李妙祺　楊小平　馮全

摘? 要：為了實現(xiàn)三跨圓形噴灌機電機精準同步并達到提高灌水均勻度的控制目的，本系統(tǒng)使用變頻器配合主行走電機進行了同步控制，并使用可編程邏輯控制器及人機界面，設計了圓形噴灌機的監(jiān)控組態(tài)系統(tǒng)，同時具有手動控制功能。該系統(tǒng)能夠顯著提高噴灌作業(yè)時的灌水均勻度，有利于作物生長，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：圓形噴灌機;PLC;HMI;變頻器

中圖分類號：S275.5? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）23-0095-04

Abstract： In order to realize the accurate synchronization across three circular sprinkler motor and reach the control goal of improving irrigation uniformity， the control system of center pivot irrigation machine was designed by using frequency converter to control the main motor and using programmable logic controller and human-machine interface. It also has manual control function. The system can significantly improve the irrigation uniformity during irrigation， which is beneficial to the efficiency of crop growth and agricultural production.

Keywords： center pivot sprinkling machine; PLC; HMI; inverter

引言

噴灌技術(shù)是一種節(jié)水灌溉技術(shù)，我國對噴灌技術(shù)的研究始于1953年，圓形噴灌機是一種大規(guī)模、高自動化程度的灌溉用機械。早期的圓形噴灌機多使用電機驅(qū)動行走地輪并且配備機械減速裝置，通過百分率計時器進行計時并控制不同跨電機的啟停，使塔架車一個跟著一個繞著中心支軸旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)了連續(xù)自移噴灑作業(yè)。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，自動化技術(shù)已經(jīng)在噴灌系統(tǒng)中得到了廣泛應用，而我國在技術(shù)開發(fā)方面尚存在一定的差距，尤其體現(xiàn)在：控制精度差、行走速度無法自整定、灌溉的均勻度低等問題[1]。

為了解決以上問題，需要引入基于可編程控制器的精準同步控制系統(tǒng)，利用光電傳感器檢測相鄰塔架的角變位，從而控制變頻器調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，使塔架支撐的灌溉用水管道盡可能保持在一條直線上，并且限制安全控制角不大于1.5°。

1 圓形噴灌機控制系統(tǒng)總體設計

本設計中的噴灌機共有三跨，長度均為57m，三跨總長171m，每一跨由一臺三相可調(diào)速變頻電機驅(qū)動行走輪帶動其移動。若考慮圓形噴灌機噴灌作業(yè)過程中會遺失圓形區(qū)域以外的地塊，則可以給最遠跨加一15m的懸臂。在設計過程中，由于考慮成本等因素，將主控PLC選擇為西門子S7-200CPU226機型，PLC接受來自手動控制部分的各跨電機啟停及反轉(zhuǎn)信號（手動部分亦可在人機界面上進行操作），另外采用光電開關(guān)進行相鄰兩跨扭轉(zhuǎn)角度檢測，當相鄰兩個塔架扭轉(zhuǎn)角度不超過1.5°時，保護機構(gòu)不啟動，PLC依據(jù)人機界面（HMI）上操作員設定的灌溉時間和水量進行自動計算，分析每跨電機的行走速度，控制變頻器啟動電機并合理調(diào)速，同時在整個生產(chǎn)過程中監(jiān)視設備運行狀態(tài)，在系統(tǒng)發(fā)生錯誤、危險狀況時能夠及時報警、自矯正或切斷電源線路。當工作時長到、或灌溉水量到達預設值，則設備停止噴灌作業(yè)。其系統(tǒng)組成圖如圖1所示：

2 系統(tǒng)硬件選擇及系統(tǒng)接線

2.1 噴頭的選擇

噴頭的選擇是設計圓形噴灌機灌溉項目時應考慮的主要因素。噴頭的間距以及類型是兩個主要變量。在噴灌機的作業(yè)過程中，一跨走最快，三跨走最慢。噴灌機運行一周，若要保證所有區(qū)域灌水均勻，則需自遠端至中心支軸逐漸減小噴灑水量，并采用散射式噴頭，根據(jù)噴頭工作壓力，在噴頭進水口上游配置適當?shù)膲毫φ{(diào)節(jié)器。噴頭宜采用懸吊安裝方式，懸吊的高度由作物高度確定。

本設計采用可變孔口尺寸的噴頭實現(xiàn)變量噴灑[3]，由于靠近中心支座處的覆蓋面積相對小，只需很小的水量，所以噴嘴尺寸也非常小。在中心支軸較遠的桁架中，所需的水量增加，噴頭的噴嘴需要加大，以滿足水量增加的需要。配置噴頭時，輸水管某一管段處的流量值，應該與該處灌溉的圓形面積之比為常數(shù)[5]，計算公式如下：

式中Q為總流量，QE為末端噴頭的流量，Qi為主管道的第i段的通過流量，ri為管道至中心支軸的距離，l為主輸水管道的長度。

2.2 電機及變頻器的選擇

驅(qū)動裝置采用有過流過載保護的2.2kW變頻三相異步電動機帶動行走輪移動，采用變頻器調(diào)速的系統(tǒng)由于轉(zhuǎn)速可調(diào)，故可選擇不同直徑的行走輪（本設計車輪外徑為1.28m），速度由變頻器進行調(diào)整，也可由操作人員通過人機界面鍵入，系統(tǒng)自動處理相關(guān)數(shù)據(jù)的運算，電機相關(guān)參數(shù)見表1。

變頻器選擇西門子MM420型，采用單一的RS485主從鏈路通過USS協(xié)議鏈接3臺跨電機，在使用該協(xié)議之前，需要在變頻器中對驅(qū)動裝置進行基本參數(shù)設置、控制源參數(shù)設置及通信設置。

2.3 系統(tǒng)接線圖

系統(tǒng)外部接線圖如圖2所示。MA0是給整個噴灌作業(yè)提供輸水動力的水泵。MA1、MA2、MA3分別為三跨行走電機。其中MA1為距中央支軸最遠端電機，所有跨的行走電機都能夠分別實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)及無極調(diào)速。PLC主機CPU226，數(shù)字量24I/16O，具有兩個RS485口。CPU模塊采用RS485網(wǎng)絡與變頻器進行USS通信連接，波特率9600。CPU主機用周期電報通信的方式輪番詢問各個變頻器的狀態(tài)信息。BG1至SF5接主機數(shù)字量輸入端子，系統(tǒng)工作指示燈PG0、PG1及控制水泵的接觸器線圈接輸出端子，其功能及端口分配見表2。HMI為西門子公司的Smart 700IEV3，帶RS422/485隔離串口通信，最大通信速率187.5Kbits/s。

3 控制系統(tǒng)軟件設計

軟件控制流程：

本系統(tǒng)分為手動部分和自動控制部分，控制功能描述如下：

（1）模式自主選擇：根據(jù)實際情況和用戶需要，手動模式和自動工作模式自主選擇，在自動模式下，只要切入手動則自動模式全部停止。

（2）智能控制：可編程邏輯控制器根據(jù)從設備采集的實時數(shù)據(jù)自動做出判斷對灌溉設備進行控制。

（3）信息實時顯示：實現(xiàn)跨電機行走速度、當前位置的實時顯示，方便使用者確認和系統(tǒng)調(diào)試。

（4）數(shù)據(jù)自動采集：在不需要人工干預的情況下，進行灌溉時間的計時和灌溉用水量的自動采集。

（5）人機界面操控： 由于各種農(nóng)作物在生長的各個階段對水分的需求不同，為達到最適宜農(nóng)作物的需水量，可視情況通過人機界面調(diào)整灌溉輪次、時長及水量。

自動控制部分系統(tǒng)控制流程如圖3：

4 組態(tài)界面設計

在圖4的歡迎界面中可以選擇手動或自動控制，選擇手動后進入圖5的手動控制畫面，其控制功能與PLC輸入端子的按鈕控制功能相同，若開機后選擇自動控制則進入圖6的參數(shù)設置及電機狀態(tài)監(jiān)控畫面，本功能需要先對生產(chǎn)參數(shù)進行設置后機器才能啟動。在圖7的運行監(jiān)控畫面可隨時查看每一跨電機的當前運行位置和灌溉總水量及系統(tǒng)運行時長，同時，本系統(tǒng)還具有管理員權(quán)限設置和錯誤報警功能。

5 試驗

由于戶外試驗不可避免地會受到自然條件的影響，例如蒸騰作用，風力等，其中通過多次試驗比對，在多種氣象條件下，不同的風速對試驗數(shù)據(jù)影響最大，通過數(shù)據(jù)分析得到采用百分率計時器的控制系統(tǒng)的灌水均勻度（A）和采用速度調(diào)節(jié)裝置的灌水均勻度（B）如圖8所示。在圖中可以看出，在采用了合理的行走方式控制后，該圓形噴灌機能夠提高噴灌作業(yè)的灌水均勻度。

6 結(jié)束語

本設計通過觸摸屏、可編程序控制器配合跨電機變頻調(diào)速，通過操作觸摸屏或手動控制按鈕實現(xiàn)電動機、水泵的自動或手動的啟動、停止。同時還可根據(jù)灌水量的要求自動實施噴灌作業(yè)，并且能夠自動調(diào)整三臺電機達到同步行走的目的。本系統(tǒng)能夠現(xiàn)場或遠程監(jiān)控設備的運行，能及時有效的處理突發(fā)事件。通過合理的設備選型、參數(shù)計算和軟件設計，達到提高普通噴灌機灌水均勻度的目的。

參考文獻：

[1]錢一超，侯永勝，席三忠，等.影響電動圓形噴灌機灌水均勻度的因素及分析[J].節(jié)水灌溉，2010（4）：20-22.

[2]張承國，韓登侖.DYP_235型電動圓形噴灌機的研制[J].中國農(nóng)機化，2012（2）：100-103.

[3]趙偉霞，李久生，栗巖峰.大型噴灌機變量灌溉技術(shù)研究進展[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2016（13）：1-7.

[4]嚴海軍，肖建偉，等.圓形噴灌機低壓阻尼噴頭水滴直徑分布規(guī)律的試驗研究[J].水利學報，2014，45（4）：467-472.

[5]嚴海軍，姚培培，等.圓形噴灌機噴頭配置技術(shù)與軟件研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2011，42（6）：84-88.

[6]李保明，薛桂寧，等.中心支軸式噴灌機典型標準工程設計[J].中國馬鈴薯，2012，26（6）：374-378.