新疆棉田滴灌供水系统自动化节水管理设计概述

0 引言

目前，滴灌带主管道畜水池的供水系统均采用传统的软启动器控制，滴灌带主管道的水压与流量随农田用水量的多少而增减，没有进行主动的自动控制调节，导致了在用水量高峰期滴灌带主管道水压力不足，棉田供水量减少，无法满足农户用水要求; 在用水量较低时，滴灌带主管道水压力过高，使棉田滴灌带内水压过高，浪费了过多的用水。
因此，设计一种自动化节水控制系统可自动调整滴灌带主管道的水压与流量，满足棉田用水的要求，同时可以节约水能，具有较高的应用价值。针对新疆棉田蓄水系统的利用现状，基于 PLC 技术，结合棉田供水需求，设计了一种自动化节水控制，对供水系统进行水压的自动化调节，以适用棉田不同用水模式的要求。

1 系统的组成
根据新疆棉花种植特点，在每年的棉田头水到冬灌水期间，蓄水池出水管道内必须保持一定的供水量，以保证大面积的棉田滴灌带主管道的供水压力。在供水量高峰期间，主管道内必须保持较高的供水压力，蓄水池主水泵电机需高速运转; 在供水量低峰期间，蓄水池主水泵电机可低速运转，平衡供水系统压力，实现棉田的节能供水。根据设计要求，设计一种根据棉田用水量自动调节供水压力的控制系统，具体的设计示意图如图 1 所示。图 1 中，供水系统主管道的流量阀向 PLC 控制系统输入供水流量信号，滴灌带主管道上设置了供水压力信号，综合供水流量和供水压力，对水泵主电机转速进行自动调节; 畜水池内部水位信号与蓄水池压力信号也分别接入控制系统，通过 PLC 程序连锁控制水泵的启停。

根据棉田滴灌带供水压力自动控制的要求，设计供水压力自动化控制系统框图如图 2 所示。图 2 中，PLC 控制中心是系统的核心单元。通过对压力值的检测，建立 PLC 自动控制模型; 根据自动控制模型设计 PLC 程序，设定变频器参数; 自动化控制中心主要进行软件与硬件接口数据处理，发送控制命令，同时接收压力检测数据; 变频器转速控制单元主要根据上位机的控制字指令，输出对应的频率与电机转速; 通过终端设备的数据反馈，同时把各种信号进行显示和报警。


2 核心部件的设计

2． 1 电气主回路的设计
根据新疆棉田滴灌带节水控制方案，水泵电机选用两台 Y 系列三相交流异步电动机，电机功率均为35kW，采用一用一备配置，可进行变频转速控制。电机采用变频控制方案，变频器选用西门子公司生产的国产70SE35 型变频器，选用 40kW 变频器，变频器设置为矢量控制。具体的主回路原理如图 3 所示。

图3 中: QF1 为空气开关; 变频器的控制端子排S1、S2、S3、S4 接 PLC － 200 的输出口 DO 信号，变频器内部参数设置为端子排控制方案，通过 S1、S2、S3 给定信号的通断组合可进行 9 种不同的电机转速选择;S4 设计为变频器的起停控制端口; 同时，为了水泵电机的反转，变频器内部设置禁止反转功能。

2． 2 自动化控制电路的设计
根据 PLC 具有可靠性高、抗干扰能力强等特点，棉田节水自动化控制系统采用小型 PLC －200 进行控制。根据控制要求，PLC 采用西门子公司的小型 PLC－ 200 可编程控制器，型号为 226 － 2BD23 － 0XB8。表1 所示为 I/O 地址分配表。设计中，PLC －200 主要负责接收控制信号与压力信号，控制信号接入 PLC－ 200 输入模块 DI，通过 PLC 内部程序控制后，输出对应的数字信号至 DO 模块; DO 模块与变频器控制端子排 S1、S2、S3 和 S4，可以更好地实现多段转速的控制功能。具体原理图如图4 所示。



3 系统软件的设计

系统软件程序采用 SIEMENS 公司提供的 STEP7－ MicroWIN 软件进行编制。STEP7 － MicroWIN 主要是针对小型 PLC 系统的一种可逻辑编程软件，带有仿真功能，可进行程序的调试与控制，目前在农业机械上应用较少。根据硬件系统的设计原理与自动控制方法，采用模块化编程，实现供水系统手动与自动控制功能的转换。手动控制用于水泵电机的备用系统与检修时，自动控制系统主要根据供水管道内流量与压力的变化，PLC 输入单元通过采样压力信号与流量信号，对两种信号的变化值进行比较，输出一个基于压力与流量 PID 自动控制的水泵电机转速控制信号至变频器，变频器根据转速信号启动电机的运行。具体的软件流程图如图 5 所示。

4 自动化节水控制系统的调试与运行试验

根据设计要求，利用 PLC 控制技术，对塔里木大学棉花试验田的供水控制系统进行升级改造，通过对改造后的蓄水池自动化节水控制系统的调试与运行试验，以验证设计的效果。

4． 1 试验方案
1) 试验前，利用 STEP7 4． 0 自带的程序仿真功能，将自动化节水控制系统进行仿真，确保软件的可靠性; 通过对 PLC 的输入信号与输出信号进行调试，确保 PLC 硬件系统的可靠运行。
2) 试验前，对试验田供水管道安装好压力传感器，将传感器信号输入至 PLC 控制系统。
3) 主水泵电机调试运行启动前，对变频器主接线进行检查，确定变频器 Ｒ、S、T 与 U、V、W 接线端子接线正常，同时设置好变频器参数; 将水泵电机转速信号反馈至 PLC 系统进行显示，试验时根据不同的供水压力信号记录压力值的变化。
4) 试验时，记录棉田供水管道的压力及流量变化，同时记录蓄水池出口管道的压力与流量数据。


4． 2 试验结果与分析
通过对蓄水系统自动化节水控制系统的调试与运行试验，得到如表2 所示的试验田供水管道压力与流量变化值。表2 的结果显示: 水泵电机的转速变化根据供水管道与管道流量进行控制，控制效果明显;当供水管道压力为 0．11MPa 时，PLC 控制系统输出为管道水压低信号，电机转速随着提升，使水泵进行增压，直至供水管道内水压达到正常值; 当供水管道压力为0．32MPa 时，PLC 控制系统输出为管道水压高信号，电机转速随着降低，使水泵输出水压减小，直至供水管道内水压回到正常值。通过自动控制，使水泵电机运行在合适的转速范围内，且供水压力达到平衡。通过调试运行实现蓄水池供水自动控制系统后，记录经自动化升级改造后的蓄水池供水控制系统投入使用后的用水量变化情况。选取以 1h 为记录单位，记录自动化供水后的用水量变化情况如图 6 所示。与改造前相比，改造前 10h 的用水量为 162． 1km3，改造后的用水量明显减小，为 124． 2km3，10h 共节约37． 9km3的用水量，具有明显的节水效果。

通过调试运行实现畜水池供水自动控制系统后，记录经自动化升级改造后的畜水池供水控制系统投入使用后的耗电量变化情况。选取以 1h 为记录单位，记录自动化供水后的耗电量变化情况如图 7 所示。与改造前相比，改造前 10h 耗电量为 182． 19kW·h，改造后的耗电量明显减小，为 125． 11kW·h，10h共节约57．08kW·h 的电量，具有明显的节能效果。


5 结论
1) 通过对蓄水系统自动化节水控制系统的调试与运行试验，控制系统可根据供水管道的压力与流量自动调节水泵电机的转速，实现了在供水压力不足时增压控制、供水压力过高时均衡控制的效果。
2) 通过对蓄水池供水自动化控制系统的节能对比试验，结果表明: 与常规控制方式相比，自动化节水控制系统前10h 的耗电量为 182．19kW·h，耗电量明显减小，为125．11kW·h，10h 共节约57．08kW·h 的电量，具有明显的节能效果。
参考文献（略）