；

用于将后台控制系统层命令传达给现场控制层的通信传输层2；

用于根据水源情况，用水计划和水量调配的要求，制定并执行用水计划，实时监测现场控制层的各种动作参数，将灌溉数据存入数据库为灌区以后的规划与调控提供依据；实现节水灌溉和用水调配的后台控制系统层3。

进一步，所述现场控制层包括：

负责发出和接收各种运行程序指令的编程控制器PLC 1-1；

实时显示灌溉系统的各项参数及远程操控的触摸屏1-2；

实时监测管网压力，反馈给编程控制器PLC分析处理的压力传感器1-3；

将压力传感器的电压信号转换成数字信号的A/D转换器1-4；

与编程控制器PLC连接，用于调节水的流速，控制平衡管道内的压力，使管道压力趋于恒定的电动调节阀门1-5。

进一步，通信层由网络交换机、通信管理机、光纤及转换器构成。

进一步，后台控制系统层由数据服务器、控制计算机、云端服务器、手机构成。

所述现场控制层连接有电源供电系统；所述电源供电系统包括现场电源装置和太阳能电源装置4；所述现场电源和太阳能电源装置均与编程控制器PLC电源连接。

下面结合附图及具体实施例对本实用新型的结构作进一步描述。

管道灌溉恒压控制装置系统功能：

为了实现管道灌溉恒压控制装置控制，系统必须具备以下主要功能：

1、数据采集功能：可接收传感器采集的模拟量。通过A/D转换为数字信号。

控制功能主要包括：①自动控制功能：主控制系统将通过程序将传感器检测的信号与预先设定的标准信号范围值相比较，然后根据实际情况，进行PDI闭环控制自动调节阀门开度，实现恒压供水。②定时控制功能：系统可对电动阀设定开、关时间，当管道的信号值达到设定值时，阀门自动关闭。

2、系统功能：

将充分发挥现有的设备作用，优化调度，提高效益。

通过自动控制技术的应用，实现下有压力恒定输出。

数据处理能力强，响应速度快。

系统维护能力强，减轻用户负担。

开放式系统设计，软硬件均可升级。

实现遥测系统设备监控管理功能。

下面结合工作原理对本实用新型的结构作进一步描述。

主机系统根据已运行数据库数据分析计算，通过通信层向各子系统下达管网压力调控命令，由各子系统自行调节符合主站系统下达的命令。子系统根据主机所下达的命令，对主管网压力和分管网压力通过压力传感器进行测量，根据所得数据，由就地控制箱通过PID算法实时调节分管阀门，以达到调节分管压力的目的。

下游管道系统放水时，压力传感器采集到的信号，通过A/D模块转换，将标准的电压模拟信号转换为数字信号，输入到可编程控制器，经过数据处理后，通过通信模块上传至触摸屏进行显示、处理及存储，系统根据实时采集并接收的数据与系统的设定值进行比较判断，采用PID闭环控制算法,将信号传给电动阀门，阀门根据具体的信号值，相应的调节电动机的正反转，控制阀门的开启度，实现阀门出口的恒压供水。在压力变化的情况下保证阀门后的压力是恒定在一定范围内。

PID闭环控制算法：

系统由PID控制器和被控对象组成。

下列等式显示PID算法输出：

其中：

y(t)＝PID输出

Kp＝比例增益

Tn＝积分时间

Tv＝微分时间

Td＝微分的过滤器时间

e(t)＝设置点和反馈值之间的处理误差。

在PID调节系统中，比例调节它具有反应快、无滞的的特点，能及时克服扰动干扰，使被控参数稳定在给定值附近。但比例控制不能消除稳态误差，当Kp过大时会应引起系统不稳定。积分控制的使用是只要系统存在偏差，积分控制作用就不断地积累，输出控制量消除偏差，因此，只要有足够的时间，积分作用将能完全消除误差，但积分调节动作缓慢，其调节作用总是滞后于偏差信号的变化。而且当积分作用太强时，会使系统超调加大，甚至使系统出现震荡。微分控制可以减少超调量，使系统稳定性提高。它能反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号变得不很大之前，在系统中引入一个有效超前修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。

如图2所示，本实用新型实施例提供的现场控制层结构示意图。

主要有硬件部分和软件部分组成。

硬件部分——可编程控制器(PLC)、触摸屏(HMI)、压力传感器、A/D转换器、电动调节阀门等。

编程控制器(PLC)1-1：负责发出和接收各种运行程序指令，是整个控制系统的中枢部分。

触摸屏(HMI)1-2:人机友好界面。实时显示灌溉系统的各项参数及远程操控设备等。

压力传感器1-3：实时监测管网压力，反馈给处理器分析处理。

A/D转换器1-4：可编程器对所以需将传感器的电压信号转换成数字信号。

电动调节阀门1-5：通过调节水的流速，控制平衡管道内的压力，使管道压力趋于恒定。

软件部分—软件作为与硬件重要的结合部分，其重要性不言而喻，软件可以实现对应要求所需的功能。传感器将采集的信号送入到可编程控制器控，经过数据处理后，通过通讯系统上传至主控系统中心进行显示、处理及存储。系统根据实时采集并接收的数据与系统的设定值进行比较判断，来控制电动调节阀的开启和延续时间的长短、实时智能控制。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。