现代灌溉系统中水量流量的自动控制技术论文

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摘要：本文以压力传感技术、变频调速技术、可编程控制技术为基础，结合近年来泵站建设和低压管道灌溉的经验，将“液位自动控制节水灌溉系统”改进为“自控变频节能节水灌溉系统”，有效提高了现代灌溉系统中水量流量的自动控制技术，为田间管理提供了强有力的技术支撑。

关键词：自动变频；节能节水；灌溉系统；研究

目前全球淡水资源日趋紧张，在我国有很多地方农田和生活用水紧张的情况相当严重，有的已出现断水现象，因此节水问题已成为全社会共同关注的严重问题。

早在1997年，在桐乡市政府支持下，经市水利勘测设计所设计并在河山含村示范区等地建成低压地下管道灌溉试点工程，由于田间用水量变化大，为了解决水量流量的实时调控，泵站的出水池新建了高大的蓄水池，蓄水池内安装了液位控制器，串接于电机控制柜的控制回路中，初步解决了用水量、出水量的实时调控。“液位自动控制节水灌溉系统”于1998年获浙江省水利厅科技进步三等奖，2004年获浙江省水利厅优秀工程设计奖。2005年秋，桐乡市水利局在石门镇民丰村明渠灌溉的庙桥浜泵站试用手动变频调速控制水泵运行，取得较好地效果，受到当地群众的高度赞誉。

一、“自控变频节能节水灌溉系统”的总体设计

一是引入变频调速技术、压力传感技术、可编程控制技术于农田灌溉。由变频器、压力变送器、压力显示器、可编程控制器、可编程时控器、相序保护器和空气开关、断路器、交流接触器、时间继电器、热继电器、按钮、指示灯、仪表等电器集成(均为国产)的智能型自动控制柜“自控变频节能控制柜”，作为“自控变频节能节水灌溉系统”的指挥中心，能根据田间用水量的变化，自动变频调速调节水泵出水量，自动进行工频变频切换和单泵双泵切换，自动按设定时间开机停机。在泵站建设中，针对平原水网地区泵站规模较小的特点，采用了涵洞式引水道、竖井式水泵室，使引水道和水泵井四周的土压力相互平衡，比传统的开敞式引水道有限地节省了工程量，减少了土方开挖和回填土，方便了施工。

二是将“液位自动控制节水灌溉”中的高蓄水池，改为较小的地下压力水池，建在泵房地面之下。既节省了工程量，又减少了耕地占用。水池壁上预埋安装压力变送器和水位观察管的镀锌钢管，水池边上设置调压溢流管。选用专门为本地区低压管道灌溉研制且不需要加引水、适于自动开机的HDB系列导叶式混流泵。用UPVC双壁波纹管作为地下管道，用钢筋混凝土预制接头，施工方便，漏水少，管壁糙率小。干管和部份支管的进口处安装蝶阀控制，部份渠尾设置调压管。用专利产品、工程塑料制造的FN-150(100)农田灌溉节水阀作为田间放水阀，使用寿命长，不需维修，可做到滴水不漏。一只放水阀控制面积约5亩左右。

二、关键设备“自控变频节能控制柜”的原理和工作过程

田间用水量的信息，通过管网压力的变化，传递到压力水池中，压力水池中安装的压力变送器，把压力信号变成电模拟量，输入变频器控制回路，变频器根据输入的模拟量，自动将连接水泵电机的主回路的交流电频率变化，使管网压力不断向设定的“控制压力”接近，达到恒压供水。从而使水泵根据田间用水量自动调节供水量，达到节水节能目的。一个泵站安装两台水泵，为了节省投资，采用一台变频器控制两台电机，由于田间用水量的变化涉及到单泵供水或双泵供水，需单泵双泵切换和工频变频切换，用可编程控制器设定条件进行控制，还要设置“最高压力”、“最低压力”等参数。

控制柜的电路，有变频器-电机主回路和控制回路两大部份，控制回路有压力变送显示电路、可编程控制器外接电路、可编程时控器外接电路、变频器外接电路、交流接触器互锁电路、手动控制电路、电机工况显示电路、直流电源外接电路等，另外还设置了相序保护器、热继电器等。

控制柜的工作过程，以一台变频器控制两台电机的控制柜为例。首先合上电源空气开关，接通电源，按照“自控变频节能控制柜使用维护简要说明”在变频器控制面板上设置好“控制压力”，在压力显示器上设置好“最低压力”、“最高压力”，在可编程时控器上设置好开机停机时间(或在时间继电器上设置好停机时间)，把“功能转换旋钮”旋到“自动”，然后即可正常工作。其工作过程为：

当到达时控器设定的开机时间，如果压力变送器检测到的压力低于“最低压力”，1号机组(两台机组中功率较大的一台)首先变频软起动，可见压力显示器中数值逐渐上升，水位观察管中水柱同步上升，如此时田间用水量不多，一台水泵水量已够，则压力上升到“控制压力”以上，变频器即自动降频，压力降低到“控制压力”以下，变频器即自动升频，使水泵保持恒压供水，田间用水量的变化反映在水泵转速的变化上。

如果田间用水量逐渐增加，1号机组的出水量不够了，此时尽管电机以最大频率即50Hz运行，但压力显示器中数值还是逐渐下降，待下降到设定的加泵压力即“最低压力时”，控制柜等待五分钟，如果不是特殊的波动造成，五分钟的压力都低于最低压力，此时才将1号机组自动转为工频运行，将2号机组自动变频软起动，可见压力显示器中数值逐渐上升，如此时两台水泵供水量已够田间用水，则压力上升到“控制压力”后，即保持恒压供水，田间用水量的变化反映在2号机组转速的变化上。如果田间用水量继续上升，两台水泵的供水量也不够了，尽管两台水泵都以最高频率50Hz运行，供水压力还是逐步下降，此时，应关闭或调小部份节水阀，用水量减少到二两台水泵供水量以下，供水压力就会恢复到设定的“控制压力”。

如果田间用水量逐步减少，管道和压力水池中的压力会稍微上升，正在变频运行的2号机组转速随即降低，水泵出水减少，以保持恒压供水。如果田间用水量进一步减少，小于1号机组的出水量，但仍大于2号机组出水量，当供水压力超过设定的“最高压力”，这时首先将正在工频运行的1号机组自动停机，然后自动将正在变频运行的2号机组转成工频运行，再自动变频软起动1号机组。如果田间用水量进一步减少，小于2号机组的出水量，这时即使1号机组频率和转速降到最低，水池压力还是超过“最高压力”，则正在工频运行的2号机组自动停机。如果田间用水量再进一步减少到接近于零，则1号机组以最低频率(设置为15HZ)运行，使管道压力保持一定数值，以备田间可以随时用水。

可编程时控器到达设定停机时间，正在变频运行的1号机组变频软停机。也可以将“功能转换旋钮”从“自动”转向“停止”。如果按下“紧急停车按钮”，任何情况之下，两台机组都会立即停机。

三、该系统的改进意见

任何技术都是在不断改进的，“自控变频节能节水灌溉系统”也是在综合许多先进技术的基础上改进的，今后也将随着技术的发和进步不断改进。经过一个灌溉季节的实践，笔者认为应对系统做如下改进：

一是对于只有一台水泵的泵站，可以利用变频器内置简易PLC编程控制，可降低控制柜造价。

二是对于只有一台水泵的泵站，可以取消压力水池，以进一步降低泵站造价，逆止阀、调压管仍旧保留。对于两台或两台以上水泵的泵站，压力水池还是需要的。公务员之家

三是针对现有泵站管理人员文化程度偏低的现象，建议今后选配泵站管理人员时，最好文化程度能在初中以上，便于熟练掌握控制柜各种功能的应用，最大限度地发挥先进设备的功能。

四是假使有两台水泵的控制柜，还应增加“先开机选择旋钮”，在“自动”状态下，可以先起动任意一台机组，有利于两台机组的均匀使用。

桐乡市这样的平原水网地带，泵站的规模比较小，一般都是明渠灌溉的泵站，多数安装一台水泵。经过以上改进，泵站和控制柜的造价将明显降低。可以和明渠灌溉的泵站极为接近。这就为“自控变频节能节水灌溉系统”的进一步推广开辟了广阔的空间。未来将成为桐乡市和类似地区农田灌溉的主要模式。