Автоматизированная система бороздкового полива Советский патент 1988 года по МПК A01G25/16 

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может использоваться для автоматизации полива (10 бороздам из открытых и закрытых трубопроводов малого сечения.

Цель изобретения - повышение надежности и качества полива и снижение материалоемкости системы.

На фиг. 1 приведена схема автоматизированной системы полива по бороздам; на фиг. 2 - поливной трубопровод, продольный разрез; на фиг. 3 - то же, поперечный разрез.

Система (фиг. 1) включает водозаборный узел с очистными сооружениями на входе в распределительный трубопровод 1 из абсоцементных труб диаметром до 350 мм, расход которого обеспечивает гидромодуль oponiaeMoro участка, например участка севооборотного массива площадью до 100 га.

К трубопроводу 1 через задвижку 2 с обратным клапаном подключено десять переносных шлангов или закрытых поливных трубопроводов 3 из полиэтиленовых или асбоцементных труб диаметром до 100 мм, предназначенных для синхронного последо- вательного полива участков полива пло- :ш,адью до 10 га. На поливных трубопроводах 3,с шагом, равным расстоянию между бороз- :Дами (60 или 90 см), выполнены до 450 вертикальных входных калиброванных отверстий микрогидрантов 4 (или просто калиброванных отверстиями), обеспечивающих максимально допустимый расход воды в каждую борозду до 2 л/с. Расход воды и количество одновременно включенных на полив п отверстий 4 определяется технологией полива и может быть, например, на местности с уклоном 0,01 на первом поливе при высокой скорости впитывания воды почвой см/ч, равным л/с, , а на втором и последующих поливах при V 6 см/ч, Q 0,5 л/с, п 20. Для устранения возможности забивания входных отверстий микрогидрантов 4 последние выполняются с обратными клапанами известных конструкций, например, с подпружиненным обратным клапаном.

Внутри поливного трубопровода 3 под входными отверстиями микрогидрантами 4 установлена линия управления 5 из э. 1астич- ного материала малого сечения с диаметром 5 мм (установлено экспериментально). Удельный вес линии 5 управления должен быть меньше удельного веса воды, например 0,8 г/см. Ограничение диаметра линии 5 управления обеспечивает реализацию волнового способа управления каждым водовы- пуском, когда фи последовательной периодической подаче в нее сжатого воздуха и воды по длине линии 5 управления не образуются воздушные пробки и обеспечивается последовательное продвижение пакетов воды или воздуха под микрогидрантами 4 до их выхода на конце линии 5 управления в трубопро

5

0

5

0

5

0

5

0

5

вод 3. Пакет - это последовательность чередования воды или воздуха в линии 5 управления с шагом, равным расстоянию между микрогидрантами. Регулировка одинакового времени продвижения пакетов в капиллярах всех трубопроводов задвижкой 2 осуществляется при предварительной настройке системы. В качестве эластичного материала трубки линии 5 управления могут использоваться трубки из полиэтилена или кремний- органической резины. Конструкция трубок должна обеспечивать их устойчивость в потоке воды и зарывание входа микрогидрантов 4 при заполнении трубок воздухом. Трубки изготавливаются непрерывной протяжкой методом экструзии. Линий 5 управления в месте монтажного стыка секций поливных трубопроводов 3 свободно закреплены на проволочных подвесках-скобах 6, которые должны обеспечивать свободное поднятие и опускание трубок линий 5 управления под водовыпусками микрогидрантов 4.

Выходы из трубопровода с водой закрыты или часть их открыта линией 5 управления, которая с пакетом воды имеет удельный вес более 1 г/см, а вес ее участка под входом микрогидранта больше силы давления воды на плошади входного отверстия микро- гидранта (не более 5 мм). Этот участок линии 5 тонет в воде трубопровода 3 и открывает вход микрогидранта для полива борозды, отдельной от других. Если же на участке линии 5 под микрогидрантом находится воздух, то трубка всплывает и перекрывает вход микрогидранта с усилием, равным раз- пости веса отрезка капилляра и вытесненной им воды, а также с дополнительным усилием, равным давлению зоды в трубопроводе на площади отверстия входа микрогидранта 4. Таким образом, микрогидранты 4 в совокупности с линией управления перед ними образуют дистанционно управляемый водо- выпуск, который открыт при наличии в линии 5 воды и закрыт при заполнении линии 5 воздухом. На входе контрольного трубопровода 3 установлен расходомер 7. В качестве расходомера 7 могут быть использованы тахометрические расходомеры типа «Сатурн или протарированные гибкие пластины с тензодатчиками с линейным законом изменения их сопротивления в рабочем диапазоне расхода. На входе линий 5 управления всех поливных трубопроводов 3 установлены три сигнализатора 8 протока воды, смещенные относительно водовыпусков на величину меньше шага между водовыпусками. Смещение необходимо для разделения по времени открытия и закрытия.водовыпусков, которые фиксируются расходомером 7 и используются в алгоритме управления поливом для счета количества включенных микрогидрантов 4 и регулирования в них расхода при изменении гидравлического сопротивления отдельных групп микрогидрантов 4 по длине ноливного трубопровода. Каждый из сигнализаторов 8 протока воды состоит из несмачиваемой пробки, например из фторопласта, и металлического электрода, установленного с возможностью контакта с водой внутри линии 5 управления.

Выходы расходомера 7, сигнализаторов 8, а так же датчиков влажности почвы (на фиг. 1 не показаны) подключены к входам программного устройства 9, к выходным шинам 10 которого через диоды развязки 11 подключены обмотки управления электроуправ- ляемых вентилей 12 и 13. Выходные шины 10 представляют собой двухпроводную электролинию, выполненную, например, из кабеля ПРППМ 2x1,2.

Вход электроуправляемого вентиля 12 через дроссель, фильтр очистки воды и линию управления (на фиг. 1 не показаны) соединен с распределительным трубопроводом 1. Вход электроуправляемого вентиля 13 соединен с источником 14 пневматической энергии, выполненным, например, в виде 5-литрового баллона на давление воздуха 1,6 мПа с регулируемым редуктором. Выходы вентилей 12 и 13 соединены с входом линии 5 управления, выход которой в конце поливного трубопровода 3 имеет слив. Дроссель вентиля 12 и редуктор источника пневмоэнер- гии должны обеспечивать возможность регулирования перемеш,ения пакета воды или воздуха в линию 5 управления на величину, равную шагу между водовыпусками, за время 2-5 с. Регулировкой одинакового времени продвижения пакетов в капиллярах 5 всех трубопроводов 3 по срабатыванию сигнализаторов 8 достигается возможность синхронного полива из всех трубопроводов 3 от одного устройства программного управления 9 по шинам 10. К выходным шинам 10 через разделительные диоды 11 подключены последовательно логический элемент 2И-НЕ 15 с транзисторным усилителем на выходе (не показан) и обмотка управления электроуправляемого вентиля 16 для реверса сигналов управления из пакетов воды и воздуха в линии 5 управления, другой конец которой сое10

20

делыю для четных и для нечетных уч;1сгк)И полива.

Программное устройство 9 предназначено; для осу1цествления импульсной технологии полива отдельных групп борозд, поливаемых через борозду; для управлепия расходом воды в борозды путем изменения количества включенных микрогидраптов 4; для задания количества импульсов и времени полива отдельных групп борозд; для контроля влажности почвы отдельно на четных и нечетных участках полива и в зависимости от заданных порогов влажности для выбора ма лой поливной нормы до 400 или поливной нормы, близкой к увлажнительной до 15 1500 для порогового контроля сопротивления между сигнализаторами 8 и по заданному алгоритму работы подачи на первый и второй выход сигналов включения п отключения вентилей 12, 13 и 16; для обработки сигналов расходомера 7, фиксирования по ним момента окончания переключения групп борозд и для выравнивания времени полива отдельных групп борозд в зависимости от изменчивости их гидравлического сопротивления путем прямого контроля 25 расхода воды.

В качестве программного устройства 9 используется п1кроконтроллер на ми к роЭВМ типа К-1820с внешним постоянным запоминаюпаим устройством. Питание блоков системы осуществляется от источников питания 5 и 27 В (для питания электроуп- равляемых вентилей).

Входы программного устройства 9 оснащены серийными аналого-цифровыми преобразователями, а на его выходах установлены транзисторные усилители с электрома - нитными реле типа РЭС-55 для подключения на заданное по программе время электро- управляемых вентилей 12, 13 к источнику питания напряжением 27 В с возможностью изменения полярности напряжения в проводах линии связи и для подключения напряжения ±27 В к двум проводам линии связи и заземлению 17.

Для настройки системы изменения программы полива и для контроля процесса по30

35

40

динен с заземлением 17 величиной не более ,- лива программное устройство 9 оборудовано

10 Ом.

На четных участках полива с поливными трубопроводами (вторым, четвертым и так далее) слева от- распределительного трубопровода 1 диоды 11 установлены с возмож- зо постью пропуска тока положительной полярности, а на нечетных участках полива (справа от трубопровода 1) диоды 11 установлены с возможностью пропуска тока отрицательной полярности. Изменением полярности напряжения между обоими проводами шин 10 и заземлением 17 достигается возможность полива двумя разными нормами полива отпереносным задатчиком программы работы с клавиатурой и индикатором, обеспечивающим ввод программы полива, контроль работы датчиков влажности, проверку и настройку расходомера 7 и сигнализаторов 8.

Входы программного устройства 9 подключены между общим средним и двумя крайними выходами сигнализаторов 8, сопротивление которых при наличии между ними воды не более 5 кОм, а при их рассоединении пакетом воздуха не менее 10 кОм.

Возможно и ручное управление системо. Для этого на входе линии 5 управления уста0

0

делыю для четных и для нечетных уч;1сгк)И полива.

Программное устройство 9 предназначено; для осу1цествления импульсной технологии полива отдельных групп борозд, поливаемых через борозду; для управлепия расходом воды в борозды путем изменения количества включенных микрогидраптов 4; для задания количества импульсов и времени полива отдельных групп борозд; для контроля влажности почвы отдельно на четных и нечетных участках полива и в зависимости от заданных порогов влажности для выбора малой поливной нормы до 400 или поливной нормы, близкой к увлажнительной до 5 1500 для порогового контроля сопротивления между сигнализаторами 8 и по заданному алгоритму работы подачи на первый и второй выход сигналов включения п отключения вентилей 12, 13 и 16; для обработки сигналов расходомера 7, фиксирования по ним момента окончания переключения групп борозд и для выравнивания времени полива отдельных групп борозд в зависимости от изменчивости их гидравлического сопротивления путем прямого контроля 5 расхода воды.

В качестве программного устройства 9 используется п1кроконтроллер на ми к роЭВМ типа К-1820с внешним постоянным запоминаюпаим устройством. Питание блоков системы осуществляется от источников питания 5 и 27 В (для питания электроуп- равляемых вентилей).

Входы программного устройства 9 оснащены серийными аналого-цифровыми преобразователями, а на его выходах установлены транзисторные усилители с электрома - нитными реле типа РЭС-55 для подключения на заданное по программе время электро- управляемых вентилей 12, 13 к источнику питания напряжением 27 В с возможностью изменения полярности напряжения в проводах линии связи и для подключения напряжения ±27 В к двум проводам линии связи и заземлению 17.

Для настройки системы изменения программы полива и для контроля процесса по0

5

0

переносным задатчиком программы работы с клавиатурой и индикатором, обеспечивающим ввод программы полива, контроль работы датчиков влажности, проверку и настройку расходомера 7 и сигнализаторов 8.

Входы программного устройства 9 подключены между общим средним и двумя крайними выходами сигнализаторов 8, сопротивление которых при наличии между ними воды не более 5 кОм, а при их рассоединении пакетом воздуха не менее 10 кОм.

Возможно и ручное управление системо. Для этого на входе линии 5 управления устанавливают ниппель и используют ручной насос с объемом камеры нагнетания, равным объему линии управления между двумя микрогидрантами 4, или с объемом, равным объему этой линии между группой одновременно включаемых микрогидрантов. Равенство объемов камеры нагнетания и линии управления под смежными микрогидрантами необходимо для управления отключением каждым микрогидрантом при заполнении этого отрезка воздухом.

Одинаковые расходы в борозды при переменном гидравлическом сопротивлении групп микрогидрантов с неконтролируемыми :воронками размыва над ними, необходимые только при поливе из подземных трубопроводов, обеспечиваются при помощи расходо- ;мера 7 путем корректирования длительности ;Импульсов (времени полива), обеспечивающих постоянство заданного расхода воды в борозду.

В качестве электроуправляемых вентилей 12, 13 и 16 используются клапаны типа УФ, электропневмореле П1ПР 5 или электрогид- рореле КЭГ-Д с напряжением обмотки управления 27 В.

Вентили 12, 13 и 16, диоды 11, элемент 15, источник 14 энергии (фиг. 1, пунктир) объединены в блоки и в дальнейщем именуются блоками 18 управления поливом.

На фиг. 2 показан поливной трубопровод 3 с линией 5 управления, заполненной пакетами воды и воздуха с микрогидрантами 4 и подвесками в виде скоб б, а так же место установки сигнализаторов 8 протока воды, установленных с щагом между ними, равным .щагу между водовыпусками 4 и с расстоянием между левым сигнализатором 8 на вхо- ;де в поливной трубодровод и первым микрогидрантом 4 меньще половины щагу между водовыпусками. Укорочение ujara возможно для разделения операций открытия и закрытия последовательно переключаемых микрогидрантов 4, фиксируемых расходомером 7.

На фиг. 3 показан трубопровод 3 с открытым водовыпуском, когда в линии управления находится вода и линия 5 опустилась на кольцо 6.

Автоматизированная система бороздко- вого полива работает следующим образом.

Перед включением в работу производят наладку системы: по индикатору переносного программного устройства 9 регулируют одинаковое время для подачи пакетов воды, воздуха и слива для всех блоков 18 управления, необходимое для обеспечения их синхронной работы; алгоитм управления поливом через клавиатуру заносят в программ15

20

25

Алгоритм управления должен обеспечивать изменение количества включенных водовыпусков в зависимости от но.мера уча- ства полива, обеспечивать разное количество 5 импульсов полива для отдельных групп борозд с разными нормами полива, по показаниям расходомера 7 обеспечивать одинаковый расход воды в отдельные группы борозд независимо от изменчивости их гид- .Q равлического сопротивления. Алгоритм управления должен также учитывать и распоз навать аварийный режим работы системы при порыве трубопроводов 1 и 3 или прекращение подачи воды на полив, фиксируемые по заданному порогу нормальной работы расходомера 7, при котором линии управления 5 должны полностью заполняться воздухом с возможностью возврата в исходное состояние после устранения аварии.

Рассмотрим осуществление дифференцированного полива малыми или близкими к увлажнительным нормами полива (например, на предварительно политом поле с кукурузой в фазе выбрасывания метелки).

На поле имеется десять участков полива с почвой высокой водопроницаемости и уклоном местности 0,01 с расходом воды с борозду на первом поливе 0,95 л/с, а при последующих поливах 0,5 л/с. На контрольных участках отдельно четных и нечетных участков полива установлены (на глубине 70 см) датчики влажности, соединенные с программным устройством 9. До срабатывания датчиков влажности полив всех участков осуществляют по заданной программе .малыми нормами полива. В исходном состоянии все линии управления 5 заполнены воздухом и поэтому все водовыпуски закрыты, вентили 2 открыты, а в распределительный трубопровод 1 подана вода.

При включении программного стройства 9 в работу оно подает напряжение -27 В на левый провод линии связи 10 и +27 В на правую щину 10. При этом протекает ток через обмотки управления всех вентилей 12 на блоках 18 управления, они включаются и через открытые проходы начинают подавать воду из распределительного трубопрово да 1 в линию 5 управления до тех пор, пока между двумя левыми сигнализаторами 8 появится вода и изменится значение сопротивления между ними, фиксируемое программным устройством 9.

При этом вентиль 12 отключается, а прог- 50 раммное устройство 9 подключает напряжение -27 В на правую щину 10, а +27 В на левую щину 10. При этом включаются все вентили 13 и в линию 5 управления из источника пневматической энергии 14 поступает воздух до тех пор, пока контакты двух

30

35

40

45

ное устройство 9; выполняют профилактичес- правых сигнализаторов 8 не замкнутся че- кие работы на гидромеханическом оборудо-рез вод), после этого устройство 9 отключа

вании системы и на датчиках.ет вентиль 13 и включает вентиль 12.

5

0

5

Алгоритм управления должен обеспечивать изменение количества включенных водовыпусков в зависимости от но.мера уча- ства полива, обеспечивать разное количество импульсов полива для отдельных групп борозд с разными нормами полива, по показаниям расходомера 7 обеспечивать одинаковый расход воды в отдельные группы борозд независимо от изменчивости их гид- Q равлического сопротивления. Алгоритм управления должен также учитывать и распознавать аварийный режим работы системы при порыве трубопроводов 1 и 3 или прекращение подачи воды на полив, фиксируемые по заданному порогу нормальной работы расходомера 7, при котором линии управления 5 должны полностью заполняться воздухом с возможностью возврата в исходное состояние после устранения аварии.

Рассмотрим осуществление дифференцированного полива малыми или близкими к увлажнительным нормами полива (например, на предварительно политом поле с кукурузой в фазе выбрасывания метелки).

На поле имеется десять участков полива с почвой высокой водопроницаемости и уклоном местности 0,01 с расходом воды с борозду на первом поливе 0,95 л/с, а при последующих поливах 0,5 л/с. На контрольных участках отдельно четных и нечетных участков полива установлены (на глубине 70 см) датчики влажности, соединенные с программным устройством 9. До срабатывания датчиков влажности полив всех участков осуществляют по заданной программе .малыми нормами полива. В исходном состоянии все линии управления 5 заполнены воздухом и поэтому все водовыпуски закрыты, вентили 2 открыты, а в распределительный трубопровод 1 подана вода.

При включении программного стройства 9 в работу оно подает напряжение -27 В на левый провод линии связи 10 и +27 В на правую щину 10. При этом протекает ток через обмотки управления всех вентилей 12 на блоках 18 управления, они включаются и через открытые проходы начинают подавать воду из распределительного трубопровода 1 в линию 5 управления до тех пор, пока между двумя левыми сигнализаторами 8 появится вода и изменится значение сопротивления между ними, фиксируемое программным устройством 9.

При этом вентиль 12 отключается, а прог- 0 раммное устройство 9 подключает напряжение -27 В на правую щину 10, а +27 В на левую щину 10. При этом включаются все вентили 13 и в линию 5 управления из источника пневматической энергии 14 поступает воздух до тех пор, пока контакты двух

0

5

0

5

правых сигнализаторов 8 не замкнутся че- рез вод), после этого устройство 9 отключа

Описанный процесс переключения вентилей 12 и 13 для заполнения линии 5 управления пакетами воды и воздуха повторяется для заданного расхода воды в борозду 0,5 л/с 20 раз, а для расхода 1 л/с на первом поливе 10 раз. При этом под нечетными микрогидрантами 4 первой группы из 20 борозд в линиях 5 управления всех поливных трубопроводов 3 находится вода, под весом которой линии 5 управления опускаются, открывается выход воды из микрогидрантов 4 и начинается полив. После отработки заданной длительности импульса полива программное устройство 9 включает вентиль 13 на время, пока пакет воды не замкнет два травых контакта сигнализатора 8. При этом чередующиеся 20 раз пакеты воды (фиг. 2) и воздуха в линии 5 управления переместятся на величину шага между микрогидрантами 4 и откроется выход воды из четных микрогидрантов на время импульса полива. Процесс переключения четных и нечетных микрогидрантов в группе из 40 борозд осуществляется программным устройством 9 подачей на вторую щину напряжения + 27 В для переключения борозд на четных участках полива и -27 В для переключения борозд на нечетных участках полива. При этом на всех поливных трубопроводах 3 через соответствуюияие диоды 11 и логический элемент 2И-НЕ включаются вентили 16 и своими проходами соединяют линии 5 управления со сливом до тех пор, пока программное устройство 9 не зафиксирует посредством срабатывания сигнализаторов 8 при поливе первой или последующих групп борозд и изменения показаний расходомера 7 сначала открытие, а затем закрытие микрогидрантов 4. Переключение четных и нечетных микрогидрантов повторяется до тех пор, пока не будет вылита заданная (определяемая алгоритмом работы с учетом показаний датчиков влажности нижнего слоя почвы) малая или близкая к увлажнительной норма полива.

С учетом возможной изменчивости гидравлического сопротивления отдельных групп борозд программное устройство 9 включает вентиль 13 на время, пока не будут зафиксированы 20 импульсов колебания расхода расходомером 7, что соответствует продвижению в линии 5 управления пакетов воды и воздуха на позицию полива двадцати последующих .микрогидрантов 4. Процесс полива всех групп борозд поливных трубопроводов 3 повторяется по количеству групп и возвращается зате.м на первую группу борозд по заданному алгоритму полива.

При аварии в распределительном трубопроводе 1 или при прекращении подачи в не0

5

го воды изменяются показания расхода воды в рас.чодомере 7 ниже заданного порога и программное устройство 9 прекращает полив включением вентилей 16 на время заполнения всей линии управления воздухом.

Технико-экономический эффект предлагаемой системы на примере закрытой оросительной сети заключается в повь,1щении надежности работы системы, в гибкости управления системой, обеспечивающей возможность соверщенствования технологии полива, в сокращении капитальных затрат на строительство до 5 раз и в повыщении качества полива.

Формула изобретения

Автоматизированная система бороздко- вого полива, включающая распределительные и п поливных трубопроводов, программное устройство с источником питания и блоки управления поливом с источниками пневматической энергии, входы которых подключены к программному устройству и к распределительному трубопроводу, а выход - к гидравлической линии управления микрогидрантами на п поливных трубопроводах, ог- личающаяся тем, что, с целью повышения надежности и качества полива и снижения материалоемкости системы, она снабжена подключенными к программному устройству расходомером, установленным в начале одного из п поливных трубопроводов, сечение которых выполнено с возможностью пропуска 1/п расхода распределительного трубопровода, и тремя сигнализаторами протока воды в линии управления микрогидрантами, установленными на последней с тагом, равным расстоянию между микрогидрантами, и смещенными относительно них на величину менее половины щага, причем линия управления выполнена -в виде эластичной трубки малого диаметра с удельным весом менее

единицы и подвешенной на скобах внутри поливных трубопроводов с возможностью перекрытия при всплытии вертикальных входных отверстий микрогидрантов, а блоки управления поливом выполнены в виде подключенных к разнополярным выходным щинам программного устройства через разнонаправленные диоды двух электроуправляемых вентилей, вход первого из которых подключен к распределительному трубопроводу, второго - к источнику пневматической энергии,

выходы обоих подключены к .линии управления микрогидрантами, к которой подключен также в.ход третьего элсктроуправ.ляомого вентиля блока управления поливом, подключенного через схему 2И - НК и два диода к выходным шинам программно о crpoiicTBa

и связанного выходом с )C(|)ep()i i.

фае. 2

Изобретение относится к сельскому хозяйству. Целью изобретения является повышение надежности и качества полива, снижение металлоемкости системы. Система содержит поливные трубопроводы 3 малого сечения с микрогидрантами 4. Внутри трубопроводов 3 под микрогидрантами 4 на скобах 6 подвешена линия управления (ЛУ) 5 малого сечения из эластичного материала. Вход Л У 5 через электроуправляемые вентили 12, 13, 16 для подачи воды, воздуха и слива соединен с программным устройством 9, а выход сообщен с концом поливного трубопровода. К входам программного устройства 9, по сигналам которого с помощью блоков управления 18 микрогидрантами 4 осуществляется управление поливом, подключены расгз Еоыиоеоах оод 2, еыо9, пяс6 5 ходомер 7, сигнализаторы 8 протока воды в ЛУ 5 и датчики влажности нижнего слоя почвы. Программное устройство 9 в соответствии с заданной программой работы обрабатывает сигналы датчиков, дозирует подачу воды или воздуха в ЛУ 5 всех поливных трубопроводов 3 и обеспечивает тем самым импульсную подачу воды в отдельные группы борозд независимо от изменчивости рас- .кода отдельных групп водовыпусков. Настройкой системы обеспечивается равномерный полив и синхронная работа всех поливных трубопроводов с управлением по двум выходным щинам 10 программного устройства без применения сложных кодирующих и декодирующих устройств дистанционного управления. Если в ЛУ 5, выполненной в виде трубки, в месте расхождения в.чодного отверстия микрогидранта находится вода, то трубка тонет, и открывается входное отверстие микрогидранта, если же в трубке находится воздух, трубка всплывает и прикрывает вход микрогидранта. Управление передвижением пакетов воды или воздуха в ЛУ 5 позволяет управлять каждым водо- выпуском и обеспечивает полив всего поля из трубопроводов малого сечения. 3 ил. S V Р (Л 4 Ю со |СО со сд Уиг I