CN107288898A - 恒流变频喷灌系统 - Google Patents

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郭维华
卢健
潘小保
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Abstract

本发明公开了一种恒流变频喷灌系统，包括控制系统和喷灌系统，所述控制系统包括计算机、PLC可编程控制器和变频器，所述喷灌系统包括电机、编码器、水泵、流量计、管路和喷头；PLC可编程控制器，通过改变变频器的供电频率，调整电机转速，从而实现水泵出水流量的恒定和远近轮灌组支管压力的自动调节。发明在同时工作的喷灌喷头个数保持不变的情况下，通过调节水泵转速，保证水泵出水流量恒定，从而实现无论距离水泵远近，喷出的流量恒定不变，实现了轮灌组支管压力和喷头压力的自动调节，提高了喷灌的灌水质量。

Description

恒流变频喷灌系统
技术领域
本发明涉及一种恒流变频喷灌系统，属于农业灌溉技术领域。
背景技术
随着我国水资源的日趋紧张，具有节水、操作便利等优点的喷灌技术应用越来越广泛。目前，我国多采用的恒压变频喷灌系统，是将PLC编程控制器与压力传感器相连接，通过PLC编程控制保持水泵出水压力恒定。该系统的缺点是：由于各喷灌支管距离水泵的远近不同，管路水力损失各异，导致在运行时远离水泵的支管进口处压力低，靠近水泵支管进口处压力高。因此，水泵出口压力恒定而各支管的压力不同，从而不同支管运行时，其上的喷头工作压力有差别，影响了喷灌的灌水质量。在实践中，为了保证各支管压力差别不至于过大，往往要控制喷灌系统的规模，限制干管、分干管的长度。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种恒流变频喷灌系统。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的恒流变频喷灌系统，包括控制系统和喷灌系统，所述控制系统包括计算机、PLC可编程控制器和变频器，所述喷灌系统包括电机、编码器、水泵、流量计、管路和喷头；所述电机的输出轴与水泵及编码器联接。
根据管流伯努利方程：
(1-1)
式中： ρ为水密度；Z 0 为水泵出口处的位置水头；P 0 为水泵出口处的动水压强；V 0 为水泵出口处的流速；Z i 为任一支管进口处的位置水头；P i 为任一支管进口处的动水压强；V i 为任一支管进口处的流速；h L 为流量计到任一支管进口处的沿程水头损失。
由于管道铺设的坡度一般接近水平，故上式中Z i =Z 0 ；水泵出口压力恒定，即P 0 不变；在同时工作喷头个数保持不变的情况下，V 0 =V i ；沿程水头损失h L 计算采用下式计算：
(1-2)
式中：D为管径；A为管道截面积；S为管路的阻力参数。
在同时工作喷头个数保持不变的情况下，只与所选择的轮灌组(即相应支管)距离流量计的距离L呈正比。综上，灌溉越远的轮灌组(即相应支管)时， h L 越大，故相应支管进口的压力越小。
水泵工作点的调节见图3，当灌溉第一支管时，水泵工作点为A，对应的转速为n，水泵出水流量为Q A ；当灌溉第i个支管i时，h L 增大，水泵装置需要扬程曲线发生变化，此时水泵工作点变为B，流量计测出的出水流量变小；由PLC可编程控制器通过变频器增大电机转速，进而改变水泵流量扬程曲线，将水泵工作点变为C，对应的转速为n’，流量仍为Q A 不变。且水泵增加的扬程即为因轮灌组改变而增加的水头损失。从而实现了水泵出水流量的恒定和远近轮灌组压力的自动调节。
具体地，所述PLC可编程控制器与计算机的通讯端口双向通信电连接；计算机具有主程序和子程序，主程序负责完成和控制子程序的调用，进行水泵的开启与关闭以及变频器的变频控制，子程序负责完成上下位机的通信；中断程序负责完成上位机的指令和来自流量计以及变频器的频率、电流监测数据的接收和发送。
具体地，流量计的输出端与PLC可编程控制器相应的信号输入端口电连接。在系统运行时，通过对比流量计监测数值与初设流量值是否相符，如若不符，可进行调节，以达到恒流的目的。
作为优选，当运行中的喷灌系统遇阻塞，流量小于q时，计算机程序立即识别报警，并停止水泵运行，以防爆管，这样既能保证系统安全运行，又能实现省时、省力、省工的目的。
使用时，变频器控制端与PLC可编程控制器相应的输出端口电连接，在系统运行时，主要用于调节电源的供电频率。电机的电源端与变频器的输出端口双向通信电连接，编码器的输出端与PLC可编程控制器相应的信号输入端口电连接。在系统运行时，变频器的供电频率改变，电机的转速就会随之改变。水泵与电机传动连接，在系统运行时，电机的转速改变后，能够改变水泵的工作点，从而调节水泵的流量。
有益效果：本发明能保持系统流量恒定，即在同时工作的喷灌喷头个数保持不变的情况下，通过调节水泵转速，保证水泵出水流量恒定，从而实现无论距离水泵远近，系统的出流量恒定不变，实现了轮灌组支管压力和喷头压力的自动调节，提高了喷灌的灌水质量。
除以上所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点做更为清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在其基础上未经创造性劳动所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
附图说明
图1是本发明的实施例的系统架构图；
图2是图1的使用状态图；
图3水泵工作点的调节曲线图。
具体实施方式
本实施例的喷灌变频控制系统如图1所示，由终端控制用的计算机1、PLC可编程控制器2、变频器3、电机4、水泵5、设置在电机4上的编码器41、设置在喷灌系统前的流量计6、报警器7等组成，当运行中的喷灌系统遇阻塞(即流量小于设定的下限)时，计算机程序能立即识别报警，并停止运行水泵，以防爆管。
PLC可编程控制器2通过其通信端口与计算机1的通信端口双向电连接；变频器3的控制端与PLC可编程控制器2的相应的输出端口电连接；变频器3的输出端口与电机4的电源端电连接；流量计6的输出端和编码器41的输出端分别与PLC可编程控制器2的相应的信号输入端口电连接；报警器与计算机通信电连接。
计算机1设置在控制室内，可以同时与多台PLC可编程控制器2通信连接并对其实施管理和控制。计算机1通过PLC可编程控制器2对整个系统进行监视，对各种实时状态进行记录、存储，并且能对各个参数进行设定，如流量，灌水量或灌水时间等。计算机1的监控程序可通过VB6.0编写，能够很好地与PLC进行通信。
PLC可编程控制器2能实时接收流量计传回的流量数据，进行采集、运算、处理，并传输给终端控制计算机1，同时能对执行装置即变频器3进行控制。
变频器3要有连续变化的频率，使电机从0到额定转速范围内任意改变。根据灌区的需要，变频器3接受PLC可编程控制器2发出的指令，实施对电机4的变频调节以改变电机4的转速，从而调整水泵5的出水流量，使电机的转速适应喷灌系统流量恒定的需求，能有效避免因电机的频繁启动带来大量的水和能源的浪费。
电机4与水泵5传动连接，带动水泵5工作。水泵5与喷灌系统机械连接，将水泵5所抽起的水送到后续的喷灌系统。
流量计 6能实时监测喷灌系统首部的流量信号，并把流量信号转换为电信号传输到PLC可编程控制器2，PLC可编程控制器2对管道流量测量值与内置的设定值进行比较处理后，PLC可编程控制器2通过模拟口输出调节信号给变频器3，由变频器3实施相应的变频以控制电机4的转速，实现自动调节供水量的大小。
喷灌系统如图2所示，包括：水泵、闸阀、过滤器、流量计、各级支管及下级管路和喷头等。在恒压变频喷灌系统中，灌溉不同轮灌组(即相应支管)时，由于各喷灌支管距离水泵的远近不同，各支管的压力不同，通过控制水泵工作点实现流量恒定。
水泵工作点的调节见图3，假设灌溉轮灌组1(即支管1)时，水泵工作点为A，对应的转速为n，水泵出水流量为Q A 。当灌溉任一轮灌组i(即支管i)时，h L 增大，水泵装置需要扬程曲线发生变化，此时水泵工作点变为B，流量计测出的出水流量变小。欲实现恒流，只需PLC可编程控制器，通过变频器增大电机转速，即改变水泵流量扬程曲线，将水泵工作点变为C，对应的转速为n’，流量仍为Q A 不变，且水泵增加的扬程即为因轮灌组改变而增加的水头损失。从而实现了水泵出水流量的恒定和远近轮灌组压力的自动调节。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种恒流变频喷灌系统，其特征在于：包括控制系统和喷灌系统，所述控制系统包括计算机、PLC可编程控制器和变频器，所述喷灌系统包括电机、编码器、水泵、流量计、管路和喷头；所述电机的输出轴与水泵及编码器联接；
当灌溉第一支管时，水泵工作点为A，对应的转速为n，水泵出水流量为Q A ；当灌溉第i个支管时，h L 增大，水泵装置需要扬程曲线发生变化，此时水泵工作点变为B，流量计测出的出水流量变小；由PLC可编程控制器通过变频器增大电机转速，进而改变水泵流量扬程曲线，将水泵工作点变为C，对应的转速为n’，流量仍为Q A 不变。
2.根据权利要求1所述的恒流变频喷灌系统，其特征在于：所述PLC可编程控制器与计算机的通讯端口双向通信电连接。
3.根据权利要求1所述的恒流变频喷灌系统，其特征在于：所述计算机具有主程序和子程序，主程序负责完成和控制子程序的调用，进行水泵的开启与关闭以及变频器的变频控制，子程序负责完成上下位机的通信；中断程序负责完成上位机的指令和来自流量计以及变频器的频率、电流监测数据的接收和发送。
4.根据权利要求1所述的恒流变频喷灌系统，其特征在于：流量计的输出端与PLC可编程控制器相应的信号输入端口电连接；系统运行时对比流量计监测数值与初设流量值是否相符，如不符则进行调节。
5.根据权利要求1所述的恒流变频喷灌系统，其特征在于：所述控制系统还包括报警器，当运行中的喷灌系统遇阻塞，流量小于预设值时，计算机程序立即识别报警，并停止水泵运行。
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