引言
新疆是我國最重要的棉花生產基地，2013 年棉花種植面積超過 170 萬 hm2,棉花總產量 237 萬 t.新疆棉田主要分布于塔克拉瑪干等沙漠邊緣，自然條件惡劣，水資源極度缺乏，屬于干旱區的綠洲農業生產。
新疆棉田一般采用滴灌技術進行節水灌溉，在主要的棉田生產區建立一個蓄水系統，通過增大水壓的方式將農用水供往棉田滴灌帶主管道。目前，滴灌帶主管道畜水池的供水系統均采用傳統的軟啟動器控制，滴灌帶主管道的水壓與流量隨農田用水量的多少而增減，沒有進行主動的自動控制調節，導致了在用水量高峰期滴灌帶主管道水壓力不足，棉田供水量減少，無法滿足農戶用水要求； 在用水量較低時，滴灌帶主管道水壓力過高，使棉田滴灌帶內水壓過高，浪費了過多的用水[1 -2].因此，設計一種自動化節水控制系統可自動調整滴灌帶主管道的水壓與流量，滿足棉田用水的要求，同時可以節約水能，具有較高的應用價值。針對新疆棉田蓄水系統的利用現狀，基于 PLC 技術，結合棉田供水需求，設計了一種自動化節水控制，對供水系統進行水壓的自動化調節，以適用棉田不同用水模式的要求。
1 系統的組成
根據新疆棉花種植特點[3],在每年的棉田頭水到冬灌水期間，蓄水池出水管道內必須保持一定的供水量，以保證大面積的棉田滴灌帶主管道的供水壓力。
在供水量高峰期間，主管道內必須保持較高的供水壓力，蓄水池主水泵電機需高速運轉； 在供水量低峰期間，蓄水池主水泵電機可低速運轉，平衡供水系統壓力，實現棉田的節能供水。根據設計要求，設計一種根據棉田用水量自動調節供水壓力的控制系統，具體的設計示意圖如圖 1 所示。圖 1 中，供水系統主管道的流量閥向 PLC 控制系統輸入供水流量信號，滴灌帶主管道上設置了供水壓力信號，綜合供水流量和供水壓力，對水泵主電機轉速進行自動調節； 畜水池內部水位信號與蓄水池壓力信號也分別接入控制系統，通過 PLC 程序連鎖控制水泵的啟停。根據棉田滴灌帶供水壓力自動控制的要求，設計供水壓力自動化控制系統框圖如圖 2 所示。圖 2 中，PLC 控制中心是系統的核心單元。通過對壓力值的檢測，建立 PLC 自動控制模型； 根據自動控制模型設計 PLC 程序，設定變頻器參數； 自動化控制中心主要進行軟件與硬件接口數據處理，發送控制命令，同時接收壓力檢測數據； 變頻器轉速控制單元主要根據上位機的控制字指令，輸出對應的頻率與電機轉速； 通過終端設備的數據反饋，同時把各種信號進行顯示和報警。
2 核心部件的設計
2. 1 電氣主回路的設計
根據新疆棉田滴灌帶節水控制方案，水泵電機選用兩臺 Y 系列三相交流異步電動機，電機功率均為35kW,采用一用一備配置，可進行變頻轉速控制。電機采用變頻控制方案，變頻器選用西門子公司生產的國產 70SE35 型變頻器，選用 40kW 變頻器，變頻器設置為矢量控制[4 -5].具體的主回路原理如圖 3 所示。圖 3 中： QF1 為空氣開關； 變頻器的控制端子排S1、S2、S3、S4 接 PLC - 200 的輸出口 DO 信號，變頻器內部參數設置為端子排控制方案，通過 S1、S2、S3 給定信號的通斷組合可進行 9 種不同的電機轉速選擇；S4 設計為變頻器的起?？刂贫丝?； 同時，為了水泵電機的反轉，變頻器內部設置禁止反轉功能。
2. 2 自動化控制電路的設計
根據 PLC 具有可靠性高、抗干擾能力強等特點，棉田節水自動化控制系統采用小型 PLC -200 進行控制。根據控制要求，PLC 采用西門子公司的小型 PLC- 200 可編程控制器，型號為 226 - 2BD23 - 0XB8.表 1 所示為 I/O 地址分配表。設計中，PLC - 200 主要負責接收控制信號與壓力信號，控制信號接入 PLC- 200 輸入模塊 DI,通過 PLC 內部程序控制后，輸出對應的數字信號至 DO 模塊； DO 模塊與變頻器控制端子排 S1、S2、S3 和 S4,可以更好地實現多段轉速的控制功能。具體原理圖如圖 4 所示。
3 系統軟件的設計
系統軟件程序采用 SIEMENS 公司提供的 STEP7- MicroWIN 軟件進行編制。STEP7 - MicroWIN 主要是針對小型 PLC 系統的一種可邏輯編程軟件，帶有仿真功能，可進行程序的調試與控制，目前在農業機械上應用較少[6].根據硬件系統的設計原理與自動控制方法，采用模塊化編程，實現供水系統手動與自動控制功能的轉換。手動控制用于水泵電機的備用系統與檢修時，自動控制系統主要根據供水管道內流量與壓力的變化，PLC 輸入單元通過采樣壓力信號與流量信號，對兩種信號的變化值進行比較，輸出一個基于壓力與流量 PID 自動控制的水泵電機轉速控制信號至變頻器，變頻器根據轉速信號啟動電機的運行[7].具體的軟件流程圖如圖 5 所示。
4 自動化節水控制系統的調試與運行試驗
根據設計要求，利用 PLC 控制技術，對塔里木大學棉花試驗田的供水控制系統進行升級改造，通過對改造后的蓄水池自動化節水控制系統的調試與運行試驗，以驗證設計的效果。
4. 1 試驗方案
1） 試驗前，利用 STEP7 4. 0 自帶的程序仿真功能，將自動化節水控制系統進行仿真，確保軟件的可靠性； 通過對 PLC 的輸入信號與輸出信號進行調試，確保 PLC 硬件系統的可靠運行。
2） 試驗前，對試驗田供水管道安裝好壓力傳感器，將傳感器信號輸入至 PLC 控制系統。
3） 主水泵電機調試運行啟動前，對變頻器主接線進行檢查，確定變頻器 R、S、T 與 U、V、W 接線端子接線正常，同時設置好變頻器參數； 將水泵電機轉速信號反饋至 PLC 系統進行顯示，試驗時根據不同的供水壓力信號記錄壓力值的變化。
4） 試驗時，記錄棉田供水管道的壓力及流量變化，同時記錄蓄水池出口管道的壓力與流量數據。
4. 2 試驗結果與分析
通過對蓄水系統自動化節水控制系統的調試與運行試驗，得到如表 2 所示的試驗田供水管道壓力與流量變化值。表 2 的結果顯示： 水泵電機的轉速變化根據供水管道與管道流量進行控制，控制效果明顯；當供水管道壓力為 0. 11MPa 時，PLC 控制系統輸出為管道水壓低信號，電機轉速隨著提升，使水泵進行增壓，直至供水管道內水壓達到正常值； 當供水管道壓力為 0. 32MPa 時，PLC 控制系統輸出為管道水壓高信號，電機轉速隨著降低，使水泵輸出水壓減小，直至供水管道內水壓回到正常值。通過自動控制，使水泵電機運行在合適的轉速范圍內，且供水壓力達到平衡。
通過調試運行實現蓄水池供水自動控制系統后，記錄經自動化升級改造后的蓄水池供水控制系統投入使用后的用水量變化情況。選取以 1h 為記錄單位，記錄自動化供水后的用水量變化情況如圖 6 所示。與改造前相比，改造前 10h 的用水量為 162. 1km3,改造后的用水量明顯減小，為 124. 2km3,10h 共節約37. 9km3的用水量，具有明顯的節水效果。通過調試運行實現畜水池供水自動控制系統后，記錄經自動化升級改造后的畜水池供水控制系統投入使用后的耗電量變化情況。選取以 1h 為記錄單位，記錄自動化供水后的耗電量變化情況如圖 7 所示。與改造前相比，改造前 10h 耗電量為 182. 19kW·h,改造后的耗電量明顯減小，為 125. 11kW·h,10h共節約 57. 08kW·h 的電量，具有明顯的節能效果。
5 結論
1） 通過對蓄水系統自動化節水控制系統的調試與運行試驗，控制系統可根據供水管道的壓力與流量自動調節水泵電機的轉速，實現了在供水壓力不足時增壓控制、供水壓力過高時均衡控制的效果。
2） 通過對蓄水池供水自動化控制系統的節能對比試驗，結果表明： 與常規控制方式相比，自動化節水控制系統前 10h 的耗電量為 182. 19kW·h,耗電量明顯減小，為 125. 11kW·h,10h 共節約 57. 08kW·h 的電量，具有明顯的節能效果?！緢D略】
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