Автоматизированная система поверхностного полива Советский патент 1985 года по МПК A01G25/16 

I1 Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано для автоматизации поверхностного полива, например, из закрытой оро сительной сети на.севооборотных ,участках орошаемого поля. Известна гидросистема с программным управлением и датчиком влажности, в которой датчик влажностииспользуется для управления началом полива Cl3, Недостатками этого устройства являются отсутствие контроля нормы полива и сигнализации окончания полива Известна автоматизированная система поверхностного полива, содержащая на первом участке последовательно включенные сигнализатор увлажненности, подключенный линией связи к датчикам влажности почвы на участках, программное устройство, коммутатор источника питания постоянного тока,логическое устройство с дешифратором и счетчиком для последовательного переключения участков поля и блок управления исполнительными механизмами водораспределения в борозды из закрытой оросительной сети, подключенный к линии питания, а на последующих участках - подключенные к коммутатору через линию управления логическое устройство и блок управления исполнительными механизмами 2 Недостатками известной системы являются низкое качество полива и большой расход воды. Цель изобретения - повьш:ение качества полива и экономия воды. Эта . цель достигается тем, что датчики влажности подключены к сигнализатору увлажненности через отдельные для каждого участка гальванически развязанные элементы, подключенные к выходам логического устройства, счетный вход которого подключен, к линии управления через схе му выдержки времени, а сигнализатор увлажненности почвы имеет компаратор и кольцевой переключатель его входов-на разные пороги срабатывания, вьтолненные на основе гальванически развязанных элементов, имеющих управление от дешифратора, подключенного к счетчику, вход которого связан с выходом компаратора. Кроме того, датчики влажности выполнены в виде полос из токопроводящего материала, имеющих изолирован5ную пленку для зкранирования, от нижележащих слоев почвы. На фиг. 1 показана блок-схема электрогидравлического варианта автоматизированной системы поверхностного полива; на фиг. 2 - принципиальная схема сигнализатора увлажненности и датчика влажности для контроля времени добегания воды до фиксированного участка борозды и нормы полива. Система содержит сигнализатор 1 увлажненности почвы, программное устройство 2 с логическим устройством, дешифратором и счетчиком для последовательного переключения участков поля, источник 3 питания, коммутатор 4 источника питания постоянного тока, установленные на одном из участков поля, счетные логические устройства 5, блоки 6 управления электрогидравлическими исполнительными механизмами, гидравлические линии 7 управления исполнительными механизмами 8 подораспределения в борозды из закрытой оросительной сети, установленные на каждом участке поля, одНопроводную 9 связи, линию 10 управления из двухпроводной линии связи и гидравлической линии управления, закрытую оросительную сеть 11 и датчики 12 влаж-ности почвы на каждом участке поля, соединенные через гальванически развязанный элемент 13 и линию 9 связи с сигнализатором 1 увлажненности. Выход последнего соединен с входом программного устройства 2, выход которого через коммутатор 4, линию 10 управления и логические устройства 5 соединен с блоком 6 управления электрогидравлическими исполнительными механизмами. Выход блока 6 управления через гидравлические линии 7 управления соединен сисполнительными механизмами 8. Принципиальная схема соединений сигнализатора 1 увлажненности почвы с датчиком 12 влажности содержит программное устройство 2, источник . 3 стабилизированного питания, коммутатор 4 источника питания, гальванический развязанньм элемент, например оптрон 13, логическое устройство5 и схему 14 выдержки времени. К стабилизированному выходу ис- точника 3 питания положительного напряжения (+15г6 В) через дискретно регулируемое и нерегулируемое сопротивление 15 подключен гальванически развязанный элемент, например, излучатель и фотоприемник оптрона 16. К стабилизированному выходу источника 3 Литания отрицательного напряжения через дискретно регулируемые сопротивления 17 подключены фотоприемники оптронов 18 и 19, излучатели которых подключены к нерегулируемому сопротивлению 15. К выходу генератора пакета измерительных импульсов переменного тока коммутатора 4 подключены сопро тивление 20 и фотЬприемники оптро|нов 13, 2 и 22. На входе фотоприемника оптрона 22 подсоединено сопротивление 23, На выходе фотоприемника оптрона 18 подсоединено сопротивление 24, диод 25 и неинвертиру.ощий вход компаратора 26. К сопротивлению 24 подключен инвертирующий вход компаратора 26. Сопротивление 23 через диод 27 соединено с заземлением 28. Выход.компаратора 26 соединен с входом логического элемента НЕ 29. Выход логического элемента 29 соединен с вход ми счетчика 30 и программного устройства 2. Выходы счетчика 30 соеди нены с входами дешифратора 31, выходы которого соединены с коммутато ром 4, излучателями оптронов 16 и 21 и через логический элемент И 32 соединены с излучателем оптрона 22 К линии 9 связи через фотоприемник - фототранзистор оптрона 13 подключен датчик 12 увлажненности почвы, например, включающий неизоли .рованный проводник 33 из полосы токопроводящего материала, установленный под пахотным слоем 34 земли (на глубине 40 см ), экранированный от нижележащих слоев 35 земли изолированной пленкой 36. Программное устройство 2 включает программируемую микроЭБМ с управляемым таймером, устройствами вв да сигналов от сигнализатора 1 увла ненности и вывода сигналов управления интервалами времени следования длинных и коротких импульсов коммутатора 4. В качестве микроЭВМ используется Микроконтроллер К145ИК180 или программируемый микрокалькулятор Электроника БЗ-34. Программа работьк программного устройства для каждого участка поля содержит гщаптивные алгоритмы формирования времени между короткими импульсами для чередующейся подачи воды и борозды по заданной программе и по резуль- . татам анализа временигмежду срабатываниями сигнализатора 1 увлажненности почвы от его команды на начало полива, добегание воды до фиксированного участка борозды и оконча-. ние полива. В случае,одновременного управления несколькими участками поля для регулирования расхода воды в борозды программное устройство также формирует и команды управления длинных импульсов для последовательного переключения различньтх комбинаций подсоединения к выходу логического устройства 5 ;-; блоков 6 управления и датчиков 12 влажности (не показаны). Критерием оптимальности импульсов полива является минимальное время добегания воды до конца борозды по сухой борозде и максимальное время от длительности пол1ша на доувлажнение почвы при последующих импульсах полива без сброса воды из конца борозды. Этим обеспечивается равномерность полива и минимапьньш расход воды на полив. Источник 3 питания содержит сухие батареи, аккумулятор или преобразователь напряжения электросети на напряжения 15 и 27 В и стабилизатор напряжения ±6т15 В, а также содержит источник давления воды 1-2 мПа, например емкость объемом 3 м с чистой водой, соединенную гидравлиг ческой линией 10 управления с блокаи 6 управления и обеспечивающую на 0,5 мПа превышение давления воды на Зтравляющих органах исполнительных механизмов 8 по сравнению с давлением воды в закрытой оросительной сети 1 1 . Накопители энергии питания, елители напряжения питания и известные схемы питания всех микросхем не показаны на чертеже. .Коммутатор 4 источника питания остоянного тока содержит электроные устройства для формирования имульсов отключения напряжения в вухпроводной линии 10 управления линного импульса болеб 100 мкс по оманде сигнализатора 1 увлажненноти или программного устройства 2 и ороткого импульса менее 10 мкс по оманде программного устройства 2. оммутатор 4 содержит также генера5I

тор пакета стабилизированных импульсов переменного тока (до 10/, вход которого синхронизирован по времени с началом коротких импульсов тока в линии JO управления, а выход соединен ,(фиг. 2) с сигнализатором 1 увлажненности и через линию 9.связи с одним из датчиков 12 влажности почвы.

Логическое устройство 5 (схема не показана ) содержит дешифратор и счетчик, например 511 серии.-Схема соединений счетчика импульсов и выделенных для каждого участка поля выходов дешифратора с гальва.нически развязанным элементом 13 к с блоком 6 управления исполнительным механизмом выполнена так, что общее количество таких выходов дешифратора и счетчика равно или кратно количаству отдельных участков поля. Это позволяет по заданной . программе включать в работу один и Ш1И два смежных участка полива, включать соответствующие этим .участкам датчики 12 влажности почвы и регулировать расход воды в борозды. Изменение положения счетчика дешифратора происходит при прохо кдении на йход логического устройства 5 через схему 14 выдержки времени длинных импульсов отключения напряжения коммутатором 4. Блок б управления злектрогндравлическими исполнительньми механизмами, например, задвижками перфорированного трубопровода закрытой оросительной сети 11, содержит емкостной накопитель энергии питания постоянного тока напряжением 25 В с разделительным диодом, два электрогидрореле и myльcнoгo действия типа КЭГ-И исхему формирований импульсов для раздельного или параллельного управления электрогвдрореле двух участков поля, например согласно известному. К первому или к второму электрогидрореле соответственно подключены линии 7 управления микрогидрантами 8 левого или правого распределительного участков трубопровода.

Схема формирования импульсов для раздельного или параллельного управления электрогидрореле двух участков поля содержит триггеры со счетным входом и логические устройства на элементах И,ИЛИ, ШШ-НЕ. Тригге2385

. ры входом соединены с выходом логического устройства 5, а выходом че- рез тиристоры соединены с электро- ; гидрореле и обеспечивают, в соответствии с подключенными выходами дешифратора логического устройства 5, включение одного ,или двух; участков поля, Логические устройства блока 6 подключены прямо к линии IО

10 связи. Этим .обеспечивается многократное переключение электрогидрореле при прохождении коротких импульсов по линии 10 связи.

Линии 9 и 10 связи выполняются

15 из изолированного кабеля управления сечением 2,5 мм , например, из кабеля ПРППМ. Гидравлическая линия 10 управления выполнена из полиэтиленовой трубки диаметром до 16 мм. Закрытая оросительная сеть 11 с водораспределительными трубопроводами выполняется из асбоцементных труб .диаметром 100-200 мм и рассчитывается по максимальному расходу воды

25 на участок полива.

Гальванически развязанные элементы 13, 16, 18, 19, 21 и 22 выполняются на ключах К 561 КТЗ или ца оптронах типа АОД101Б.

Схема 14 выдержки времени, предназначенная для формирования импулъ.сов управления логическим устройством 5 при длинных импульсах отключения напряжения питания в линии 10 связи, содержит делитель напряжения на сопротивлениях и последовательно соедиртенные инвертор, сопротивление, накопительный конденсатор и триггер Шмидта.

Сопротивления 17 и 24 или 15 и 23, разделительные диоды 25 и 27, фотоприемники на фотодиодах оптронов 18 и 19 или 16 и заземление 28 образуют делитель стабилизированного напряжения источника 3 питания.

Сопротивление 20, линии 9 связи, фотоприемник оптрона 13, полоса то- . копроводящего материала 33, полоса пахотного слоя 34 земли между лированной пленкой 36 и поверхностью земли, сопротивление массива 35 земли и заземление 28 образуют делитель напряжения -импульсов переменного тока коммутатора 4. Делитель напряжения импульсов совместно с делителями стабилизированного напряжения используются для сигнализации начала полива, добегания воды i 7 в бороздах до фиксированного расстояния от начала борозды и контроля заданной нормы полива при окончании полива. В соответствии с заданной программой раббтй эти напряжения с делителей коммутиру ются соответствующим соединением фотодиодов оптронов 16, 18, 19, 2 и 22 на входах компаратора 26. Ис пользование высокочувствительного i компаратора . 26 обеспечивает дис кретность измерения сопротивления пахотного слоя земли через 5 Ом. Заземление 28 выполняется путем установки контура заземления величиной не более 4 Ом. Контур заземления должен выполняться таким образом, чтобы колебание его сопротивления во время полевого сезона было минимальным, например путем прокладки закольцованной полосы заземления под каналом с водой или на глубине более 1м. Диод 27 ограничивает уровень отрицательного напряжения на выходе компаратора 26, например, не более 0,7В. Логический элемент 29 инвертиру ет напряжение на выходе компаратора 26 для переключения счетчика 30 и управления работой програм много устройства 2. Оптроны 16, 18 19, 21 и 22, логические элементы 29 и 32, сопротивления 17, 15, 23 и 24, диоды 25 и 27, счетчик 30 и дешифратор 31 обеспечивают переклю чение порогов срабатывания компаратора 26 на Начало работы, сигнализацию добегания воды и окончание полива и в дальнейшем называются кольцевым ,переключателем порогов срабатывания. Пахотный слой 34 зем ли включает, например, 15 борозд и расположен между изолированной пленкой 36 и поверхностью борозд. Полоса токопроводящего материала 33 из железа 0 6 мм прокладывается поперек борозд на фиксированном расстоянии от конца борозд например, равном добеганию воды до конца борозды каждого орошаемого участка поля . Длина токопроводящего материала 33 должна быть больше ширины, например, 15 борозд Этим обеспечивается интегральная оценка состояния влажности почвы в бороздах. Полиэтиленовая изолированная пленка 36 устанавливает8ся под полосой 33 ниже пахотного слоя земли, например, на глубине 45 см, и имеет ширину больше глубины заложения полосы 33, например, в 1,5 раза. Назначение гшенки 36 и изоляция полосы 33 от Массива 35 земли. Этим обеспечивается контроль нормы полива замыканием измерительных токов порогового устройств1а 1 через верхний слой орощаемой почвы. Датчик влажности обеспечивает возможность безынерционного, дистанционного (из подпахотного слоя 35 земли) измерения порога увлажненности верхнего слоя почвы (первого добегания, начала и окончания полива ). Двоичный счетчик 30 и дешифратор 31 образуют кольцевой переключатель порога срабатывания, например, .на три позиции. В соответствий с расг айками кольцевого переключателя логический элемент 32, соединенный с первым и вторым выходом дешифратора 31, обеспечивает вклк1чение оптрона 22 для пропускания импульсов отрицательной полярности из пакета импульсо.в переменного тока коммутатора 4 па инвертирующий вход компаратора 26, Нулевой выход дешифратора 31 соединен с излучателем оптронов 16 и 21, которые устанавливают порог срабатывания на начало полива и пропускают импульсы положительной, полярности из пакета импульсов переменного тока коммутатора 4 на неинвертирующий вход компаратора 26. Первый и второй выходы дешифратора 31 соединены с излучателями оптронов .18 и 19, которые устанавливают пороги срабатывания компаратора 26 на первое добегание воды до фиксированного расстояния в борозде. Настройка порогов срабатывания датчика 1 увлажненности почвы осуществляется дискретно регулируемыми сопротивлениями 15 и 17 по таблицам, по программе, рассчитываемой информационно-советующей системой., или при помощи расходомера воды на участке борозды. Р&бота устройства на примере автоматического полива севооборотного модуля орошаемого участка площадью в 150 га с различными культурами на отдельных участках поля без регу лирования расхода воды в борозды и работа сигнализатора увлажненности

почвы (фиг, 2) совместно с логичесКИМ устройством 5 после включения напряжения питания,

В начале цикла полива к сигнализатору 1 увлажненности почвы подключен датчик 12 влажности почвы первого участка полива (фиг, 1), Дешифратор 31 установлен в нулевое положение, на его нулевом выходе появляется сигнал логического нуля, что вызьшает включение оптронов 21 и 16 и подачу на инвертирующий вход компаратора 26 положительного опорного напряжения, соответствующего порогу срабатывания на начало полива, а с делителя напряжения на сопротивлении 20 и датчика 12 импульсов переменного тока коммутатора 4 через фотоприемник оптрона 21 на неинвертирующий вход компаратора 26 подаются импульсы . положительной, полярности, амплитуда которых равна падению напряжения на датчике 12 влажности почвы.

По мере высыхания почвы увеличивается сопротивление датчика 12 и напряжение возрастает до величины первого порога срабатывания компаратора 26 и на его выходе появляется импульс положительной, полярности, который инвертируется логическим элементом НЕ 29 и подается на вход счетчика 30 и вход программного устройства 2, Дешифратор кольцевого переключателя переключается в 1-е положение, оптроны 21 и 16 отключаются и включаются оптроны 18 и 22, Теперь на инвертирующий вход компаратора 26 с делителя стабилизированного напряжения на сопротивлениях 17 и 24 подается отрицательное напряжение,соответствующее порогу срабатывания при добегании воды до конца борозды, а на инвертирующий вход компаратора 26 через фотоприемник оптрона 22 проходят импульсы отрицательной полярности переменного тока коммутатора 4 с делителя на сопротивлениях 20 и 23, При добегании воды в бороздах до датчика 12 влажности почвы амплитуда импульсов отрицательной полярности возрастает до величины порога срабатывания компаратора 26 и на вход счетчика 30 и вход программного устройства 2 подается второй импульс отрицательной полярности. Дешифратор 3J кольцевого распределителя переключается на 2-е положение, оптрон 18 выключается, .а оптрон 19 включается, оптрон 22 остается включенным, так как он подключен к выходу логического элемента И, входы которого подключены к 1 - и 2-му выводам дешифратора.

Теперь на инвертирувдий вход компаратора 26 подается опорное напряжение, соответствующее порогу срабатывания на окончание полива. При возрастании влажности поля и увеличении амплитуды импульсов отрицательной полярности до величины отрицательного опорного напряжения компаратор 26 срабатывает в третий раз. Импульс отрицательной полярности подается на программное устройство 2 и счетчик 30, При этом кольцевой распределитель возвращается в исходное (нулевоеj положение и на вход коммутатора с дешифратора 31 подается импульс отрицательной полярности, который является командой коммутатору для подачи длинных импульсов отключения напряжения источника 3 питания в линии 10 управления, что вызывает переключение дешифратора логического устройства 5 на первую позицию, которой на дешифраторе логического устройства 5 третьего участка поля соответствует включение датчика 12 влажности почвы через оптрон 13,

Полив второго участка начинается только при достижении, влажности почвы, равной порогу начала полива.

Работа сигнализатора 1 увлажненности почвы повторяется по окончании полива всех участков поля, при этом микроэвм программного устройства 2 на каждом участке поля уточняет оптимальную длительность импульсов полива по результатам сравнения фактического времени доб.егания и времени полива участка, заносит ее в память микроЭВМ для уточнения алгоритма работы и для использования в переносных программных устройствах Cil других севооборотных массивов.

После оконания первого полива всех участков поля проводится, согласно таблицам или расчетам центральной информационно-советующей системы, корректировка порогов срабатывания кольцевого переключателя путем изменения положения регулируемых сопротивлений 15 и 17. Сроки полива, оптимальная влажность почвы по фазам развития растений, уставки сигнализатора 1 увлажненности почвы на сопротивлениях 15 и 17, адаптивный алгоритм расчёта ;и оптимизации времени каждого импульса полива ..микроэвм, программног устройства 2 определяются согласно накопленному опыту работы или центральной информационно-советующей, системой, которая предварительно на опытном участке поля отрабатывает возможный алгоритм управления. Известную программу расчета оптимального времени каждого и myльca полива и исходные расчетные данные для каждой культуры закладывают в программу работы микроэвм программного устройства 2, Включением программного устройства 2 обеспечивается через коммута тор 4 включение логического устройства 5 в работу на нулевую позици10 дешифратора и подключение к управлению от микроэвм первой пары из ле вого и правого крьша микрогидрантов 8 первого участка полива, а также подключение на конце первого уча- стка через нулевой выход дешифратора второго участка поля и оптрон 13 датчика 12 влажности почвы к линии 9 связи и к сигнализатору 1 увлажненности почвы. При снижении вла ности почвы до заданного порога сра батывания на начало полива компаратор 26 через выход логического элемента 29 дает команду коммутатору А на выдачу длинного импульса для переключения дешифраторов на первую позицию у всех, логических устройств 5, переключение дешифрато ра 31, а также на запуск программы микроэвм для расчета времени каждого импульса поЛива, счета количеств импульсов полива, первого участка поля и на подачу первого короткого импульса для включения логическим устройством блока 6 электрогидрореле левого участка поля, а кольцевой переключатель сигнализатора I .увлажненности поля переключает на 2-й порог срабатывания при добегани воды, например, до фиксированного расстояния от конца борозды, .

Согласно программе полива в микроЭВМ происходит вычисление и отУправление поливом второго и последующих участков поля повторяетт 52 счет времени 1-го импульса подива, после отработки которого она вьщает команду коммутатору 4 на подачу 2-го короткого импульса, при кр-то ром отключается электрогидрореле левого участка и включается электрогидрореле правого участка с микрогидрантами 8. Затем микроЭВМ осуществляет вычисления и отработку 2-го и последующих импульсов полива, вычисленного по программе полива. Чередование импульсов полива правого и левого участков на первом участке поля осуществляется подачей коротких импульсов в схему блока 6 через логический элемент ИЛИ . на вход счетного триггера, выходы которого подключены к управляющим электродам тиристоров для переключения первого и второго электрогидро- реле. Чередование импульсов с оптимальной длительностью каждого импульса для полива правого и левого участков первого участка поля продолжается до момента добегания воды до датчика 12 влажности, работающего в режиме датчика добегания,.После срабатывания сигнализатор I увлажненности почвы дает команду программному устройству на запоминание количества импульсов полива, времени полива до добегания воды и на изменение программы формирования.длительности коротких импульсов, обеспечивающих заполнение смоченных борозд без сброса,и продолжается полив до срабатьшания сигнализатора 1 увлажненности, когда норма полива на первом участке поля достигнет заданной по программе. После этого сигнализатор 1 увлажненности дает команду програмному , устройству 2 на запоминание.времени доувлажнения поля и на формирование длинного импульса отключения питания постоянного тока в линии 10 управления, при этом сигнал проходит через схему 14 вьщержки времени и устанавливает все дешифраторы логических устройств 5 на вторую позицию, которой соответствует подключение в работу блока управления третьего участка поля и подключение датчика влажности почвы в конце второго участка поля.

1311

ся. При этом программное ..-устройство 2 осуществляет сравнение времени добегания воды До конца борозды и дЬувлажнения поля и по заданному оптимальному алгоритму полива осуществля1ет коррекцию программы полива в соответствии с установленными критериями оптимальности импульсной технологии полива, В процессе полива всех участков методом последовательного приближения программное устройство 2 поiработе сигнализатора 1

23851

увлажненности уточняет и запоминает алгоритм работы, который используется при последующих поливах,

S Таким образом, независимо от изменчивости характеристик орошаемого поля находится оптимальньгй режим изменения длительности каждого импульса и паузы полива, что обеспечивает техническую реализацию и максимальное использование преимуществ импульсной технологии полива.

1. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ПОВЕРХНОСТНОГО ПОЛИВА, содержащая на первом участке последовательно включенные сигнализатор увлажненности, подключенньй линией связи к датчикам влалсности почвы на участках, программное устройство, коммутатор источника питания постоянного тока,логическое устройство с дешифратором и счетчиком для последовательного перекл очеиия участков поля и блок управления исполнительными механизмами водораспределения в борозды из закрытой оросительной сети,подключенный к линии питания. а на последующих участках - подключенные к коммутатору через линию управления логическое устройство и блок управления исполнительными механизмами, о тлич ающаяс я тем, что, с целью повышениг качества полива и экономии воды, датчики влажности подключены к сигнализатору увлажненности через отдельные для каждого участка гальвани- . чески развязанные элементы, подключенные к выходам логического устройства, счетньй вход которого подключен к линии управления через схему выдержки времени, а сигнализатор увлажненности почвы имеет кp mapaтор и кольцевой переключатель его (Л входов на разные пороги срабатывания, вьтолненные на основе гальванически развязанных элементов, имеющих управление от дешифратора, подключенного к счетчику, вход которого связан с выходом компаратора. о:) 2. Система по п. 1, о т л и ч аГчЭ :Ю щ а я с я тем, что датчики влаж00 ности выполнены В виде полос из то00 копроводящего материала, имеющих сд изолированную пленку для экранирования от нижележащих слоев почвы.