CN114568254A - 一种节水灌溉末端流量调节、测量及远程控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种节水灌溉末端流量调节、测量及远程控制装置，由灌溉首部、管网、流量调测一体装置、光伏供能装置、远程智能控制系统组成；管网的一端与灌溉首部连接，中间安装有若干流量调测一体装置，每个流量调测一体装置都配制相应的光伏供能装置和远程智能控制系统，流量调测一体装置由阀体和驱动模块组成，阀体通过开度调节流量，驱动模块由步进电机和减速器构成，驱动模块用于驱动柱塞活动调节大小，远程智能控制系统是基于python开发的远程调节阀开度决策模块，利用电脉冲计量和控制调节阀开度。该装置可监测并调控灌溉末端管道的流量，具有单双向出水形式，灵活性高，布置方式简单，运行独立稳定，可远程操作，自动化程度高。

Description

一种节水灌溉末端流量调节、测量及远程控制装置
技术领域
本发明属于农业灌溉装置技术领域，涉及一种节水灌溉末端流量调节、测量及远程控制装置。
背景技术
灌溉末端管网作为灌溉用水去往农田的最后一个系统单元，在这部分管网对管道的流量进行调控，对灌溉系统的精细化程度提升是一个关键手段。同时精准农业和智慧农业因为其节水、省工、增产、绿色、自动化程度高的优势，得到的大规模的推广。顺应此趋势，有必要对灌溉末端管网的流量远程调控管理装置进行设计开发。
当前在运行的大多数灌溉系统的流量调节手段主要包括以下手段：在泵房中调节水泵转速或布置多个水泵对系统的水压进行调控，具有一定调流效果，但系统灵活性低且成本较高；在末端管网中设置手动阀门改变灌溉支管的流量，此种方法自动化程度低、流量调节不够稳定及时。市场上常见远程电磁阀全关和全闭两种状态，不能调节流量也无法测量流量，不能满足农户对末端管网精准灌溉的需求。
因此，需要一种安装在灌溉末端管网的流量调节装置，解决灌溉系统灵活性不足的问题；开发一种流量测量和流量调控策略，实现对管道流量的精细化管理；优化远程控制方案，形成光伏供能、布设简单、运行稳定的独立远程调控模块。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题与不足本发明的目在于提供一种节水灌溉末端流量调节、测量及远程控制装置，
实现上述发明目的所采用的技术方案是：一种节水灌溉末端流量调节、测量及远程控制装置，由灌溉首部、管网、流量调测一体装置、光伏供能装置、远程智能控制系统组成；所述管网的一端与灌溉首部连接，中间安装有若干流量调测一体装置，每个流量调测一体装置都配制相应的光伏供能装置和远程智能控制系统。
进一步讲，所述灌溉首部包括水源，水泵，过滤器、压力变送器组成。
进一步讲，所述流量调测一体装置由阀体和驱动模块组成，阀体通过开度的变化调节流量，驱动模块由步进电机和减速器构成，驱动模块用于驱动柱塞活动，从而调节开度大小。
进一步讲，所述光伏供能装置用于田间调节阀驱动设备的能量供给；
进一步讲，所述远程智能控制系统是基于python开发的远程调节阀开度决策模块，利用电脉冲计量和控制调节阀开度。
进一步讲，所述阀体包括柱塞、橡胶软垫、固定螺母、进水收缩管和阀体外壳，述所柱塞上通过固定螺母固定橡胶软垫，可径向移动，调节和进水收缩管出口之间的距离，两者通过外壳固定连接；所述驱动模块包括步进电机、步进电机驱动器、减速器、联轴器、螺杆、柱塞导轨，所述机驱动器通过电信号驱动步进电机，步进电机、减速器和螺杆依次通过联轴器前后相连，螺杆和柱塞的后内螺纹螺栓连接，柱塞导轨套接在螺杆和柱塞的柱体外部。
进一步讲，所述柱塞包括迎水平面、柱体和前内螺纹和后内螺纹四部分。所述阀体包括双向出水和单向出水两种形式。
进一步讲，所述步进电机选用SUMTOR的42HS6315B4型步进电机，其步距角 1.8/步，静力矩为0.75N·m，定位力矩0.035N·m，相电压4.5V，用于系统的动力输入；步进电机驱动器选用DVS的DV542C两相数字式步进电机驱动器，可以接受485控制运行，其输入电压为24～50V，输出电流0.1～5.6A，最大可以划分一圈为25600步，用于对步进电机的动作控制；减速器选用SUMTOR的行星减速器，减速比选用一级速比3.71减速比，其额定负载4N·m，用于增大步进电机的动力输出；联轴器用于连接相邻的两个机构的主动轴和从动轴，使其同步旋转，传递运动和扭矩；螺杆材料为黄铜，导程为3mm，螺纹中距为10.4mm，螺纹牙型角为 8.13°，用于驱动柱塞径向运动；导轨用于限制柱塞的自由度，保持其径向运动。
其中减速器的减速比i可由式1计算而得，式中D为柱塞(306)迎水平面的直径，单位为cm；P为阀标准工况的最大平均压强，单位为米水柱；S为导程，单位为mm；d为螺纹中距，单位为mm；f为螺栓的摩擦系数，为无量纲数，可在螺旋副按材料查询；α为螺纹牙型角，单位为°；T电机为电机的额定定位力矩，单位为N·m，减速比i应大于等于计算值：
Figure BDA0003545470150000031
进一步讲，所述光伏供能装置包括光伏板、太阳能控制器、蓄电池。
进一步讲，所述远程智能控制系统由田间调节阀、本地PLC部分、远程管理控制部分三个部分；所述田间调节阀部分包括步进电机驱动器、无线数传电台，用于接收本地PLC发送的指令，并执行给流量调节阀，其中调节阀的开度是利用步进电机驱动器的电脉冲数进行计量的；所述本地PLC部分包括PLC、数据读写设备、主站无线数传电台、物联网网关、水泵电机的电磁继电器和压力变送器；所述远程管理控制部分，包括云端数据库、开度决策模块和电脑及手机端的控制监测模块。
进一步讲，所述其中PLC选用LK3U-64，其接口包括两个RS485接口、一个 RS232接口、开关量输入输出接口、模拟量输入输出接口，用于数据的汇集、处理和输出。
与现有技术相较，本发明的一种节水灌溉末端远程控制装置具有以下益效果：
(1)装置可监测并调控灌溉末端管道的流量，建立管道压力-调节阀开度- 灌溉支路流量之间的数学关系，以对调节阀开度和灌溉支路流量进行智能决策与监测，流量调节快速、稳定。
(2)装置具有单向出水、双向出水的两种形式，安装方式适应灌溉系统末端管网的布置形式，适合末端管网安装改造，有利于提高系统灵活性；驱动模块采用步进电机加减速器的结构，稳定精准。
(3)装置布置方式简单，田间独立阀体控制模块，配备光伏板和蓄电池，自主独立供电；采用电台与泵房进行无线通信，便于快捷安装布置；可远程操作，自动化程度高。
(4)可远程监视管理本地设备。本地数据通过4G网络与云端通信，灌溉系统控制程序运行在本地PLC中，调节阀开度运算程序运行在远程PC上，保证程序运行稳定精准，同时便于远程监视本地设备的运行状态。
附图说明
图1是灌溉系统中节水灌溉末端水量调节、测量及远程控制装置布置示意图；
图2是流量调测一体阀的结构示意图；
图3是流量调测一体阀的安装示意图；
图4是调节阀流量特性曲线及拟合曲线；
图5是节水灌溉末端水量调节、测量及远程控制装置设备连接示意图；
图6是装置控制方法流程图。
图中：1-灌溉首部、101-蓄水池、102-水泵、103-过滤器、104-压力变送器、 2-管网、3流量调测一体装置、301-步进电机、302-减速器、303-联轴器、304- 螺杆、305-柱塞导轨、306-柱塞、307-橡胶软垫、308-固定螺母、309-进水收缩管、4-光伏供能装置、5-远程智能控制系统、501-调节阀驱动部分、502本地PLC 部分、503远程管理控制部分。
具体实施方式
下面将结合发明人给出的附图和具体实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
图1是本发明灌溉系统中节水灌溉末端水量调节、测量及远程控制装置布置示意图，灌溉系统整体分为5个部分灌溉首部1，灌溉管网2，流量调测一体装置3，光伏供能装置4，远程控制装置5组成；所述管网2的一端与灌溉首部1 连接，中间安装有若干流量调测一体装置3，每个流量调测一体装置3都配制相应的光伏供能装置4和远程智能控制系统5。
所述灌溉首部1包括101蓄水池、102水泵、103过滤器、104压力变送器。
所述流量调测一体装置3由阀体和驱动模块组成，阀体通过开度的变化调节流量，驱动模块由步进电机和减速器构成，驱动模块用于驱动柱塞活动，从而调节开度大小。
所述光伏供能装置4用于田间调节阀驱动设备的能量供给，包括光伏板、太阳能控制器、蓄电池。
图2给出了流量调测一体装置的结构示意图，由阀体和驱动模块组成，阀体通过开度的变化调节流量，驱动模块由步进电机和减速器构成，驱动模块用于驱动柱塞活动，从而调节开度大小；所述装置由阀体和驱动模块组成，阀体通过开度的变化调节流量，驱动模块由步进电机和减速器构成，驱动模块用于驱动柱塞活动，从而调节开度大小。
所述阀体包括柱塞306、橡胶软垫307、固定螺母308、进水收缩管309和阀体外壳。其安装位置关系如下：柱塞306上通过固定螺母308固定橡胶软垫307，可径向移动，调节和进水收缩管309出口之间的距离，两者通过外壳固定连接。
所述柱塞306包括迎水平面、柱体和前内螺纹和后内螺纹四部分，用于传动调节的径向动作，并和进水收缩管309的出口段一同对流道形状进行限制；其中橡胶软垫307，用于在阀体关闭时密封柱塞和进水收缩管309之间的间隙；其中固定螺母308，用于把橡胶软垫307固定在柱塞306上前内螺纹上；进水收缩管 309，包括进水收缩段和出口段两部分组成，用于聚拢进入阀体的流体，并和柱塞306一同对流道形状进行限制；其中阀体外壳，包括水流进口、腔体、水流出口三个部分，用于固定阀体内部结构，以及和外部管路进行连接。
所述阀体类型分为双向出水和单向出水两种形式，两者仅阀体外壳的出口段有区别外，别的部件均可互相替换。
所述驱动设备包括步进电机301、步进电机驱动器、减速器302、联轴器303、螺杆304、柱塞导轨305。其中安装位置关系如下：电机驱动器通过电信号驱动步进电机301，步进电机301、减速器302和螺杆304依次通过联轴器303前后相连，螺杆304和柱塞306的后内螺纹螺栓连接，柱塞导轨305套接在螺杆304 和柱塞306的柱体外部。
所述步进电机301选用SUMTOR的42HS6315B4型步进电机，其步距角1.8/ 步，静力矩为0.75N·m，定位力矩0.035N·m，相电压4.5V。用于系统的动力输入。所述步进电机驱动器选用DVS的DV542C两相数字式步进电机驱动器，可以接受485控制运行，其输入电压为24～50V，输出电流0.1～5.6A，最大可以划分一圈为25600步。用于对步进电机301的动作控制。
所述减速器302选用SUMTOR的行星减速器，减速比选用一级速比3.71减速比，其额定负载4N·m。用于增大步进电机301的动力输出。
所述联轴器303用于连接相邻的两个机构的主动轴和从动轴，使其同步旋转，传递运动和扭矩。
所述螺杆304材料为黄铜，导程为3mm，螺纹中距为10.4mm，螺纹牙型角为8.13°，用于驱动柱塞306径向运动。
所述导轨305用于限制柱塞306的自由度，保持其径向运动。
所述减速器的减速比i可由式1计算而得。式中D为柱塞306迎水平面的直径，单位为cm；P为阀标准工况的最大平均压强，单位为米水柱；S为导程，单位为mm；d为螺纹中距，单位为mm；f为螺栓的摩擦系数，为无量纲数，可在螺旋副按材料查询；α为螺纹牙型角，单位为°；T电机为电机的额定定位力矩，单位为N·m。减速比i应大于等于计算值。
Figure BDA0003545470150000071
图3是流量调测一体阀的安装示意图，给出了在管网中的布置形式分为四种工况，单向出水阀的中间布置状态，双向出水阀的中间布置状态，单向出水阀的末端布置状态，双向出水阀的末端布置状态。其中中间布置状态仅和末端布置状态区别仅为三通连接和渐缩管连接。
图4给出柱塞直径32mm的单向出水阀在前置压力20m时的实际流量和计算流量对比图。其中计算流量的迭代计算公式如下。
Figure BDA0003545470150000072
Figure BDA0003545470150000073
Figure BDA0003545470150000074
Figure BDA0003545470150000075
式中，Q—流量，m3/h；Qmax—当前压差、介质密度下、最大开度对应的最大流量，m3/h；KQ—阀门流量系数；ΔP—压差,m；ρ—介质密度,kg/L；P1—前置压力,m；ΔZ—阀进出口高差,m；H--开度,mm；Hmax—最大开度,mm。
图5给出了本发明一种节水灌溉末端水量调节、测量及远程控制装置设备连接示意图。所述示意图分为三部分，本地PLC部分、田间调节阀部分和远程管理控制部分。本地PLC连接监视首部设备，并作为中间单元连接其他两个设备的数据通信，田间调节阀部分接受本地PLC部分指令动作，远程管理控制部分接收本地PLC的运行参数并向其发送设备动作指令。
其中田间调节阀部分包括独立供电模块和调节阀控制模块。
独立供电模块包括光伏板、太阳能控制器、蓄电池，用于田间调节阀驱动设备的能量供给。其中光伏发电板，选用SYP-M1810多晶太阳能板，发电功率为 10W，输出电压为18W。用于系统能源的输入。其中太阳能控制器，选用 YSN-SOL2A，输入电压为12～24V，输出电压为12.6V，稳定光伏板发电电流电压给蓄电池充电。其中蓄电池，选用YSN-1203000可充电锂电池，容量为3000mAh，充电电压12.6V，放电电压12V，用于储存电量。
其中田间独立供电部分的电量需求功率P需可根据式2计算得到。式中P1为步进电机的额定功率，单位为W；P2为无线数传电台的额定功率，单位为W。
P需＝P1+P2 (式2)
其中光伏板的发电功率P供可根据式3计算得到。式中P蓄为蓄电池充电的额外功率，单位为W；P耗为充电和供电过程中损耗的功率，单位为kW。
P供≥P需+P蓄+P耗 (式3)
其中蓄电池容量C可根据式4计算的到。式中t为不能供电设备仍需运行的时间，单位为h。
C≥P需·t (式4)
调节阀控制模块501包括步进电机驱动器、无线数传电台(从站)。其中无线数传电台用于接收本地PLC发送的指令，并传输给步进电机驱动器从而驱动流量调节阀动作。其中调节阀的开度是利用步进电机驱动器的电脉冲数进行计量的。
所述本地PLC部分502，包括PLC、数据读写设备、无线数传电台(主站)、物联网网关、水泵电机的电磁继电器和压力变送器。其中PLC选用LK3U-64，其接口包括两个RS485接口、一个RS232接口、开关量输入输出接口、模拟量输入输出接口，用于数据的汇集、处理和输出。其中数据读写设备选用威纶通 MT610iP触摸屏，提供可触摸界面进行人机人机交互。其中物联网网关选用 SUKON的SuK-BOX-4G云盒子，借助其云平台可以对本地数据上传至远程服务器进行存储。
所述远程管理控制部分503包括云端数据库、开度决策模块和电脑及手机端的控制监测模块。其中云端数据库为SUKON公司提供，可以远程对数据进行存储和读写。其中开度决策模块基于python开发，可凭借本地PLC上传的数据对调节阀的开度进行智能决策，也可对灌溉管道的流量值进行计算。其中电脑及手机端的控制监测模块基于python开发，在操作界面上可以远程对本地PLC部分和田间调节阀部分的设备进行监视和控制。
图6给出了流量调节和流量测量的流程图，其中调节阀开度决策模块的具体流程如下：
步骤一，系统初始化，设定目标流量Q0，允许误差dq；
步骤二，测量当前压力变送器(104)的压力值P1，读取读取当前开度对应脉冲数x1，并计算出当前的流量值Q1；
步骤三，判断Q1是否在目标流量的误差范围内，即[Q0-dq,Q0+dq]。若在范围内，则调节完成，程序结束；若不在范围内，则步入步骤四；
步骤四，计算Q0下开度对应脉冲数x0，并计算目标开度对应的脉冲数x0与当前脉冲数x1的差值x；
步骤五，判断差值x是否大于0。若大于0，则调节阀驱动电机正转脉冲数|x|；若不大于0，则调节阀驱动电机反转脉冲数|x|。随后执行步骤二。

Claims (9)

1.一种节水灌溉末端流量调节、测量及远程控制装置，其特征在于：由灌溉首部(1)、管网(2)、流量调测一体装置(3)、光伏供能装置(4)、远程智能控制系统(5)组成；所述管网(2)的一端与灌溉首部(1)连接，中间安装有若干流量调测一体装置(3)，每个流量调测一体装置(3)都配制相应的光伏供能装置(4)和远程智能控制系统(5)。
所述灌溉首部(1)包括水源、水泵、过滤器和压力变送器；
所述流量调测一体装置(3)由阀体和驱动模块组成，阀体通过开度的变化调节流量，驱动模块由步进电机和减速器构成，驱动模块用于驱动柱塞活动，从而调节开度大小；
所述光伏供能装置(4)用于田间调节阀驱动设备的能量供给；
所述远程智能控制系统是基于python开发的远程调节阀开度决策模块，利用电脉冲计量和控制调节阀开度。
2.根据权利要求1所述的一种节水灌溉末端流量调节、测量及远程控制装置，其特征在于：所述灌溉首部(1)由蓄水池(101)、水泵(102)、过滤器(103)、压力变送器(104)组成。
3.根据权利要求1所述的一种节水灌溉末端流量调节、测量及远程控制装置，其特征在于：所述阀体包括柱塞(306)、橡胶软垫(307)、固定螺母(308)、进水收缩管(309)和阀体外壳(310)，述所柱塞(306)上通过固定螺母(308)固定橡胶软垫(307)，可径向移动，调节和进水收缩管(309)出口之间的距离，两者通过外壳固定连接；所述驱动模块包括步进电机(301)、步进电机驱动器、减速器(302)、联轴器(303)、螺杆(304)、柱塞导轨(305)，所述机驱动器通过电信号驱动步进电机(301)，步进电机(301)、减速器(302)和螺杆(304)依次通过联轴器(303)前后相连，螺杆(304)和柱塞(306)的后内螺纹螺栓连接，柱塞导轨(305)套接在螺杆(304)和柱塞(306)的柱体外部。
4.根据权利要求3所述的一种节水灌溉末端流量调节、测量及远程控制装置，其特征在于：所述柱塞(306)包括迎水平面、柱体和前内螺纹和后内螺纹四部分。
5.根据权利要求3所述的一种节水灌溉末端流量调节、测量及远程控制装置，其特征在于：所述阀体包括双向出水和单向出水两种形式。
6.根据权利要求3所述的一种节水灌溉末端流量调节、测量及远程控制装置，其特征在于：所述步进电机(301)选用SUMTOR的42HS6315B4型步进电机，其步距角1.8/步，静力矩为0.75N·m，定位力矩0.035N·m，相电压4.5V，用于系统的动力输入；步进电机驱动器选用DVS的DV542C两相数字式步进电机驱动器，可以接受485控制运行，其输入电压为24～50V，输出电流0.1～5.6A，最大可以划分一圈为25600步，用于对步进电机(301)的动作控制；减速器(302)选用SUMTOR的行星减速器，减速比选用一级速比3.71减速比，其额定负载4N·m，用于增大步进电机(301)的动力输出；联轴器(303)用于连接相邻的两个机构的主动轴和从动轴，使其同步旋转，传递运动和扭矩；螺杆(304)材料为黄铜，导程为3mm，螺纹中距为10.4mm，螺纹牙型角为8.13°，用于驱动柱塞(306)径向运动；导轨(305)用于限制柱塞(306)的自由度，保持其径向运动。
其中减速器的减速比i可由式1计算而得，式中D为柱塞(306)迎水平面的直径，单位为cm；P为阀标准工况的最大平均压强，单位为米水柱；S为导程，单位为mm；d为螺纹中距，单位为mm；f为螺栓的摩擦系数，为无量纲数，可在螺旋副按材料查询；α为螺纹牙型角，单位为°；T电机为电机的额定定位力矩，单位为N·m，减速比i应大于等于计算值：
Figure FDA0003545470140000021
7.根据权利要求1所述的一种节水灌溉末端流量调节、测量及远程控制装置，其特征在于：所述光伏供能装置(4)包括光伏板、太阳能控制器、蓄电池。
8.根据权利要求1所述的一种节水灌溉末端流量调节、测量及远程控制装置，其特征在于：所述远程智能控制系统(5)由田间调节阀(501)、本地PLC部分(502)、远程管理控制部分(503)三个部分；
所述田间调节阀部分(501)包括步进电机驱动器、无线数传电台，用于接收本地PLC发送的指令，并执行给流量调节阀，其中调节阀的开度是利用步进电机驱动器的电脉冲数进行计量的；
所述本地PLC部分(502)包括PLC、数据读写设备、主站无线数传电台、物联网网关、水泵电机的电磁继电器和压力变送器；
所述远程管理控制部分(503)，包括云端数据库、开度决策模块和电脑及手机端的控制监测模块。
9.根据权利要求8所述的一种节水灌溉末端流量调节、测量及远程控制装置，其特征在于：所述其中PLC选用LK3U-64，其接口包括两个RS485接口、一个RS232接口、开关量输入输出接口、模拟量输入输出接口，用于数据的汇集、处理和输出。
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