新疆棉田蓄水系统中自动化节水控制系统研发,农业工程论文

新疆棉田蓄水系统中自动化节水控制系统研发,农业工程论文新疆是我们国家最重要的棉花生产基地，2020年棉花种植面积超过170万hm2,棉花总产量237万t.新疆棉田主要分布于塔克拉玛干等沙漠边缘，自然条件恶劣，水资源极度缺乏，属于干旱区的绿洲农业生产。新疆棉田一般采用滴灌技术进行节水灌溉，在主要的棉田生产区建立一个蓄水系统，通过增大水压的方式将农用水供往棉田滴灌带主管道。当前，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缺乏，棉田供水量减少，无法知足农户用水要求；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，浪费了太多的用水[1-2].因而，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，知足棉田用水的要求，同时能够节约水能，具有较高的应用价值。针对新疆棉田蓄水系统的利用现在状况，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形式的要求。1系统的组成根据新疆棉花种植特点[3],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，详细的设计示意图如此图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此图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应，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系列三相沟通异步电动机，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[4-5].详细的主回路原理如此图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,能够更好地实现多段转速的控制功能。详细原理图如此图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，当前在农业机械上应用较少[6].根据硬件系统的设计原理与自动控制方式方法，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拟，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[7].详细的软件流程图如此图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STEP74.0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应至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到达正常值；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，使水泵电机运行在适宜的转速范围内，且供水压力到达平衡。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此图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此图7所示。与改造前相比，改造前10h耗电量为182.19kWh,改造后的耗电量明显减小，为125.11kWh,10h共节约57.08kWh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，实现了在供水压力缺乏时增压控制、供水压力过高时平衡控制的效果。2〕通过对蓄水池供水自动化控制系统的节能比照试验，结果表示清楚：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182.19kWh,耗电量明显减小，为125.11kWh,10h共节约57.08kWh的电量，具有明显的节能效果。【图略】以下为参考文献：[1]NagleHT,IrwinJD.Cottonginefficiencymonitoringsys-tem[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,1976,23〔3〕:218-222.[2]李爱传，依淑娟，王熙。寒地水稻节水灌溉的机理与研究[J].农机化研究，2020,35〔12〕:46-49.[3]国亮。农业节水灌溉技术扩散研究[D].杨凌：西北农林科技大学，2018.[4]苏荟。新疆农业高效节水灌溉技术的选择研究[D].石河子：石河子大学，2020.[5]马淋淋，吕艳玲，杜磊。单片机