PLC变频调速节能灌溉系统的设计
田云+史洁+金东琦
摘要在分析了变频调速灌溉系统与阀门开度调节灌溉系统的节能效果之后，得出了一种新型的农业灌溉系统供水方式，即利用PLC结合变频器的方式来实现恒压变流供水。给出了变频调速灌溉系统结构图，并进行了系统软件流程设计。系统能够连续采集水泵流量，与设定的工作压力进行比较，实时改变水泵电机的工作频率调节灌溉流量。从而改变了传统农业依靠控制阀门开度及人工启停水泵电机的操作方法。经过实验证明，采用变频调速的节水灌溉系统，比传统模式节能20%~69%。对设备寿命周期的延长，节约电能和人工成本，提高灌溉可靠性方面均有极积的意义。
关键词PLC变频调速节能灌溉恒压变流
Design of PLC frequency conversion and speed adjusting energy-saving in irrigation system
Tian Yun, Shi Jie,Jin Dongqi
（Heilongjiang Agricultural Economics Vocational College，Mudanjiang 157041）
Abstract: After analyzing the frequency control irrigation systems and irrigation systems regulating valve opening energy-saving effect, draw a new type of agricultural irrigation water supply system, which uses a combination of the inverter PLC way to achieve constant pressure variable flow water supply. Given frequency conversion irrigation system structure diagram, and system software process design. Continuous acquisition system can pump flow, and set the working pressure is compared in real time to change the operating frequency of the pump motor to adjust the irrigation flow. Thus changing the traditional agricultural methods of operation relies on manual control valve opening and start and stop the pump motor. After the experiment proved that the use of water-saving irrigation system frequency control than the traditional model of 20%~69% energy saving. To extend equipment life cycle energy savings in labor costs, improve reliability of irrigation has a very positive meaning.
Keywords: PLC；Frequency conversion and speed adjusting；Energy-saving irrigation system；Constant voltage and flow converter
基金项目：黑龙江省教育厅高职高专院校科研项目（12525073）研究成果。
0引言
在我国农业用水面临资源短缺的同时，农业用水浪费现象十分严重。特别是田间的过量灌溉或因渠系水量调配不当，造成我国的农业灌溉系统对水资源的利用率目前只达到30%～40%，而发达国家可达80%之多。并且我们大部分地区采用水泵抽水灌溉的模式，水泵配套电机转速匹配不合理，泵站装置效率只有30%～40%，浪费了大量的电能。传统农业节水灌溉是根据田间需水量控制阀门开度以及人工启停水泵电机的操作方式。这种方式往往需要专业人员进行值守，增加了人工成本。寻求一种切实可行的节水节能灌溉系统是当前农业发展的一项重要任务。在农田灌溉园区，各种作物的种植结构、需水量、灌溉时间等生长条件是不同的，而整个灌溉园区的供水压力是一定的，属于恒压变流供水。所以灌溉系统的设计是以流量及供水压力作为控制对象。在以往未采用变频调速的灌溉系统当中，存在以下问题：
（1）一般的灌溉系统中，采用水泵电机抽水的方式进行灌溉。水泵电机功率较高，巨大的启动电流对电网造成的冲击，如此一来，需增大水泵区域的供电变压器容量，并且浪费了大量的电能。
（2）当供水过量或者正在供水量时，只能靠调节阀门开度增加管阻进行流量控制。使电机需要频繁启停，降低了电机的寿命周期。水泵电机转速不能连续调节，始终处于工频状态下运行。
（3）电机的启动与停止完全依靠人工控制。灌溉系统的供水流量、压力、供水总量能否与实际作物需求相吻合也需要凭借用户的经验。而在实际灌溉中，大多数用户不会根据用水量来调节阀门开度，只是在需水流量相差较大时，粗略的切换开机台数来调节流量，造成了能源的巨大浪费。
1供水系统节能原理
供水系统的控制对象往往是水泵出水流量。常见的控制方法有阀门控制法和转速控制法两种，采用变频调速的供水系统属于转速控制法。
1.1变频调速原理
由电机学可知，异步电动机转速可以表达为式（1）：
n=60f(1-s)/p（1）
式中n—电动机转速；
f—电源频率；
s—转差率；
p—电动机极对数。
其中，极对数p和转差率s属于电机的物理参数，当水泵电机出厂时就已经设定，不可改变。所以，想改变电机转速只能改变电机的输入电源频率f。只要连续改变电机的电源频率即可调整电机的转速，使水泵可以进行连续而平滑的调速。
1.2恒压变流调节及其节能原理
若使管网压力保持恒定，需对管网压力进行实时监测，一般将监测点设为水泵出水口处，利用压力传感器进行监测，将监测的压力信号传送给控制器进行处理。将监测点的压力与实际系统设定压力进行比较，若实际压力值低于设定压力值，变频调速器将使水泵电机电源频率升高。从而提高了水泵转速，增加了管网的压力。相反，若管网实际压力值高于设定压力值，变频调速器就将水泵电机电源频率降低，水泵转速下降，管网压力减小。所以，水泵电机的转速完全取决于管网的压力与设定压力差值，动态的调节水泵电机转速就可以使压力监测点的压力保持恒定值，而出水量却随之变化，即“恒压变流”。
水泵的特性曲线和管阻特性曲线决定了水泵的压力与出水量，如图1所示。
图1水泵性能工况图 工况点为A表示的是水泵工频50 Hz运行时，对应的流量与压力分别为Q0和H0。当系统用水量由Q0减少至Q1时，如果水泵仍工频运行，若用阀门来调节流量，管阻特性曲线将发生变化，由R1移至R2，水泵的工况点也将随之发生变化，由A移至B，流量对应Q1，压力对应H1，根据水泵原理，水泵输出的功率为式（2）：
P=γQ1H11000η（2）
式中P—水泵提供的轴功率；
γ—水的重度；
η—水泵效率。
如果水泵电机转速可调，由于用户关小了阀门，管网流量变小，这时，管阻特性曲线发生了变化，由R1向R2方向移动，虽然管网流量变小了，但是水泵出口处压力却高于设定压力H0，变频器将自动降低水泵的电源频率来降低转速，水泵转速降低至n1时，管网的流量减小至Q1，工况点为C。此时流量为Q1，压力为H0，根据水泵原理，输出的功率为式（3）：
P=γQ1H01000η（3）
很显然，由于H0小于H1，水泵的节能为：
△P=γQ11000η(H1-H0)（4）
根据流体力学知识，流量Q与转速n成正比，压力H与转速n的平方成正比，若要求水泵出水流量的下降，只需成比例的下降电机转速n，如此一来，水泵功率则成立方关系下降。综上所述，水泵的耗电功率与转速近似成立方比的关系。比如：一台功率为45 kW的水泵电机，降低转速至原转速4/5时，其消耗的电量为2304 kW，节省电量5147%；如果降低转速至1/2，其消耗的电量为562 kW，节省电量达895%。
2变频调速节水灌溉系统构成
变频调速灌溉系统主要由PLC和变频器对水泵机组转速优化调整进行自动控制，控制过程采用闭环控制。压力传感器根据压力输出的连续变化的模拟量信号，再由AD转换器变换成对应的数字信号传送给PLC与设定的压力值进行比较，根据差值调节变频器的输出频率，进而改变电机转速，使水泵的转速及出水流量发生相应的变化。使供水管网压力保持恒定。
2.1系统组成
本系统主要由PLC及其扩展单元、压力变送器、AD转换器、DA转换器和变频器构成，形成压力负反馈闭环控制系统。系统结构图如图2所示。图2系统结构图2.2系统主要部件功能
(1)可编程控制器PLC将AD转换器采集到的压力信号进行处理，与设定的压力数值进行比较，根据比较的结果调整输出数据，改变变频器的频率。同时还承担其他的输出逻辑控制。三菱公司的FX2NPLC功能强大，能够满足实时数据采集和处理，而且体积小，安装调试便捷，系统抗干扰能力强，可靠性高。
(2)变频器。接收PLC发出的频率控制信号，对应的改变输出频率，对水泵电机进行转速调节。一般变频器均有模拟量控制接口，可接收标准的工业0～10 V或4～20 mA模拟信号，该模拟信号与变频器输出频率对应成比例，可实现频率的连续输出，精度可达01 Hz。
(3)AD/DA转换器。由于压力变送器输出信号为模拟量信号，不能直接提供给PLC使用，故要经AD转换器进行数据采集并转换为数字信号供给PLC进行数据处理。由于变频器采用模拟量线性控制，当使用PLC控制变频器时，PLC将数字量先送入DA转换器转换为模拟信号，由DA转换器输出的模拟信号间接控制变频器输出频率。
3系统自动控制的实现
系统的自动控制依赖于完善的程序控制流程，PLC以梯形图作为编程语言完成对水泵电机的转速及逻辑控制。程序主要完成对AD转换器及DA转换器的初始化工作、系统手动控制与自动控制的切换、水泵机组切换及启停等问题。
根据前面分析，水泵电机的转速是改变水泵压力及出水量关系曲线的根本参数，电机转速发生变化，水泵工况点也随之发生变化，在某一固定的压力范围内，改变调节水泵电机的转速，总有一条或一簇与之转速相对应的特性曲线来满足作物需水要求。
假设灌溉管网压力要求为025～035 MPa，PLC将以此作为设定值，与压力传感器采集的水泵出水压力实际进行比较。将比较的结果对水泵电机进行差异控制。其控制过程工作如图3所示。图3控制过程流程图我们可以把系统设计成自动和手动的两种方式。手动的工作方式可以由用户通过矩阵按键设定所需管网压力值，设定完毕后将转为自动工作方式。自动工作方式将实时进行压力比较，使灌溉系统管网压力满足要求。此外，为了避免电机出现振荡现象，还可以使变频器处于一个稳定的频率范围，让水泵电机工作状态较为稳定，这样非常有利于延长水泵电机的使用寿命。
4变频调速后水泵运行效能
采用变频器后，通过对变频器的控制可实现对电机以及水泵的转速控制, 从而圆满地解决了用户要求恒压变流的供水问题。
经过变频调速的灌溉系统，水泵电机的转速根据管网压力进行实时调节，使管网恒压供水问题得到了圆满的解决。经过实验证明，采用变频器有如下优越性：
(1)水泵电机的启动不再需要Ｙ-△变换装置，因为采用了变频器，使水泵电机启动频率降为0，再经过一段时间加速至设定频率，不会对电网造成冲击。
（2）电机转速的改变是由改变变频器输出频率来实现的。变频器的输出频率可方便的由PLC及DA转换器输出的模拟量来进行控制，响应速度快。而PLC的对变频器输出频率的调节是根据管网出水压力的实际值进行控制的。压力传感器采集实际管网出水压力的周期可高达几十毫秒，数据具有实时性，达到了系统的全自动实时控制，节省人力资源并提高了可靠性，避免了由于用户疏忽操作带来的不稳定性。
（3）变频器的输出频率分辨率非常高，可达01 Hz，精度完全能够达到节水灌溉系统的要求。另外，变频器的频率连续可调，使水泵电机的转速在一定范围内随意改变，从而水泵转速可以快速响应管网流量变化，避免了水泵电机的频繁启停，节省了大量的水能和电能。
5实验结论分析
通过实验证明，当供水管网的工作压力设定为025~03 MPa时，根据不同的出水流量，当采用阀门控制和转速控制时，水泵消耗的功率如下表所示。表中显示，在变频调速的节能灌溉方式下，根据水泵出水流量大小可节能20%~69%，效果显著。表两种控制方法节能效果统计表
控制
方式计算
项目Q/m3·h-10.90.80.70.60.50.40.3阀门
控制效率/%98948982736249功率/kW0.990.970.950.920.890.860.84变频
控制转速/r·min-10.940.880.820.760.700.640.58效率/%99989794908474功率/kW0.790.610.460.350.270.190.15节能效果/%203649576267696结语
由PLC和变频器组成的节能灌溉系统，结构简单，控制效果好，一次性投入成本低。可有效解决不同灌溉区所需不同灌溉用水量时水泵空载的节能问题，节能效果显著，管网压力稳定，经济效益良好。另外系统采用PLC程序易于修改，并可方便的移植到其他喷滴灌工程上使用。由于采用了自动控制，避免了人为干预，减少了不稳定性。同时也避免了传统阀门开度控制使水泵机组频繁启动，使电机寿命得已延长。变频调速在节能灌溉系统的恒压变流起到了巨大的推动作用，效果良好。利用变频调速技术不但可以实现恒压变流供水，还能够实现恒流变压供水，甚至还可以实现变流变压的供水来满足不同用户需求。总之，变频调速在农业节能灌溉中的应用是现在农业发展的一个重要研究课题。
参考文献：
[1]武鹏林，张向东.节水灌溉系统变频控制的节能研究与应用[J].农业工程学报，2002(4):22-25.
[2]方彦军.楼宇集中空调变频调节节能研究[J].自动化博览，2000(6):5-7.
[3]张振国.变频调速装置在农业节水灌溉中的应用[D].太原理工大学硕士论文，2003:20-23.
[4]刘永华，陈志明.PLC及变频调速恒压喷灌系统的设计[J].节水灌溉，2009(1):44-45.
[5]费顺华，陈慧霞.自控变频节能节水灌溉系统开发研究[J].浙江水利科技，2007（3）:15-17.（05）
P=γQ1H11000η（2）
式中P—水泵提供的轴功率；
γ—水的重度；
η—水泵效率。
如果水泵电机转速可调，由于用户关小了阀门，管网流量变小，这时，管阻特性曲线发生了变化，由R1向R2方向移动，虽然管网流量变小了，但是水泵出口处压力却高于设定压力H0，变频器将自动降低水泵的电源频率来降低转速，水泵转速降低至n1时，管网的流量减小至Q1，工况点为C。此时流量为Q1，压力为H0，根据水泵原理，输出的功率为式（3）：
P=γQ1H01000η（3）
很显然，由于H0小于H1，水泵的节能为：
△P=γQ11000η(H1-H0)（4）
根据流体力学知识，流量Q与转速n成正比，压力H与转速n的平方成正比，若要求水泵出水流量的下降，只需成比例的下降电机转速n，如此一来，水泵功率则成立方关系下降。综上所述，水泵的耗电功率与转速近似成立方比的关系。比如：一台功率为45 kW的水泵电机，降低转速至原转速4/5时，其消耗的电量为2304 kW，节省电量5147%；如果降低转速至1/2，其消耗的电量为562 kW，节省电量达895%。
2变频调速节水灌溉系统构成
变频调速灌溉系统主要由PLC和变频器对水泵机组转速优化调整进行自动控制，控制过程采用闭环控制。压力传感器根据压力输出的连续变化的模拟量信号，再由AD转换器变换成对应的数字信号传送给PLC与设定的压力值进行比较，根据差值调节变频器的输出频率，进而改变电机转速，使水泵的转速及出水流量发生相应的变化。使供水管网压力保持恒定。
2.1系统组成
本系统主要由PLC及其扩展单元、压力变送器、AD转换器、DA转换器和变频器构成，形成压力负反馈闭环控制系统。系统结构图如图2所示。图2系统结构图2.2系统主要部件功能
(1)可编程控制器PLC将AD转换器采集到的压力信号进行处理，与设定的压力数值进行比较，根据比较的结果调整输出数据，改变变频器的频率。同时还承担其他的输出逻辑控制。三菱公司的FX2NPLC功能强大，能够满足实时数据采集和处理，而且体积小，安装调试便捷，系统抗干扰能力强，可靠性高。
(2)变频器。接收PLC发出的频率控制信号，对应的改变输出频率，对水泵电机进行转速调节。一般变频器均有模拟量控制接口，可接收标准的工业0～10 V或4～20 mA模拟信号，该模拟信号与变频器输出频率对应成比例，可实现频率的连续输出，精度可达01 Hz。
(3)AD/DA转换器。由于压力变送器输出信号为模拟量信号，不能直接提供给PLC使用，故要经AD转换器进行数据采集并转换为数字信号供给PLC进行数据处理。由于变频器采用模拟量线性控制，当使用PLC控制变频器时，PLC将数字量先送入DA转换器转换为模拟信号，由DA转换器输出的模拟信号间接控制变频器输出频率。
3系统自动控制的实现
系统的自动控制依赖于完善的程序控制流程，PLC以梯形图作为编程语言完成对水泵电机的转速及逻辑控制。程序主要完成对AD转换器及DA转换器的初始化工作、系统手动控制与自动控制的切换、水泵机组切换及启停等问题。
根据前面分析，水泵电机的转速是改变水泵压力及出水量关系曲线的根本参数，电机转速发生变化，水泵工况点也随之发生变化，在某一固定的压力范围内，改变调节水泵电机的转速，总有一条或一簇与之转速相对应的特性曲线来满足作物需水要求。
假设灌溉管网压力要求为025～035 MPa，PLC将以此作为设定值，与压力传感器采集的水泵出水压力实际进行比较。将比较的结果对水泵电机进行差异控制。其控制过程工作如图3所示。图3控制过程流程图我们可以把系统设计成自动和手动的两种方式。手动的工作方式可以由用户通过矩阵按键设定所需管网压力值，设定完毕后将转为自动工作方式。自动工作方式将实时进行压力比较，使灌溉系统管网压力满足要求。此外，为了避免电机出现振荡现象，还可以使变频器处于一个稳定的频率范围，让水泵电机工作状态较为稳定，这样非常有利于延长水泵电机的使用寿命。
4变频调速后水泵运行效能
采用变频器后，通过对变频器的控制可实现对电机以及水泵的转速控制, 从而圆满地解决了用户要求恒压变流的供水问题。
经过变频调速的灌溉系统，水泵电机的转速根据管网压力进行实时调节，使管网恒压供水问题得到了圆满的解决。经过实验证明，采用变频器有如下优越性：
(1)水泵电机的启动不再需要Ｙ-△变换装置，因为采用了变频器，使水泵电机启动频率降为0，再经过一段时间加速至设定频率，不会对电网造成冲击。
（2）电机转速的改变是由改变变频器输出频率来实现的。变频器的输出频率可方便的由PLC及DA转换器输出的模拟量来进行控制，响应速度快。而PLC的对变频器输出频率的调节是根据管网出水压力的实际值进行控制的。压力传感器采集实际管网出水压力的周期可高达几十毫秒，数据具有实时性，达到了系统的全自动实时控制，节省人力资源并提高了可靠性，避免了由于用户疏忽操作带来的不稳定性。
（3）变频器的输出频率分辨率非常高，可达01 Hz，精度完全能够达到节水灌溉系统的要求。另外，变频器的频率连续可调，使水泵电机的转速在一定范围内随意改变，从而水泵转速可以快速响应管网流量变化，避免了水泵电机的频繁启停，节省了大量的水能和电能。
5实验结论分析
通过实验证明，当供水管网的工作压力设定为025~03 MPa时，根据不同的出水流量，当采用阀门控制和转速控制时，水泵消耗的功率如下表所示。表中显示，在变频调速的节能灌溉方式下，根据水泵出水流量大小可节能20%~69%，效果显著。表两种控制方法节能效果统计表
控制
方式计算
项目Q/m3·h-10.90.80.70.60.50.40.3阀门
控制效率/%98948982736249功率/kW0.990.970.950.920.890.860.84变频
控制转速/r·min-10.940.880.820.760.700.640.58效率/%99989794908474功率/kW0.790.610.460.350.270.190.15节能效果/%203649576267696结语
由PLC和变频器组成的节能灌溉系统，结构简单，控制效果好，一次性投入成本低。可有效解决不同灌溉区所需不同灌溉用水量时水泵空载的节能问题，节能效果显著，管网压力稳定，经济效益良好。另外系统采用PLC程序易于修改，并可方便的移植到其他喷滴灌工程上使用。由于采用了自动控制，避免了人为干预，减少了不稳定性。同时也避免了传统阀门开度控制使水泵机组频繁启动，使电机寿命得已延长。变频调速在节能灌溉系统的恒压变流起到了巨大的推动作用，效果良好。利用变频调速技术不但可以实现恒压变流供水，还能够实现恒流变压供水，甚至还可以实现变流变压的供水来满足不同用户需求。总之，变频调速在农业节能灌溉中的应用是现在农业发展的一个重要研究课题。
参考文献：
[1]武鹏林，张向东.节水灌溉系统变频控制的节能研究与应用[J].农业工程学报，2002(4):22-25.
[2]方彦军.楼宇集中空调变频调节节能研究[J].自动化博览，2000(6):5-7.
[3]张振国.变频调速装置在农业节水灌溉中的应用[D].太原理工大学硕士论文，2003:20-23.
[4]刘永华，陈志明.PLC及变频调速恒压喷灌系统的设计[J].节水灌溉，2009(1):44-45.
[5]费顺华，陈慧霞.自控变频节能节水灌溉系统开发研究[J].浙江水利科技，2007（3）:15-17.（05）
P=γQ1H11000η（2）
式中P—水泵提供的轴功率；
γ—水的重度；
η—水泵效率。
如果水泵电机转速可调，由于用户关小了阀门，管网流量变小，这时，管阻特性曲线发生了变化，由R1向R2方向移动，虽然管网流量变小了，但是水泵出口处压力却高于设定压力H0，变频器将自动降低水泵的电源频率来降低转速，水泵转速降低至n1时，管网的流量减小至Q1，工况点为C。此时流量为Q1，压力为H0，根据水泵原理，输出的功率为式（3）：
P=γQ1H01000η（3）
很显然，由于H0小于H1，水泵的节能为：
△P=γQ11000η(H1-H0)（4）
根据流体力学知识，流量Q与转速n成正比，压力H与转速n的平方成正比，若要求水泵出水流量的下降，只需成比例的下降电机转速n，如此一来，水泵功率则成立方关系下降。综上所述，水泵的耗电功率与转速近似成立方比的关系。比如：一台功率为45 kW的水泵电机，降低转速至原转速4/5时，其消耗的电量为2304 kW，节省电量5147%；如果降低转速至1/2，其消耗的电量为562 kW，节省电量达895%。
2变频调速节水灌溉系统构成
变频调速灌溉系统主要由PLC和变频器对水泵机组转速优化调整进行自动控制，控制过程采用闭环控制。压力传感器根据压力输出的连续变化的模拟量信号，再由AD转换器变换成对应的数字信号传送给PLC与设定的压力值进行比较，根据差值调节变频器的输出频率，进而改变电机转速，使水泵的转速及出水流量发生相应的变化。使供水管网压力保持恒定。
2.1系统组成
本系统主要由PLC及其扩展单元、压力变送器、AD转换器、DA转换器和变频器构成，形成压力负反馈闭环控制系统。系统结构图如图2所示。图2系统结构图2.2系统主要部件功能
(1)可编程控制器PLC将AD转换器采集到的压力信号进行处理，与设定的压力数值进行比较，根据比较的结果调整输出数据，改变变频器的频率。同时还承担其他的输出逻辑控制。三菱公司的FX2NPLC功能强大，能够满足实时数据采集和处理，而且体积小，安装调试便捷，系统抗干扰能力强，可靠性高。
(2)变频器。接收PLC发出的频率控制信号，对应的改变输出频率，对水泵电机进行转速调节。一般变频器均有模拟量控制接口，可接收标准的工业0～10 V或4～20 mA模拟信号，该模拟信号与变频器输出频率对应成比例，可实现频率的连续输出，精度可达01 Hz。
(3)AD/DA转换器。由于压力变送器输出信号为模拟量信号，不能直接提供给PLC使用，故要经AD转换器进行数据采集并转换为数字信号供给PLC进行数据处理。由于变频器采用模拟量线性控制，当使用PLC控制变频器时，PLC将数字量先送入DA转换器转换为模拟信号，由DA转换器输出的模拟信号间接控制变频器输出频率。
3系统自动控制的实现
系统的自动控制依赖于完善的程序控制流程，PLC以梯形图作为编程语言完成对水泵电机的转速及逻辑控制。程序主要完成对AD转换器及DA转换器的初始化工作、系统手动控制与自动控制的切换、水泵机组切换及启停等问题。
根据前面分析，水泵电机的转速是改变水泵压力及出水量关系曲线的根本参数，电机转速发生变化，水泵工况点也随之发生变化，在某一固定的压力范围内，改变调节水泵电机的转速，总有一条或一簇与之转速相对应的特性曲线来满足作物需水要求。
假设灌溉管网压力要求为025～035 MPa，PLC将以此作为设定值，与压力传感器采集的水泵出水压力实际进行比较。将比较的结果对水泵电机进行差异控制。其控制过程工作如图3所示。图3控制过程流程图我们可以把系统设计成自动和手动的两种方式。手动的工作方式可以由用户通过矩阵按键设定所需管网压力值，设定完毕后将转为自动工作方式。自动工作方式将实时进行压力比较，使灌溉系统管网压力满足要求。此外，为了避免电机出现振荡现象，还可以使变频器处于一个稳定的频率范围，让水泵电机工作状态较为稳定，这样非常有利于延长水泵电机的使用寿命。
4变频调速后水泵运行效能
采用变频器后，通过对变频器的控制可实现对电机以及水泵的转速控制, 从而圆满地解决了用户要求恒压变流的供水问题。
经过变频调速的灌溉系统，水泵电机的转速根据管网压力进行实时调节，使管网恒压供水问题得到了圆满的解决。经过实验证明，采用变频器有如下优越性：
(1)水泵电机的启动不再需要Ｙ-△变换装置，因为采用了变频器，使水泵电机启动频率降为0，再经过一段时间加速至设定频率，不会对电网造成冲击。
（2）电机转速的改变是由改变变频器输出频率来实现的。变频器的输出频率可方便的由PLC及DA转换器输出的模拟量来进行控制，响应速度快。而PLC的对变频器输出频率的调节是根据管网出水压力的实际值进行控制的。压力传感器采集实际管网出水压力的周期可高达几十毫秒，数据具有实时性，达到了系统的全自动实时控制，节省人力资源并提高了可靠性，避免了由于用户疏忽操作带来的不稳定性。
（3）变频器的输出频率分辨率非常高，可达01 Hz，精度完全能够达到节水灌溉系统的要求。另外，变频器的频率连续可调，使水泵电机的转速在一定范围内随意改变，从而水泵转速可以快速响应管网流量变化，避免了水泵电机的频繁启停，节省了大量的水能和电能。
5实验结论分析
通过实验证明，当供水管网的工作压力设定为025~03 MPa时，根据不同的出水流量，当采用阀门控制和转速控制时，水泵消耗的功率如下表所示。表中显示，在变频调速的节能灌溉方式下，根据水泵出水流量大小可节能20%~69%，效果显著。表两种控制方法节能效果统计表
控制
方式计算
项目Q/m3·h-10.90.80.70.60.50.40.3阀门
控制效率/%98948982736249功率/kW0.990.970.950.920.890.860.84变频
控制转速/r·min-10.940.880.820.760.700.640.58效率/%99989794908474功率/kW0.790.610.460.350.270.190.15节能效果/%203649576267696结语
由PLC和变频器组成的节能灌溉系统，结构简单，控制效果好，一次性投入成本低。可有效解决不同灌溉区所需不同灌溉用水量时水泵空载的节能问题，节能效果显著，管网压力稳定，经济效益良好。另外系统采用PLC程序易于修改，并可方便的移植到其他喷滴灌工程上使用。由于采用了自动控制，避免了人为干预，减少了不稳定性。同时也避免了传统阀门开度控制使水泵机组频繁启动，使电机寿命得已延长。变频调速在节能灌溉系统的恒压变流起到了巨大的推动作用，效果良好。利用变频调速技术不但可以实现恒压变流供水，还能够实现恒流变压供水，甚至还可以实现变流变压的供水来满足不同用户需求。总之，变频调速在农业节能灌溉中的应用是现在农业发展的一个重要研究课题。
参考文献：
[1]武鹏林，张向东.节水灌溉系统变频控制的节能研究与应用[J].农业工程学报，2002(4):22-25.
[2]方彦军.楼宇集中空调变频调节节能研究[J].自动化博览，2000(6):5-7.
[3]张振国.变频调速装置在农业节水灌溉中的应用[D].太原理工大学硕士论文，2003:20-23.
[4]刘永华，陈志明.PLC及变频调速恒压喷灌系统的设计[J].节水灌溉，2009(1):44-45.
[5]费顺华，陈慧霞.自控变频节能节水灌溉系统开发研究[J].浙江水利科技，2007（3）:15-17.（05）
摘要在分析了变频调速灌溉系统与阀门开度调节灌溉系统的节能效果之后，得出了一种新型的农业灌溉系统供水方式，即利用PLC结合变频器的方式来实现恒压变流供水。给出了变频调速灌溉系统结构图，并进行了系统软件流程设计。系统能够连续采集水泵流量，与设定的工作压力进行比较，实时改变水泵电机的工作频率调节灌溉流量。从而改变了传统农业依靠控制阀门开度及人工启停水泵电机的操作方法。经过实验证明，采用变频调速的节水灌溉系统，比传统模式节能20%~69%。对设备寿命周期的延长，节约电能和人工成本，提高灌溉可靠性方面均有极积的意义。
关键词PLC变频调速节能灌溉恒压变流
Design of PLC frequency conversion and speed adjusting energy-saving in irrigation system
Tian Yun, Shi Jie,Jin Dongqi
（Heilongjiang Agricultural Economics Vocational College，Mudanjiang 157041）
Abstract: After analyzing the frequency control irrigation systems and irrigation systems regulating valve opening energy-saving effect, draw a new type of agricultural irrigation water supply system, which uses a combination of the inverter PLC way to achieve constant pressure variable flow water supply. Given frequency conversion irrigation system structure diagram, and system software process design. Continuous acquisition system can pump flow, and set the working pressure is compared in real time to change the operating frequency of the pump motor to adjust the irrigation flow. Thus changing the traditional agricultural methods of operation relies on manual control valve opening and start and stop the pump motor. After the experiment proved that the use of water-saving irrigation system frequency control than the traditional model of 20%~69% energy saving. To extend equipment life cycle energy savings in labor costs, improve reliability of irrigation has a very positive meaning.
Keywords: PLC；Frequency conversion and speed adjusting；Energy-saving irrigation system；Constant voltage and flow converter
基金项目：黑龙江省教育厅高职高专院校科研项目（12525073）研究成果。
0引言
在我国农业用水面临资源短缺的同时，农业用水浪费现象十分严重。特别是田间的过量灌溉或因渠系水量调配不当，造成我国的农业灌溉系统对水资源的利用率目前只达到30%～40%，而发达国家可达80%之多。并且我们大部分地区采用水泵抽水灌溉的模式，水泵配套电机转速匹配不合理，泵站装置效率只有30%～40%，浪费了大量的电能。传统农业节水灌溉是根据田间需水量控制阀门开度以及人工启停水泵电机的操作方式。这种方式往往需要专业人员进行值守，增加了人工成本。寻求一种切实可行的节水节能灌溉系统是当前农业发展的一项重要任务。在农田灌溉园区，各种作物的种植结构、需水量、灌溉时间等生长条件是不同的，而整个灌溉园区的供水压力是一定的，属于恒压变流供水。所以灌溉系统的设计是以流量及供水压力作为控制对象。在以往未采用变频调速的灌溉系统当中，存在以下问题：
（1）一般的灌溉系统中，采用水泵电机抽水的方式进行灌溉。水泵电机功率较高，巨大的启动电流对电网造成的冲击，如此一来，需增大水泵区域的供电变压器容量，并且浪费了大量的电能。
（2）当供水过量或者正在供水量时，只能靠调节阀门开度增加管阻进行流量控制。使电机需要频繁启停，降低了电机的寿命周期。水泵电机转速不能连续调节，始终处于工频状态下运行。
（3）电机的启动与停止完全依靠人工控制。灌溉系统的供水流量、压力、供水总量能否与实际作物需求相吻合也需要凭借用户的经验。而在实际灌溉中，大多数用户不会根据用水量来调节阀门开度，只是在需水流量相差较大时，粗略的切换开机台数来调节流量，造成了能源的巨大浪费。
1供水系统节能原理
供水系统的控制对象往往是水泵出水流量。常见的控制方法有阀门控制法和转速控制法两种，采用变频调速的供水系统属于转速控制法。
1.1变频调速原理
由电机学可知，异步电动机转速可以表达为式（1）：
n=60f(1-s)/p（1）
式中n—电动机转速；
f—电源频率；
s—转差率；
p—电动机极对数。
其中，极对数p和转差率s属于电机的物理参数，当水泵电机出厂时就已经设定，不可改变。所以，想改变电机转速只能改变电机的输入电源频率f。只要连续改变电机的电源频率即可调整电机的转速，使水泵可以进行连续而平滑的调速。
1.2恒压变流调节及其节能原理
若使管网压力保持恒定，需对管网压力进行实时监测，一般将监测点设为水泵出水口处，利用压力传感器进行监测，将监测的压力信号传送给控制器进行处理。将监测点的压力与实际系统设定压力进行比较，若实际压力值低于设定压力值，变频调速器将使水泵电机电源频率升高。从而提高了水泵转速，增加了管网的压力。相反，若管网实际压力值高于设定压力值，变频调速器就将水泵电机电源频率降低，水泵转速下降，管网压力减小。所以，水泵电机的转速完全取决于管网的压力与设定压力差值，动态的调节水泵电机转速就可以使压力监测点的压力保持恒定值，而出水量却随之变化，即“恒压变流”。
水泵的特性曲线和管阻特性曲线决定了水泵的压力与出水量，如图1所示。
图1水泵性能工况图 工况点为A表示的是水泵工频50 Hz运行时，对应的流量与压力分别为Q0和H0。当系统用水量由Q0减少至Q1时，如果水泵仍工频运行，若用阀门来调节流量，管阻特性曲线将发生变化，由R1移至R2，水泵的工况点也将随之发生变化，由A移至B，流量对应Q1，压力对应H1，根据水泵原理，水泵输出的功率为式（2）：
P=γQ1H11000η（2）
式中P—水泵提供的轴功率；
γ—水的重度；
η—水泵效率。
如果水泵电机转速可调，由于用户关小了阀门，管网流量变小，这时，管阻特性曲线发生了变化，由R1向R2方向移动，虽然管网流量变小了，但是水泵出口处压力却高于设定压力H0，变频器将自动降低水泵的电源频率来降低转速，水泵转速降低至n1时，管网的流量减小至Q1，工况点为C。此时流量为Q1，压力为H0，根据水泵原理，输出的功率为式（3）：
P=γQ1H01000η（3）
很显然，由于H0小于H1，水泵的节能为：
△P=γQ11000η(H1-H0)（4）
根据流体力学知识，流量Q与转速n成正比，压力H与转速n的平方成正比，若要求水泵出水流量的下降，只需成比例的下降电机转速n，如此一来，水泵功率则成立方关系下降。综上所述，水泵的耗电功率与转速近似成立方比的关系。比如：一台功率为45 kW的水泵电机，降低转速至原转速4/5时，其消耗的电量为2304 kW，节省电量5147%；如果降低转速至1/2，其消耗的电量为562 kW，节省电量达895%。
2变频调速节水灌溉系统构成
变频调速灌溉系统主要由PLC和变频器对水泵机组转速优化调整进行自动控制，控制过程采用闭环控制。压力传感器根据压力输出的连续变化的模拟量信号，再由AD转换器变换成对应的数字信号传送给PLC与设定的压力值进行比较，根据差值调节变频器的输出频率，进而改变电机转速，使水泵的转速及出水流量发生相应的变化。使供水管网压力保持恒定。
2.1系统组成
本系统主要由PLC及其扩展单元、压力变送器、AD转换器、DA转换器和变频器构成，形成压力负反馈闭环控制系统。系统结构图如图2所示。图2系统结构图2.2系统主要部件功能
(1)可编程控制器PLC将AD转换器采集到的压力信号进行处理，与设定的压力数值进行比较，根据比较的结果调整输出数据，改变变频器的频率。同时还承担其他的输出逻辑控制。三菱公司的FX2NPLC功能强大，能够满足实时数据采集和处理，而且体积小，安装调试便捷，系统抗干扰能力强，可靠性高。
(2)变频器。接收PLC发出的频率控制信号，对应的改变输出频率，对水泵电机进行转速调节。一般变频器均有模拟量控制接口，可接收标准的工业0～10 V或4～20 mA模拟信号，该模拟信号与变频器输出频率对应成比例，可实现频率的连续输出，精度可达01 Hz。
(3)AD/DA转换器。由于压力变送器输出信号为模拟量信号，不能直接提供给PLC使用，故要经AD转换器进行数据采集并转换为数字信号供给PLC进行数据处理。由于变频器采用模拟量线性控制，当使用PLC控制变频器时，PLC将数字量先送入DA转换器转换为模拟信号，由DA转换器输出的模拟信号间接控制变频器输出频率。
3系统自动控制的实现
系统的自动控制依赖于完善的程序控制流程，PLC以梯形图作为编程语言完成对水泵电机的转速及逻辑控制。程序主要完成对AD转换器及DA转换器的初始化工作、系统手动控制与自动控制的切换、水泵机组切换及启停等问题。
根据前面分析，水泵电机的转速是改变水泵压力及出水量关系曲线的根本参数，电机转速发生变化，水泵工况点也随之发生变化，在某一固定的压力范围内，改变调节水泵电机的转速，总有一条或一簇与之转速相对应的特性曲线来满足作物需水要求。
假设灌溉管网压力要求为025～035 MPa，PLC将以此作为设定值，与压力传感器采集的水泵出水压力实际进行比较。将比较的结果对水泵电机进行差异控制。其控制过程工作如图3所示。图3控制过程流程图我们可以把系统设计成自动和手动的两种方式。手动的工作方式可以由用户通过矩阵按键设定所需管网压力值，设定完毕后将转为自动工作方式。自动工作方式将实时进行压力比较，使灌溉系统管网压力满足要求。此外，为了避免电机出现振荡现象，还可以使变频器处于一个稳定的频率范围，让水泵电机工作状态较为稳定，这样非常有利于延长水泵电机的使用寿命。
4变频调速后水泵运行效能
采用变频器后，通过对变频器的控制可实现对电机以及水泵的转速控制, 从而圆满地解决了用户要求恒压变流的供水问题。
经过变频调速的灌溉系统，水泵电机的转速根据管网压力进行实时调节，使管网恒压供水问题得到了圆满的解决。经过实验证明，采用变频器有如下优越性：
(1)水泵电机的启动不再需要Ｙ-△变换装置，因为采用了变频器，使水泵电机启动频率降为0，再经过一段时间加速至设定频率，不会对电网造成冲击。
（2）电机转速的改变是由改变变频器输出频率来实现的。变频器的输出频率可方便的由PLC及DA转换器输出的模拟量来进行控制，响应速度快。而PLC的对变频器输出频率的调节是根据管网出水压力的实际值进行控制的。压力传感器采集实际管网出水压力的周期可高达几十毫秒，数据具有实时性，达到了系统的全自动实时控制，节省人力资源并提高了可靠性，避免了由于用户疏忽操作带来的不稳定性。
（3）变频器的输出频率分辨率非常高，可达01 Hz，精度完全能够达到节水灌溉系统的要求。另外，变频器的频率连续可调，使水泵电机的转速在一定范围内随意改变，从而水泵转速可以快速响应管网流量变化，避免了水泵电机的频繁启停，节省了大量的水能和电能。
5实验结论分析
通过实验证明，当供水管网的工作压力设定为025~03 MPa时，根据不同的出水流量，当采用阀门控制和转速控制时，水泵消耗的功率如下表所示。表中显示，在变频调速的节能灌溉方式下，根据水泵出水流量大小可节能20%~69%，效果显著。表两种控制方法节能效果统计表
控制
方式计算
项目Q/m3·h-10.90.80.70.60.50.40.3阀门
控制效率/%98948982736249功率/kW0.990.970.950.920.890.860.84变频
控制转速/r·min-10.940.880.820.760.700.640.58效率/%99989794908474功率/kW0.790.610.460.350.270.190.15节能效果/%203649576267696结语
由PLC和变频器组成的节能灌溉系统，结构简单，控制效果好，一次性投入成本低。可有效解决不同灌溉区所需不同灌溉用水量时水泵空载的节能问题，节能效果显著，管网压力稳定，经济效益良好。另外系统采用PLC程序易于修改，并可方便的移植到其他喷滴灌工程上使用。由于采用了自动控制，避免了人为干预，减少了不稳定性。同时也避免了传统阀门开度控制使水泵机组频繁启动，使电机寿命得已延长。变频调速在节能灌溉系统的恒压变流起到了巨大的推动作用，效果良好。利用变频调速技术不但可以实现恒压变流供水，还能够实现恒流变压供水，甚至还可以实现变流变压的供水来满足不同用户需求。总之，变频调速在农业节能灌溉中的应用是现在农业发展的一个重要研究课题。
参考文献：
[1]武鹏林，张向东.节水灌溉系统变频控制的节能研究与应用[J].农业工程学报，2002(4):22-25.
[2]方彦军.楼宇集中空调变频调节节能研究[J].自动化博览，2000(6):5-7.
[3]张振国.变频调速装置在农业节水灌溉中的应用[D].太原理工大学硕士论文，2003:20-23.
[4]刘永华，陈志明.PLC及变频调速恒压喷灌系统的设计[J].节水灌溉，2009(1):44-45.
[5]费顺华，陈慧霞.自控变频节能节水灌溉系统开发研究[J].浙江水利科技，2007（3）:15-17.（05）
P=γQ1H11000η（2）
式中P—水泵提供的轴功率；
γ—水的重度；
η—水泵效率。
如果水泵电机转速可调，由于用户关小了阀门，管网流量变小，这时，管阻特性曲线发生了变化，由R1向R2方向移动，虽然管网流量变小了，但是水泵出口处压力却高于设定压力H0，变频器将自动降低水泵的电源频率来降低转速，水泵转速降低至n1时，管网的流量减小至Q1，工况点为C。此时流量为Q1，压力为H0，根据水泵原理，输出的功率为式（3）：
P=γQ1H01000η（3）
很显然，由于H0小于H1，水泵的节能为：
△P=γQ11000η(H1-H0)（4）
根据流体力学知识，流量Q与转速n成正比，压力H与转速n的平方成正比，若要求水泵出水流量的下降，只需成比例的下降电机转速n，如此一来，水泵功率则成立方关系下降。综上所述，水泵的耗电功率与转速近似成立方比的关系。比如：一台功率为45 kW的水泵电机，降低转速至原转速4/5时，其消耗的电量为2304 kW，节省电量5147%；如果降低转速至1/2，其消耗的电量为562 kW，节省电量达895%。
2变频调速节水灌溉系统构成
变频调速灌溉系统主要由PLC和变频器对水泵机组转速优化调整进行自动控制，控制过程采用闭环控制。压力传感器根据压力输出的连续变化的模拟量信号，再由AD转换器变换成对应的数字信号传送给PLC与设定的压力值进行比较，根据差值调节变频器的输出频率，进而改变电机转速，使水泵的转速及出水流量发生相应的变化。使供水管网压力保持恒定。
2.1系统组成
本系统主要由PLC及其扩展单元、压力变送器、AD转换器、DA转换器和变频器构成，形成压力负反馈闭环控制系统。系统结构图如图2所示。图2系统结构图2.2系统主要部件功能
(1)可编程控制器PLC将AD转换器采集到的压力信号进行处理，与设定的压力数值进行比较，根据比较的结果调整输出数据，改变变频器的频率。同时还承担其他的输出逻辑控制。三菱公司的FX2NPLC功能强大，能够满足实时数据采集和处理，而且体积小，安装调试便捷，系统抗干扰能力强，可靠性高。
(2)变频器。接收PLC发出的频率控制信号，对应的改变输出频率，对水泵电机进行转速调节。一般变频器均有模拟量控制接口，可接收标准的工业0～10 V或4～20 mA模拟信号，该模拟信号与变频器输出频率对应成比例，可实现频率的连续输出，精度可达01 Hz。
(3)AD/DA转换器。由于压力变送器输出信号为模拟量信号，不能直接提供给PLC使用，故要经AD转换器进行数据采集并转换为数字信号供给PLC进行数据处理。由于变频器采用模拟量线性控制，当使用PLC控制变频器时，PLC将数字量先送入DA转换器转换为模拟信号，由DA转换器输出的模拟信号间接控制变频器输出频率。
3系统自动控制的实现
系统的自动控制依赖于完善的程序控制流程，PLC以梯形图作为编程语言完成对水泵电机的转速及逻辑控制。程序主要完成对AD转换器及DA转换器的初始化工作、系统手动控制与自动控制的切换、水泵机组切换及启停等问题。
根据前面分析，水泵电机的转速是改变水泵压力及出水量关系曲线的根本参数，电机转速发生变化，水泵工况点也随之发生变化，在某一固定的压力范围内，改变调节水泵电机的转速，总有一条或一簇与之转速相对应的特性曲线来满足作物需水要求。
假设灌溉管网压力要求为025～035 MPa，PLC将以此作为设定值，与压力传感器采集的水泵出水压力实际进行比较。将比较的结果对水泵电机进行差异控制。其控制过程工作如图3所示。图3控制过程流程图我们可以把系统设计成自动和手动的两种方式。手动的工作方式可以由用户通过矩阵按键设定所需管网压力值，设定完毕后将转为自动工作方式。自动工作方式将实时进行压力比较，使灌溉系统管网压力满足要求。此外，为了避免电机出现振荡现象，还可以使变频器处于一个稳定的频率范围，让水泵电机工作状态较为稳定，这样非常有利于延长水泵电机的使用寿命。
4变频调速后水泵运行效能
采用变频器后，通过对变频器的控制可实现对电机以及水泵的转速控制, 从而圆满地解决了用户要求恒压变流的供水问题。
经过变频调速的灌溉系统，水泵电机的转速根据管网压力进行实时调节，使管网恒压供水问题得到了圆满的解决。经过实验证明，采用变频器有如下优越性：
(1)水泵电机的启动不再需要Ｙ-△变换装置，因为采用了变频器，使水泵电机启动频率降为0，再经过一段时间加速至设定频率，不会对电网造成冲击。
（2）电机转速的改变是由改变变频器输出频率来实现的。变频器的输出频率可方便的由PLC及DA转换器输出的模拟量来进行控制，响应速度快。而PLC的对变频器输出频率的调节是根据管网出水压力的实际值进行控制的。压力传感器采集实际管网出水压力的周期可高达几十毫秒，数据具有实时性，达到了系统的全自动实时控制，节省人力资源并提高了可靠性，避免了由于用户疏忽操作带来的不稳定性。
（3）变频器的输出频率分辨率非常高，可达01 Hz，精度完全能够达到节水灌溉系统的要求。另外，变频器的频率连续可调，使水泵电机的转速在一定范围内随意改变，从而水泵转速可以快速响应管网流量变化，避免了水泵电机的频繁启停，节省了大量的水能和电能。
5实验结论分析
通过实验证明，当供水管网的工作压力设定为025~03 MPa时，根据不同的出水流量，当采用阀门控制和转速控制时，水泵消耗的功率如下表所示。表中显示，在变频调速的节能灌溉方式下，根据水泵出水流量大小可节能20%~69%，效果显著。表两种控制方法节能效果统计表
控制
方式计算
项目Q/m3·h-10.90.80.70.60.50.40.3阀门
控制效率/%98948982736249功率/kW0.990.970.950.920.890.860.84变频
控制转速/r·min-10.940.880.820.760.700.640.58效率/%99989794908474功率/kW0.790.610.460.350.270.190.15节能效果/%203649576267696结语
由PLC和变频器组成的节能灌溉系统，结构简单，控制效果好，一次性投入成本低。可有效解决不同灌溉区所需不同灌溉用水量时水泵空载的节能问题，节能效果显著，管网压力稳定，经济效益良好。另外系统采用PLC程序易于修改，并可方便的移植到其他喷滴灌工程上使用。由于采用了自动控制，避免了人为干预，减少了不稳定性。同时也避免了传统阀门开度控制使水泵机组频繁启动，使电机寿命得已延长。变频调速在节能灌溉系统的恒压变流起到了巨大的推动作用，效果良好。利用变频调速技术不但可以实现恒压变流供水，还能够实现恒流变压供水，甚至还可以实现变流变压的供水来满足不同用户需求。总之，变频调速在农业节能灌溉中的应用是现在农业发展的一个重要研究课题。
参考文献：
[1]武鹏林，张向东.节水灌溉系统变频控制的节能研究与应用[J].农业工程学报，2002(4):22-25.
[2]方彦军.楼宇集中空调变频调节节能研究[J].自动化博览，2000(6):5-7.
[3]张振国.变频调速装置在农业节水灌溉中的应用[D].太原理工大学硕士论文，2003:20-23.
[4]刘永华，陈志明.PLC及变频调速恒压喷灌系统的设计[J].节水灌溉，2009(1):44-45.
[5]费顺华，陈慧霞.自控变频节能节水灌溉系统开发研究[J].浙江水利科技，2007（3）:15-17.（05）
P=γQ1H11000η（2）
式中P—水泵提供的轴功率；
γ—水的重度；
η—水泵效率。
如果水泵电机转速可调，由于用户关小了阀门，管网流量变小，这时，管阻特性曲线发生了变化，由R1向R2方向移动，虽然管网流量变小了，但是水泵出口处压力却高于设定压力H0，变频器将自动降低水泵的电源频率来降低转速，水泵转速降低至n1时，管网的流量减小至Q1，工况点为C。此时流量为Q1，压力为H0，根据水泵原理，输出的功率为式（3）：
P=γQ1H01000η（3）
很显然，由于H0小于H1，水泵的节能为：
△P=γQ11000η(H1-H0)（4）
根据流体力学知识，流量Q与转速n成正比，压力H与转速n的平方成正比，若要求水泵出水流量的下降，只需成比例的下降电机转速n，如此一来，水泵功率则成立方关系下降。综上所述，水泵的耗电功率与转速近似成立方比的关系。比如：一台功率为45 kW的水泵电机，降低转速至原转速4/5时，其消耗的电量为2304 kW，节省电量5147%；如果降低转速至1/2，其消耗的电量为562 kW，节省电量达895%。
2变频调速节水灌溉系统构成
变频调速灌溉系统主要由PLC和变频器对水泵机组转速优化调整进行自动控制，控制过程采用闭环控制。压力传感器根据压力输出的连续变化的模拟量信号，再由AD转换器变换成对应的数字信号传送给PLC与设定的压力值进行比较，根据差值调节变频器的输出频率，进而改变电机转速，使水泵的转速及出水流量发生相应的变化。使供水管网压力保持恒定。
2.1系统组成
本系统主要由PLC及其扩展单元、压力变送器、AD转换器、DA转换器和变频器构成，形成压力负反馈闭环控制系统。系统结构图如图2所示。图2系统结构图2.2系统主要部件功能
(1)可编程控制器PLC将AD转换器采集到的压力信号进行处理，与设定的压力数值进行比较，根据比较的结果调整输出数据，改变变频器的频率。同时还承担其他的输出逻辑控制。三菱公司的FX2NPLC功能强大，能够满足实时数据采集和处理，而且体积小，安装调试便捷，系统抗干扰能力强，可靠性高。
(2)变频器。接收PLC发出的频率控制信号，对应的改变输出频率，对水泵电机进行转速调节。一般变频器均有模拟量控制接口，可接收标准的工业0～10 V或4～20 mA模拟信号，该模拟信号与变频器输出频率对应成比例，可实现频率的连续输出，精度可达01 Hz。
(3)AD/DA转换器。由于压力变送器输出信号为模拟量信号，不能直接提供给PLC使用，故要经AD转换器进行数据采集并转换为数字信号供给PLC进行数据处理。由于变频器采用模拟量线性控制，当使用PLC控制变频器时，PLC将数字量先送入DA转换器转换为模拟信号，由DA转换器输出的模拟信号间接控制变频器输出频率。
3系统自动控制的实现
系统的自动控制依赖于完善的程序控制流程，PLC以梯形图作为编程语言完成对水泵电机的转速及逻辑控制。程序主要完成对AD转换器及DA转换器的初始化工作、系统手动控制与自动控制的切换、水泵机组切换及启停等问题。
根据前面分析，水泵电机的转速是改变水泵压力及出水量关系曲线的根本参数，电机转速发生变化，水泵工况点也随之发生变化，在某一固定的压力范围内，改变调节水泵电机的转速，总有一条或一簇与之转速相对应的特性曲线来满足作物需水要求。
假设灌溉管网压力要求为025～035 MPa，PLC将以此作为设定值，与压力传感器采集的水泵出水压力实际进行比较。将比较的结果对水泵电机进行差异控制。其控制过程工作如图3所示。图3控制过程流程图我们可以把系统设计成自动和手动的两种方式。手动的工作方式可以由用户通过矩阵按键设定所需管网压力值，设定完毕后将转为自动工作方式。自动工作方式将实时进行压力比较，使灌溉系统管网压力满足要求。此外，为了避免电机出现振荡现象，还可以使变频器处于一个稳定的频率范围，让水泵电机工作状态较为稳定，这样非常有利于延长水泵电机的使用寿命。
4变频调速后水泵运行效能
采用变频器后，通过对变频器的控制可实现对电机以及水泵的转速控制, 从而圆满地解决了用户要求恒压变流的供水问题。
经过变频调速的灌溉系统，水泵电机的转速根据管网压力进行实时调节，使管网恒压供水问题得到了圆满的解决。经过实验证明，采用变频器有如下优越性：
(1)水泵电机的启动不再需要Ｙ-△变换装置，因为采用了变频器，使水泵电机启动频率降为0，再经过一段时间加速至设定频率，不会对电网造成冲击。
（2）电机转速的改变是由改变变频器输出频率来实现的。变频器的输出频率可方便的由PLC及DA转换器输出的模拟量来进行控制，响应速度快。而PLC的对变频器输出频率的调节是根据管网出水压力的实际值进行控制的。压力传感器采集实际管网出水压力的周期可高达几十毫秒，数据具有实时性，达到了系统的全自动实时控制，节省人力资源并提高了可靠性，避免了由于用户疏忽操作带来的不稳定性。
（3）变频器的输出频率分辨率非常高，可达01 Hz，精度完全能够达到节水灌溉系统的要求。另外，变频器的频率连续可调，使水泵电机的转速在一定范围内随意改变，从而水泵转速可以快速响应管网流量变化，避免了水泵电机的频繁启停，节省了大量的水能和电能。
5实验结论分析
通过实验证明，当供水管网的工作压力设定为025~03 MPa时，根据不同的出水流量，当采用阀门控制和转速控制时，水泵消耗的功率如下表所示。表中显示，在变频调速的节能灌溉方式下，根据水泵出水流量大小可节能20%~69%，效果显著。表两种控制方法节能效果统计表
控制
方式计算
项目Q/m3·h-10.90.80.70.60.50.40.3阀门
控制效率/%98948982736249功率/kW0.990.970.950.920.890.860.84变频
控制转速/r·min-10.940.880.820.760.700.640.58效率/%99989794908474功率/kW0.790.610.460.350.270.190.15节能效果/%203649576267696结语
由PLC和变频器组成的节能灌溉系统，结构简单，控制效果好，一次性投入成本低。可有效解决不同灌溉区所需不同灌溉用水量时水泵空载的节能问题，节能效果显著，管网压力稳定，经济效益良好。另外系统采用PLC程序易于修改，并可方便的移植到其他喷滴灌工程上使用。由于采用了自动控制，避免了人为干预，减少了不稳定性。同时也避免了传统阀门开度控制使水泵机组频繁启动，使电机寿命得已延长。变频调速在节能灌溉系统的恒压变流起到了巨大的推动作用，效果良好。利用变频调速技术不但可以实现恒压变流供水，还能够实现恒流变压供水，甚至还可以实现变流变压的供水来满足不同用户需求。总之，变频调速在农业节能灌溉中的应用是现在农业发展的一个重要研究课题。
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