波涌灌控制阀及自控器的研制

波涌灌控制阀及自控器的研制。波涌灌溉系统一般由波涌灌控制阀、自动控制器、输水管道等设备组成，其中控制阀和自控器是整个系统的核心设备。目前在国外已有波涌灌控制阀投放市场。近年来我国已从国外引进数套波涌灌溉设备，由于价格昂贵、数量有限仅用于试验研究。考虑到节水灌溉和灌溉自动化是未来发展的必然趋势，研制适合于国情的波涌灌溉设备是十分必要的。结合国家“九五”科技攻关项目，经过几年来的努力，已开发出波涌灌控制阀及自动控制器，取得初步成果。

    1　波涌灌溉设备的构成

    1.1　波涌灌控制阀

   考虑到灌区自动化灌溉需要，研制的波涌灌控制阀采用双向开关结构来切换水流推进方向，根据自控器指令实现对供水过程的间歇控制。特别是在无人值守状态下，灌溉结束后能迅速自动切断水流，避免过量灌溉引起的浪费。控制阀目前由铁质材料做成，主要组成构件包括：阀体、阀门和减速.阀体结构类似于三通，由三段直径为200mm(8″)的铁管组合连接而成，一端与水源相连，两端为出水口。阀门为带有周边止水垫圈的圆形闸门，其中中轴上下两端经止水轴承分别与阀体和减速箱连接。受减速箱控制，闸门环绕中心轴作直角旋转，实现水流开启和关门状态。密闭的减速箱被固定在阀体两侧并通过中心轴与闸门相接。箱内装有：(1)传动机构，考虑到蜗杆传动具有工作平稳无噪声可自锁等优点，本设计中采用普通圆柱蜗杆传动及蜗轮减速；(2)驱动器，用来控制阀门启闭的微型直流电动机；(3)定位器，由光控管和光控板组成，旨在确定阀门的启闭状态；(4)减速器，将高速运转的电动机(3000 r/min)转速通过两级减速降至10r/min左右，再驱动阀门；(5)缓冲器，防止电机过载和保证阀门的闭合状态。   

    1.2　自动控制器

   自控器是波涌灌溉系统的控制中心，控制电路板及软件是控制器的核心部分，它接受人工输入的参数，对波涌阀发出操作指令，实现闸门的交替启闭。闸门位置由光电管定位，控制器接收到光电管信号后，决定是否启闭电动机。自控器主要由下述部分构成。

   主控部分。采用89C518位微控制器为核心，附设键盘及显示器组成。键盘用来设置系统时间、起始时间、每次灌水时间、间歇时间和波涌次数等。这些输入参数被自动保存，电源关闭或掉电也不丢失。显示器由6位LED数码管组成，显示参数及工作时间状态，由于采用了扫描方式降低了功耗。系统时钟为24h制，采用后备电池，关机后时钟仍正常工作。

   电机控制部分。由74LS07驱动4组继电器，推动左右两闸门的电机转动。不工作时电机两端接地。电机正转时，左端接+6V，右端接地，反转时，则左端接地，右端接+6 V。

    位置传感部分。由4组光电耦合器组成，分别指示两个闸门的开关状态，并将接收信号传回主控部分。

    电源部分。由太阳能电池板、4 A.h/6V蓄电池和低压差抗电源反接稳压器件LM2940组成。平日太阳能电池板对蓄电池浮充。波涌灌系统运行时，蓄电池为设备提供电源并经LM2940稳压后供给主板。考虑到非常情况，电源也配置了交流充电系统。

   功能选择部分.用“控制方式”按钮选择波涌阀运行方式，控制器能分别控制左阀、右阀或双阀，实现全关、全开，单阀交替运行等功能。
   控制器的应用操作包括参数设置和自控运行两部分。自控运行是在接受到一些基本输入参数后，经控制程序运算，由控制中心发出指令自动完成。参数设置的操作过程如下：(1)打开电源，控制器自动将波涌阀复位――左右阀门同时关闭；(2)选择“控制方式”，确定波涌阀的工作状态，选项有左阀、右阀、双阀；(3)选择“系统时间”，用“小时/分/秒”按钮选择时间对象，用“+”、“-”调整系统时间；(4)选择“启始时间”，用“小时/分/秒”按钮选择时间对象，用“+”、“-”调整波涌灌溉事件的起始时间；(5)选择“灌水时间”，用“小时/分/秒”按钮选择时间对象，用“+”、“-”确定单次波涌灌溉水流推进时间；(6)选择“间歇时间”，用“小时/分/秒”按钮选择时间对象，用“+”、“-”确定单次波涌灌溉停水时间；(7)选择“波涌次数”，用“+”、“-”调整波涌次数，每按一次“+”在秒的数码管上加1，*大到99，每按一次“-”在秒的数码管上减1，*小到0。

   以上设置完毕后，控制器进入自动工作状态。要说明的是，双阀控制指“左开右关”或“右开左关”的交替工作状态，当“间歇时间”大于等于“灌水时间”时，在一个循环周期末，两阀将同时关闭，关闭时间为“间歇时间”减去“灌水时间”，之后进入**轮循环工作状态；当“间歇时间”小于“灌水时间”时，双阀无法同时工作，此情况下，只能单阀运行。无论什么时候，一旦按下“系统复位”键，波涌阀左右阀门将同时关闭，本次灌水至此终止。   

    1.3　控制阀与自控器的连接

   为使用方便，避免非法或误操作，控制器和波涌阀的接口采用工业化标准，二者间的连接只需使用电缆线对插即可(惟一可插)，操作简单**。   

    2　设备性能及特点

    开发研制的波涌灌设备具有如下工作性能和特点。

    双阀工作状态下，单台波涌阀的*大过流量Q及相应可控制的灌溉面积S用下式估��

其中式中A为输水管道截面积；d为输水管道直径；ε为流量系数；h为农渠分水口处的压力水头；λ为沿程水头损失系数；ξ为局部水头损失系数；L为输水管道长度；T为轮灌周期；m为灌水定额；t为每日灌水时间；η为水的有效利用系数。附表给出假定作物轮灌周期为7d，每天灌水时间为12h，不同输水管道长度和压力水头组合下计算得到的单台波涌阀*大过流量Q及相应可控制的灌溉面积数量。对渠灌区而言，当农渠分水口处的水头压差为30～50cm时，波涌灌设备控制的面积是4～6 hm2，而在井灌区，控制面积则取决于机井泵的富余水头。