Автоматизированная система бороздкового полива

ОЮЗ СОВЕТСКИХОЦИАЛИСТИЧЕСКИХЕСПУБЛИК 51 51) 4 А ОБР ПИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССС ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ(54) АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА БОРОЗДКОВОГО ПОЛИВА(57) 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 скобах6 подвешена линия управления (ЛУ) 5 малого сечения из эластичного материала. ВходЛУ 5 через электроуправляемые вентили 12,13, 16 для подачи воды, воздуха и слива соединен с программным устройством 9, а выход сообшен с концом поливного трубопровода. К входам программного устройства 9,по сигналам которого с помошью блоков управления 18 микрогидрантами 4 осуществляется управление поливом, подключены расЯО 1429995 А 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 расхода отдельных групп водовыпусков. Настройкой системы обеспечивается равномерный полив и синхронная работа всех поливных трубопроводов с управлением по двум выходным шинам 10 программного устройства без применения сложных кодируюших и декодируюших устройств дистанционного управления. Если в ЛУ 5, выполненной в виде трубки, в месте расхождения входного 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.11 зобретение относится к сельскому хозяйству и может использоваться для автоматизации полива ио 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 трубопроводиз абсоцементных труб диаметром до 350 мм, расход которого обеспечивает гидромодуль орошаемого 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 последовательного полива участков полива площадью до 10 га. На поливных трубопроводах 3 с шагом, равным расстоянию между бороздами (б 0 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 Ч=12 см/ч, равным Я= л/с, и=10, а на втором и последующих поливах ири Ч=б см/ч, Я=0,5 л/с, и=20. Для устранения возможности забивания входных отверстий микрогидрантов 4 последние вымоляк)тся с обратными клапанами известных конструкций, например, с подпружиненным обратным клапаном.Внутри поливного трубопровода 3 иод входымн отверстиями микрогидрантами 4 установлена линия управления 5 из эластичного материала малого сечения с диаметром 5 мм (установлено экспериментально) . Удельный вес линии 5 управления должен быть меньше удельного веса воды, например 0,8 г/смз. Ограничение диаметра линии 5 управления обеспечивает реализацию волнового способа управления каждым водовыпуском, когда ири последовательной периодической подаче в нее сжатого воздуха и воды ио длине линии 5 управления не образуются воздушные пробки и обеспечивается после. довательное продвижение пакетов воды или воздуха под микрогидрантами 4 до их выхода на конце линии 5 управления в трубопро вод 3. Гакет это последовательность череповаия 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 15 методом экструзии. Линия 5 управления вместе 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 вхо 25 30 35 40 45 50 55 дом микрогидранта больше силы давленияводы на площади входного отверстия микрогидранта (не более 5 мм). Этот участок линии 5 тонет в воде трубопровода 3 и откры вает вход микрогидранта для полива борозды, отдельной от других, Если же на участке линии 5 под микрогидрантом находится воз дух, то трубка всплывает и перекрывает вход микрогидранта с усилием, равным разности веса отрезка капилляра и вытесненной им воды, а также с дополнительным усилием, равным давлению воды 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 ири наличии в линии 5 воды и закрыт ири заполнении линии 5 воздухом. На входе контрольного трубопровода 3 установлен расходомер 7. В качестве расходомера 7 могут быть использованы тахометрические расходомеры типа Сатурн или иротарированные 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 водовыиусками. Смещение необходимо для разделения ио 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 со 429995противления отдельных групп микрогидрантов 4 по длине поливного трубопровода. Каждый из сигнализаторов 8 протока воды состоит из несмачиваемой пробки, например из рторопласта, 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 электроуправляемых вентилей 12 и 13. Выходные шины 10 представляют собой двухпроводную электролинию, выполненную, например, из кабеля ПРПГ 1 М 2 х 1,2.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 уп равления, выход которой в конце поливного трубопровода 3 имеет слив. Дроссель вентиля 12 и редуктор источника пневмоэнергии должны обеспечивать возможность регулирования перемещения 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 2 И 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 соединен с заземлением 17 величиной не более 10 Ом. На четных участках полива с поливными трубопроводами (вторым, четвертым и так далее) слева от распределительного трубопровода 1 диоды 11 установлены с возможностью 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 отдельно для четных и для нечетных у асгкон полива.Программное устройство 9 предназначено; Зля осуществления импульсной техноло- гии полива отдельных групп борозд, поливаемых через борозду; для управления расходом воды в борозды путем изменения количества включенных микрогидрантов 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 мга или поливной нормы, близкой к увлажнительной до 15 1500 м/га; для порогового контроля сопротивления между сигнализаторами 8 и по заданному алгоритму работы подачи на первый и второй выход сигналов включения и 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 устройстваиспользуется микроконтроллер на ми к роЗВМ типа К - 1820 с внешним постоянным запоминающим устройством. Питание блоков системы осуществляется от источников питания 5 и 27 В (для питания электроуправляемых вентилей).Входы программного устройства 9 оснащены серийными аналого-цифровыми преобразователями, а на его выходах установЗ лены транзисторные усилители с электромагнитными реле типа РЭСдля подключения на заданное по программе время электро- управляемых вентилей 12, 13 к источнику питания напряжением 27 В с возможностью изменения полярности напряжения в прово дах линии связи и для подключения нанряжения + 27 В к двум проводам линии связи и заземлению 17.Для настройки системы изменения программы полива и для контроля процесса по лива программное устройство 9 оборудованопереносным задатчиком программы работы с клавиатурой и индикатором, обеспечивающим ввод программы полива, контроль работы датчиков влажности, проверку и настройку расходомера 7 и сигнализаторов 8.50Входы программного устройства 9 под.ключены между общим средним и двумякрайними выходами сигнализаторов 8, сопротивление которых при наличии между ни.ми воды не более 5 кОм, а при их рассоединении пакетом воздуха не менее 10 кОм.Возможно и ручное управление системой.Для этого на входе линии 5 управления уста 1429995навливают 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 расходомера 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 П 1 ПР 5 или электрогидрореле 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 дальнейшем 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 6, а так же место установки сигнализаторов 8 протока воды, установленных с шагом между ними, равным шагу между водовыпусками 4 и с расстоянием между левым сигнализатором 8 на входе в поливной трубодровод и первым микрогидрантом 4 меньше половины шагу между водовыпусками. Укорочение шага 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 бороздкового 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 программное устройство 9; выполняют профилактические работы на гидромеханическом оборудовании системы и на датчиках.5 10 15 Алгоритм управления должен обеспечивать изменение количества включенных водовыпусков в зависимости от номера участва 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 гидравлического 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 поливас почвой высокой водопроницаемости и мк лоном 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 осмществляют 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 програмх ного устройства9 в работу оно подает напряжение - 27 В на левый провод линии связи 1 О и + 27 В 40 на правую шину 10. При этом протекает токчерез 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 раммное устройство 9 подключает напряжение - 27 В на правую шину 10, а +27 В на левую шину 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 55 правых сигнализаторов 8 не замкнутся через воду, после этого устройство 9 отключа.ет вентиль 13 и включает вентиль 12.Описанный процесс переключения вентилей 12 и 13 для заполнения линии 5 управления пакетами воды и воздуха повторяется лля заданного расхода воды в борозду 0,5 л/с 20 раз, а для расхода 1 лс 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 вен тиль 13 на время, пока пакет воды не замкнет два правых контакта сигнализатора 8. При этом чередуюшиеся 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 шину 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 соответствующие диоды 11 и логический элемент 2 И - 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 микрогилрантов 4. Г 1 ереключеггие 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 последуюших микрогидрантов 4. Процесс полива всех групп борозд поливных трубопроводов 3 повторяется по количеству групп и возвращается затем на первую группу борозд по заданному алгоритму полива.При аварии в распределительном трубопроводе 1 или при прекращении подачи в не 5 10 Формула изобретения 15 40 единицы и подвешенной на скобах внутри 5 ченных к разнополярным выходным шинампрограммного устройства через разнонаправленные диоды двух электроуправляемых вентилей, вход первого из которых подключен к распределительному трубопроволу, второго - к источнику пневматической энергии,50 выходы обоих полключены к линииправления микрогидрантами, к которой гнлклгочен также вход третьего элект 1)оупрпнляемого вентиля блока управления гголивом, пнгклю.ченного через схему 211 - НЕ и лвп л 1 нспг к выходным шинам программгнпо ст 1 гойства 55 и связанного выхолом с атмосфе 11 оп. 20 25 30 35 го воды изменяются показания расхода волы в расхоломере 7 ниже заданного порога и программное устройство 9 прекрашаст по. лив включением вентилей 16 на время заполнения всей линии управления воздухом.Технико-экономический эффект предлагаемой системы на примере закрытой оросительной сети заключается в повышении надежности работы системы, в гибкости управления системой, обеспечиваюшей возможность совершенствования технологии полива, в сокрашении капитальных затрат на строительство до 5 раз и в повышении качества полива. Автоматизированная система бороздкового полива, включавшая распределительные и и поливных трубопроводов, программное устройство с источником питания и блоки управления поливомс источниками пневматической энергии, входы которых подключены к программному устройству и к распределительному трубопроводу, а выход - к гидравлической линии управления микрогидрантами на п поливных трубопроводах, от,гичающаяся тем, что, с целью повышения надежности и качества полива и снижения материалоемкости системы, она снабжена подключенными к программному устройству расходомером, установленным в начале олного из и 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 шагом, равным расстоянию между микрогидрантами, и смешенными относительно них на величину менее половины шага, причем линия управления выполнена в виде эластичной трхбки малого диаметра с удельным весом менее поливных трубопроводов с возможностью перекрытия при всплытии вертикальных входных отверстий микрогидрантов, а блоки управления поливом выполнены в виде подклю 1429995Составитель Г. Параев Редактор М. Нелолужспко Техрел И. Верее Корректор Н. Король Заказ 5154/3 Тираж бб 1 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж - 35, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4