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波涌灌控制閥及自控器的研制

波涌灌控制閥及自控器的研制。波涌灌溉系統(tǒng)一般由波涌灌控制閥、自動控制器、輸水管道等設(shè)備組成,其中控制閥和自控器是整個系統(tǒng)的核心設(shè)備。目前在國外已有波涌灌控制閥投放市場。近年來我國已從國外引進數(shù)套波涌灌溉設(shè)備,由于價格昂貴、數(shù)量有限僅用于試驗研究??紤]到節(jié)水灌溉和灌溉自動化是未來發(fā)展的必然趨勢,研制適合于國情的波涌灌溉設(shè)備是十分必要的。結(jié)合國家“九五”科技攻關(guān)項目,經(jīng)過幾年來的努力,已開發(fā)出波涌灌控制閥及自動控制器,取得初步成果。


    1 波涌灌溉設(shè)備的構(gòu)成

    1.1 波涌灌控制閥

   考慮到灌區(qū)自動化灌溉需要,研制的波涌灌控制閥采用雙向開關(guān)結(jié)構(gòu)來切換水流推進方向,根據(jù)自控器指令實現(xiàn)對供水過程的間歇控制。特別是在無人值守狀態(tài)下,灌溉結(jié)束后能迅速自動切斷水流,避免過量灌溉引起的浪費??刂崎y目前由鐵質(zhì)材料做成,主要組成構(gòu)件包括:閥體、閥門和減速.閥體結(jié)構(gòu)類似于三通,由三段直徑為200mm(8″)的鐵管組合連接而成,一端與水源相連,兩端為出水口。閥門為帶有周邊止水墊圈的圓形閘門,其中中軸上下兩端經(jīng)止水軸承分別與閥體和減速箱連接。受減速箱控制,閘門環(huán)繞中心軸作直角旋轉(zhuǎn),實現(xiàn)水流開啟和關(guān)門狀態(tài)。密閉的減速箱被固定在閥體兩側(cè)并通過中心軸與閘門相接。箱內(nèi)裝有:(1)傳動機構(gòu),考慮到蝸桿傳動具有工作平穩(wěn)無噪聲可自鎖等優(yōu)點,本設(shè)計中采用普通圓柱蝸桿傳動及蝸輪減速;(2)驅(qū)動器,用來控制閥門啟閉的微型直流電動機;(3)定位器,由光控管和光控板組成,旨在確定閥門的啟閉狀態(tài);(4)減速器,將高速運轉(zhuǎn)的電動機(3000 r/min)轉(zhuǎn)速通過兩級減速降至10r/min左右,再驅(qū)動閥門;(5)緩沖器,防止電機過載和保證閥門的閉合狀態(tài)。   

    1.2 自動控制器

   自控器是波涌灌溉系統(tǒng)的控制中心,控制電路板及軟件是控制器的核心部分,它接受人工輸入的參數(shù),對波涌閥發(fā)出操作指令,實現(xiàn)閘門的交替啟閉。閘門位置由光電管定位,控制器接收到光電管信號后,決定是否啟閉電動機。自控器主要由下述部分構(gòu)成。

   主控部分。采用89C518位微控制器為核心,附設(shè)鍵盤及顯示器組成。鍵盤用來設(shè)置系統(tǒng)時間、起始時間、每次灌水時間、間歇時間和波涌次數(shù)等。這些輸入?yún)?shù)被自動保存,電源關(guān)閉或掉電也不丟失。顯示器由6位LED數(shù)碼管組成,顯示參數(shù)及工作時間狀態(tài),由于采用了掃描方式降低了功耗。系統(tǒng)時鐘為24h制,采用后備電池,關(guān)機后時鐘仍正常工作。

   電機控制部分。由74LS07驅(qū)動4組繼電器,推動左右兩閘門的電機轉(zhuǎn)動。不工作時電機兩端接地。電機正轉(zhuǎn)時,左端接+6V,右端接地,反轉(zhuǎn)時,則左端接地,右端接+6 V。

    位置傳感部分。由4組光電耦合器組成,分別指示兩個閘門的開關(guān)狀態(tài),并將接收信號傳回主控部分。

    電源部分。由太陽能電池板、4 A.h/6V蓄電池和低壓差抗電源反接穩(wěn)壓器件LM2940組成。平日太陽能電池板對蓄電池浮充。波涌灌系統(tǒng)運行時,蓄電池為設(shè)備提供電源并經(jīng)LM2940穩(wěn)壓后供給主板。考慮到非常情況,電源也配置了交流充電系統(tǒng)。

   功能選擇部分.用“控制方式”按鈕選擇波涌閥運行方式,控制器能分別控制左閥、右閥或雙閥,實現(xiàn)全關(guān)、全開,單閥交替運行等功能。
   控制器的應(yīng)用操作包括參數(shù)設(shè)置和自控運行兩部分。自控運行是在接受到一些基本輸入?yún)?shù)后,經(jīng)控制程序運算,由控制中心發(fā)出指令自動完成。參數(shù)設(shè)置的操作過程如下:(1)打開電源,控制器自動將波涌閥復(fù)位――左右閥門同時關(guān)閉;(2)選擇“控制方式”,確定波涌閥的工作狀態(tài),選項有左閥、右閥、雙閥;(3)選擇“系統(tǒng)時間”,用“小時/分/秒”按鈕選擇時間對象,用“+”、“-”調(diào)整系統(tǒng)時間;(4)選擇“啟始時間”,用“小時/分/秒”按鈕選擇時間對象,用“+”、“-”調(diào)整波涌灌溉事件的起始時間;(5)選擇“灌水時間”,用“小時/分/秒”按鈕選擇時間對象,用“+”、“-”確定單次波涌灌溉水流推進時間;(6)選擇“間歇時間”,用“小時/分/秒”按鈕選擇時間對象,用“+”、“-”確定單次波涌灌溉停水時間;(7)選擇“波涌次數(shù)”,用“+”、“-”調(diào)整波涌次數(shù),每按一次“+”在秒的數(shù)碼管上加1,*大到99,每按一次“-”在秒的數(shù)碼管上減1,*小到0。

   以上設(shè)置完畢后,控制器進入自動工作狀態(tài)。要說明的是,雙閥控制指“左開右關(guān)”或“右開左關(guān)”的交替工作狀態(tài),當“間歇時間”大于等于“灌水時間”時,在一個循環(huán)周期末,兩閥將同時關(guān)閉,關(guān)閉時間為“間歇時間”減去“灌水時間”,之后進入**輪循環(huán)工作狀態(tài);當“間歇時間”小于“灌水時間”時,雙閥無法同時工作,此情況下,只能單閥運行。無論什么時候,一旦按下“系統(tǒng)復(fù)位”鍵,波涌閥左右閥門將同時關(guān)閉,本次灌水至此終止。   

    1.3 控制閥與自控器的連接

   為使用方便,避免非法或誤操作,控制器和波涌閥的接口采用工業(yè)化標準,二者間的連接只需使用電纜線對插即可(惟一可插),操作簡單**。   

    2 設(shè)備性能及特點

    開發(fā)研制的波涌灌設(shè)備具有如下工作性能和特點。

    雙閥工作狀態(tài)下,單臺波涌閥的*大過流量Q及相應(yīng)可控制的灌溉面積S用下式估算

其中式中A為輸水管道截面積;d為輸水管道直徑;ε為流量系數(shù);h為農(nóng)渠分水口處的壓力水頭;λ為沿程水頭損失系數(shù);ξ為局部水頭損失系數(shù);L為輸水管道長度;T為輪灌周期;m為灌水定額;t為每日灌水時間;η為水的有效利用系數(shù)。附表給出假定作物輪灌周期為7d,每天灌水時間為12h,不同輸水管道長度和壓力水頭組合下計算得到的單臺波涌閥*大過流量Q及相應(yīng)可控制的灌溉面積數(shù)量。對渠灌區(qū)而言,當農(nóng)渠分水口處的水頭壓差為30~50cm時,波涌灌設(shè)備控制的面積是4~6 hm2,而在井灌區(qū),控制面積則取決于機井泵的富余水頭。   

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