Автоматизированная система регулирования водного режима почвы Советский патент 1988 года по МПК A01G25/06 

Изобретение относится к гидромелиорации в сельском хозяйстве и предназначено для автоматического регулирования водного режима почвы на осушительно-увлажнитель- ных системах с машинным водоподъемом.

Цель изобретения - повышение качества регулировки.

На чертеже представлена предлагаемая система.

Система автоматизированного регулирования водного режима почвы содержит магистральный канал 1 и подключенный к нему регулирующий канал 2 с аванкамерой 3 и установленной в последней насосной станцией 4, перекачивающей воду из аванкамеры 3 в накопительный трубопровод 5. На регулирующем канале на входе и выходе аванкамеры установлены щлюзы-регулято- рь1 6 и 7. На напорном трубопроводе 5 установлены затворы с электроприводами 8 и 9 для откачки воды в магистральный 1 и регулирующий 2 каналы. К регулирующему каналу подсоединены осушительно-увлаж- нительные дрены 10, причем могут быть при- любые известные конструкции дрен, из любых материалов, в том числе и безуклонные, с обратным уклоном и т. д. Таким образом, регулирующая сеть дрен 10 выполняет, как и в большинстве известных конструкций осушительно-увлажнительных систем, двойную роль: при осушении - осушителей, а при увлажнении - увлажнителей. В регулируюшем канале установлен датчик -11 уровня воды, а в аванкамере - датчик 12 -уровня воды, на поле в междреньи установлен датчик 13 уровня .грунтовых вод, кроме того, в систему включены датчики осадков 14, температуры воздуха 15 и относительной влажности воздуха 16.

Управление электроприводом шлюзов- регуляторов 6 и 7, насосной станции 4 и поворотных затворов 8 осуществляется управляющим устройством 17. Кроме этого, система снабжена блоком 18 задания уровня воды в аванкамере, блоком 19 задания уровня воды в регулирующем канале и электронно-вычислительным комплексом (ЭВК). Последний включает блок 19 задания уровня воды в регулирующем канале, аналого-цифровой преобразователь 20, блок 21 ввода данных и программ, микроконтроллер 22 и блок 23 согласования. Датчики уровня 11 и 12 имеют первый вход - информация об уровне воды в канале (аванкамере), второй вход - сигнал об изменении заданий уровней и один выход - сигнал на управляющее устройство 17. При изменении задания датчиками 11 и 12 уровня с помощью блоков 18 и 19 изменяется порог их срабатывания, при этом на датчиках уровня всегда предусматривается зона неоднозначности (зона нечувствительности); в режиме осушения насос включается при уровне воды, соответствующем верхнему из задействованных электродов, и отключается при сработке

уровня ниже нижнего из задействованных электродов, а в режиме увлажнения - наоборот. При изменении задания синхронно изменяется как верхний, так и нижний пределы.

Система автоматизированного регулирования водного режима почвы работает следующим образом.

Алгоритм функционирования системы на использовании уравнения водного баланса с учетом динамики влагозапаса почвы, который может быть представлен в виде

(Фа+Ка+Ег )-(T+E„4-Фг)ДW,, где Фа - инфильтрация (впитывание) воды с поверхности почвы в зону аэрации (зону неполного насыщения) ;

Ка - конденсация влаги в зоне аэрации;

Е|- - испарение с поверхности грунтовых вод УГВ (капиллярный отток влаги в зону аэрации с поверхности грунтовых вод); Т - транспирация растений; Е„ - испарение с поверхности почвы; Фг - проинфильтрованная влага до уровня грунтовых вод;

AWa - изменение запасов влаги в зоне аэрации.

Т и Е(- в сумме составляют испарение Е, которое есть функция от температуры, дефицита влажности воздуха, фазы развития и вида растений, водно-физических свойств почв, определяется расчетным путем при по - мощи ряда эмпирических коэффициентов, полученных в натуральных условиях, кроме того, на осушительно-увлажнительных системах, где УГВ является основной регулирующей величиной, Е является функцией от Н - глубины УГВ и продолжительности их стояния (М).

Перед началом работы через блок 21 ввода данных в память микроконтроллера 22 вводятся значения эмпирических коэффициентов биологических коэффициентов возделываемых культур, коэффициентов использования осадков и пористости почвогрунтов для расчета суммарного испарения и капиллярного подпитывания, данные о наимень- щей влагоемкости почвы, начальном влаго- запасе и допустимом диапазоне изменения влагозапаса, а также подпрограммы расчетов суммарного испарения, капиллярного подпитывания и временных задержек, после чего система переводится в автоматический режим работы.

Микроконтроллер 22, используя информацию, поступающую через аналого-цифровой преобразователь 20 от датчиков уровня грунтовых вод 13, осадков 14, температуры 15 и относительной влажности воздуха 16, а также данные и подпрограммы, введенные в его память, рассчитывает величину усредненного запаса влаги и ее отклонение от оптимального значения. Если расчетный влаго- запас больше нормы и величина его отклонения выходит за пределы допустимого диапазона, то микроконтроллер 22 производит расчет, требуемого уровня грунтовых вод и формирует сигнал на уменьшение уровня в аванкамере 3, поступающий через блок 23 согласования на блок 18 задания. Если при этом система работает в режиме увлажнения, то микроконтроллер 22 формирует дополнительный сигнал о переводе системы в режим осушения, поступаюш.ий через блок 23 соглаВ результате изменяется задание на датчиках 11 и 12 управления, а водорегулирую- ш,ий узел переходит в режим увлажнения. При этом закрываются шлюз-регулятор 7 и поворотный затвор 8, открываются шлюз- . регулятор 6 и поворотный затвор 9, после чего включается насосная станция 4 и дальнейшая работа системы контролируется датчиками 11 и 12 уровня. Вода из магистрального канала 1 самотеком поступает в авансования на управляющее устройство 17. Ю камеру 3, откуда перекачивается насосной В результате изменяется задание на датчи-станцией 4 через напорный трубопровод 5

в регулирующий канал 2 и подается в дрены 10. При подъеме уровня грунтовых вод до значения, близкого к расчетному, микроконтроллер 22 формирует время задержки, учитывающее динамику влагозапаса, по истечении которого с выхода микроконтроллера 22 на вход блока 21 ввода данных поступает сигнал о завершении цикла, после чего процесс повторяется.

и оттуда откачивается насосной станцией 4 20 В случае выпадения осадков микроконт- через напорный трубопровод 5 в магистраль-роллер 22 формирует сигнал на прекращение

водоподачи, поступающей через блок 23 согласования на управляющее устройство 17, в результате чего происходит отключение насосной станции 4 и система переходит в режим предупредительного шлюзования. Если количество выпавших осадков преке 12 уровня, а водорегулирующий узел переходит в режим осушения. При этом открывается щлюз-регулятор 7 и поворотный затвор 8, закрываются шлюз-регулятор 6 и по- 5 воротный затвор 9, после чего включается насосная станция 4 и дальнейшая работа системы контролируется датчиком 12 уровня. Избыточная вода из дрен 10 поступает по регулирующему каналу 2 в аванкамеру 3

ный канал I. При снижении уровня грунтовых вод до значения, близкого к расчетному, микроконтроллер 22 фор1 нрует время задержки, учитывающее динамику влагозапа- ,г са, по истечении которого с выхода микроконтроллера 22 на вход блока 21 ввода данных поступает сигнал о заверщении цикла, после чего процесс повторяется. Таким образом, в конце цикла формируется временвышает норму, микроконтроллер 22 фор.ми- рует сигнал на перевод водорегулирующего узла в режим осушения независимо от веная задержка, после чего микроконтроллер зО - «чины расчетного влагозапаса и уровня

производит расчет влагозапаса с учетом изменения метеопараметров и УГВ. Если его величина выходит за пределы допустимого диапазона, то рассчитываемая новая величина УГВ и сигнал выдается на изменение задания, что приводит к изменению положения затворов и включению насосных агрегатов. Если же нет, то формируется повторная временная задержка, в течение которой имеет место предупредительное шлюзование, т. е. насосные агрегаты отключены, затворы

находятся в положениях, соответствующих

предыдущему режиму.

Если величина расчетного влагозапаса меньше нормы и ее отклонение от заданного значения выходит за пределы допустимого диапазона, то микроконтроллер 22 производит расчет требуемого уровня грунтовых вод и формирует сигналы на увеличение уровня в регулирующем канале 2 н об изменениях уровня в аванкамере 3 до отметки, исклю45

Таким образом, в предлагаемой системе микроконтроллер, входы которого подключены к аналого-цифровому преобразователю и блоку ввода данных, -рассчитывает усредненный влагозапас, его отклонения от оптимального значения и требуемый уровень грунтовых вод, используя информацию, поступающую через аналого-цифровой преобразователь, а также данньге и подпрограммы, находящиеся в фиксированной памяти. На

чающей «сухой Х од насосов, которые посту- Q основе этих данных им вырабатываются

пают соответственно на блоки 19 и 18 зада-сигналы на изменение уровней воды в канале

ния («сухой ход - критическая отметкаи аванкамере и сигналы на изменение режиуровня, при которой может быть кавитацияма работы системы, поступающие через блок

насосов). Если при этом система работает в режиме осушения, то микроконтроллер 22

согласования соответственно на блоки изменения задания датчиков уровня, подклюформирует дополнительный сигнал о пере-55 ченных к управляющему устройству, и на

воде системы в -режим увлажнения, посту-управляющее устройство, кроме этого, микпающий через блок 23 согласования на уп-роконтроллер формирует время задержки,

равляющее устройство 17.учитывающее динамику влагозапаса. по исВ результате изменяется задание на датчиках 11 и 12 управления, а водорегулирую- ш,ий узел переходит в режим увлажнения. При этом закрываются шлюз-регулятор 7 и поворотный затвор 8, открываются шлюз- . регулятор 6 и поворотный затвор 9, после чего включается насосная станция 4 и дальнейшая работа системы контролируется датчиками 11 и 12 уровня. Вода из магистрального канала 1 самотеком поступает в авангласования на управляющее устройство 17, в результате чего происходит отключение насосной станции 4 и система переходит в режим предупредительного шлюзования. Если количество выпавших осадков превышает норму, микроконтроллер 22 фор.ми- рует сигнал на перевод водорегулирующего узла в режим осушения независимо от векамере 3.

грунтовых вод, причем заданное значение уровня в аванкамере 3 снижается до минимального значения, тем самым предотвращая излишний подъем уровня грунтовых вод за счет осадков и переувлажнения почвы. В случае необходимости поднятия уровня грунтовых вод при увлажнении или его дальнейшего понижения при осушении режим работы аванкамеры и канала не изменяется, и происходит только изменение задания уровней в регулирующем канале 2 и аван камере 3.

45

Таким образом, в предлагаемой системе микроконтроллер, входы которого подключены к аналого-цифровому преобразователю и блоку ввода данных, -рассчитывает усредненный влагозапас, его отклонения от оптимального значения и требуемый уровень грунтовых вод, используя информацию, поступающую через аналого-цифровой преобразователь, а также данньге и подпрограммы, находящиеся в фиксированной памяти. На

согласования соответственно на блоки изменения задания датчиков уровня, подклютечении которого с выхода микроконтроллера на вход ввода данных поступает сигнал о завершении очередного цикла. Благодаря этому система обеспечивает поддержание влагозапаса почвы на площадях в заданном диапазоне в условиях влияния стохастических возмущаюпдих воздействий (суммарного испарения и осадков). Внедрение автоматизированной системы позволяет за счет повышения качества регулирования водного режима почвы увеличить урожайность возделываемых культур на 20-30%, снизить расход вод;ы на увлажнение и расход электроэнергии, а также капитальные вложения в строительство новых осушительно-увлаж- нительных систем за счет уменьшения регулирующей емкости водохранилища.

Формула изобретения

Автоматизированная система регулирования водного режима почвы, включающая магистральный канал осуществительно-ув- лажнительной дрены, подключенные к регулирующему каналу, аванкамеру между магистральным и регулирующим каналам, снабженную установленными на ее входе и выходе шлюзами-регуляторами и насосной

0

5

0

5

станцией, напорный трубопровод, который гидравлически связан с магистральным и регулирующим каналами через поворотные затворы, а также датчики уровня в аванкамере и в регулирующем канале, подключенные к управляющему устройству, выходы которого соединены с электропроводами шлюзов-регуляторов, насосной станции и поворотных затворов, и датчик уровня грунтовых вод, отличающаяся тем, что, с целью повышения качества регулирования, система снабжена электронно-вычислительным комплексом и подключенными к его входам датчиками осадков, температуры и относительной влажности воздуха, а также блоками задания уровней воды в аванкамере и в регулирующем канале, подключенными между выходами электронно-вычислительного комплекса и входами датчиков уровня в аванкамере и в регулирующем канале, причем элект- .ронно-вычислительный комплекс выполнен в виде последовательно включенных аналого- цифрового преобразователя, микроконтроллера с блоком ввода данных и блока согласования, выходы которого подключены к управляющему устройству, а с дополнительным входом аналого-цифрового преобразователя соединен датчик уровня грунтовых вод.

Изобретение относится к гидромелиорации сельского хозяйства.. Цель изобретения - повышение качества регулирования водного режима почвы. Система содержит магистральный канал 1 и регулирующий канал 2с аванкамерой 3. В аванкамере установлена насосная станция 4 с напорным трубопроводом 5. Управление водоподачей осуществляется шлюзами-регуляторами 6 и 7 на входе и выходе аванкамеры и поворотными затворами 8 и 9 на напорном трубопроводе с помощью электроприводов. Система также содержит дрены 10, датчик 11 уровня воды в канале, датчик 12 уровня воды в аванкамере, датчик 13 уровня грунтовых вод, датчик 14 осадков, датчик 15 температуры воздуха, датчик 16 дефицита влажности воздуха. Управление электроприводами осуществляется управляющим устройством 17, а регулирование требуемых уровней воды - блоками 18 и 19 задания уровней в аванкамере и в регулирующем канале. Оптимальность регулирования достигается применением электронно-вычислительного комплекса в составе ана.того- цифрового преобразователя 20, блока ввода данных и программ 21, микроконтроллера (М) 22 и блока согласования 23. М 22, подключенный через аналого-цифровой преобразователь 20 к датчикам 13, 14, 15, 16 и к блоку ввода данных- 21, рассчитывает на основе поступивщей информации усредненный влагозапас почвы. При его отклонениях от оптимального значения М- 22 вычисляет требуемый уровень грунтовых вод, формирует сигналы на изменение заданных значений уровней воды в аванкамере 3, регулирующем канале 2 и режима работы системы, поступающие через блок согласования 23 на блоки 18, 19 задания и управляющее устройство 17, к которому подключены датчики 11, 12 уровней, а также формирует время задержки, учитывающее динамику влаго- запаса почвы и определяющее цикл работы .системы. 1 ил. 3с ел Ю 00