一种永磁同步电机水泵节水灌溉预测控制系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种永磁同步电机水泵节水灌溉预测控制系统，包括数据采集模块、逻辑控制模块、动作输出模块、通信模块、下位机和电源模块，所述数据采集模块包括具备温度、含水量测量的土壤墒情传感器、转速传感器和A/D转换器，所述土壤墒情传感器、转速传感器与A/D转换器连接，A/D转换器作为扩展模块与PLC的扩展端连接；所述动作输出模块包括永磁同步电机、变频器、水泵以及用于报警提醒的报警灯和蜂鸣器，报警灯和蜂鸣器与PLC的输出端相连；PLC与上位机之间通过第一无线模块和第二无线模块无线信号连接。用户可以实时监测参数变化，并根据土壤墒情采取不同的控制措施，灵活性大，自动化程度高。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及田间监控系统领域，尤其涉及一种基于土壤墒情以及永磁同步电机水泵节水灌溉预测控制系统。
技术介绍
我国是一个农业大国，水资源是农业生产过程中必不可少的资源。数据表明，农业用水是我国用水大头，约占总用水量的72％，农业灌溉用水占农业总用水量的90％，而实际能够真正被灌溉有效利用的水资源却不到一半，加之人们对生活用水的巨大浪费造成了我国水资源极度短缺。所以如何更高效的利用水资源实现农业灌溉用水的最大化节约早已成为现代农业关注的焦点。除此之外，农业灌溉过程中能源消耗也相对严重，若能在保障灌溉效率的前提下根据灌溉面积及农作物需水量的变化，通过变频调速的方法改变电动机带动水泵的转速从而实现调压供水，不仅可以实现高效灌溉并且有利于节约农业用电。永磁同步电机水泵根据不同的工况进行调压供水是节水高效的灌溉技术之一，但由于永磁同步电机水泵工作特性具有多参数、非线性、大时滞的特点，管路水头的变化可能会导致水泵运行状况的改变。因此，关于永磁同步电机水泵非线性控制目前也有研究，例如模糊控制方法、跟踪控制方法、自适应控制方法、滑模变结构控制方法等。近年来，预测控制由于其超前和在线优化的优点，与传统的控制方法有着本质的不同，使其成为研究热点之一。然而截至目前，预测控制在永磁同步电机水泵控制应用尚未见相关报道。基于上述分析，通过土壤墒情传感器采集数据与PLC(或上位机)设定参数对照，由PLC计算出参考转速，将参考转速与电机的实际转速结合做出预测控制，并将结果输出至变频器，变频器控制永磁同步电机水泵，从而实现水泵压力、流量更加精量、快速地控制，为节水灌溉系统的设计提供借鉴。 鉴于上述永磁同步电机水泵预测控制对农业节水灌溉的优点，本技术创作者经过潜心研究终于获得了本创作。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种永磁同步电机水泵节水灌溉预测控制系统，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。为实现上述目的，本技术提供如下技术方案：一种永磁同步电机水泵节水灌溉预测控制系统，包括数据采集模块、逻辑控制模块、动作输出模块、通信模块、下位机和电源模块，所述数据采集模块包括具备温度、含水量测量的土壤墒情传感器、转速传感器和A/D转换器，所述土壤墒情传感器、转速传感器与A/D转换器连接，A/D转换器作为扩展模块与PLC的扩展端连接；所述逻辑控制模块包括PLC以及与其连接的触摸屏，触摸屏与PLC通过RS422串口连接；所述动作输出模块包括永磁同步电机、变频器、水泵以及用于报警提醒的报警灯和蜂鸣器，PLC的输出信号经变频器与永磁同步电机相连，并将电机与水泵连接，报警灯和蜂鸣器与PLC的输出端相连；PLC与上位机之间通过第一无线模块和第二无线模块无线信号连接。优选的，所述电源模块通过导线分别与土壤墒情传感器、转速传感器、PLC、变频器电性连接。优选的，所述下位机为三菱FX2N型下位机。优选的，所述土壤墒情传感器为SMS-II-485型土壤墒情传感器。与现有技术相比，本技术的有益效果是：本技术利用PLC首先获得土壤的温度和含水量信息供用户参考，用户设定运行参数后，PLC根据设定参数计算出参考永磁同步电机的转速，并与电机实际转速结合进行预测控制，从而实现水泵压力、流量的控制。该系统灌溉精度高、耗电少；在管路水头及电力负载变化时能够迅速回到稳定运行状态：采用ModBus-RTU协议构建无线网络，使得上位机与下位机之间实现无线串口通信，既降低了布线难 度也节约了成本；用户可以实时监测参数变化，并根据土壤墒情采取不同的控制措施，灵活性大，自动化程度高。附图说明图1为本技术的模块示意图。具体实施方式下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。本技术提供了如图1所示的一种永磁同步电机水泵节水灌溉预测控制系统，包括一个以三菱FX2N型PLC为下位机，配合土壤墒情传感器SMS-II-4856以及霍尔转速传感器5和A/D转换模块FX2N-2AD4共同构成数据采集模块；所述土壤墒情传感器6和转速传感器5共同与A/D转换器4的两个不同的输入端连接，A/D转换器5作为扩展模块与PLC2的扩展端相连接。逻辑控制模块包括PLC2以及与其通过RS422串口连接的F940GOT触摸屏3。动作输出模块包括永磁同步电机8、变频器7、水泵9以及用于报警提醒的报警灯/蜂鸣器11。PLC2的输出信号经变频器7与永磁同步电机8相连，并将电机8与水泵9相连，报警灯/蜂鸣器11与PLC2的输出端相连。PLC2与上位机1之间通过第一无线模块12和第二无线模块13连接实现无线传输，其中第一无线模块12与上位机1之间通过USB/RS485转接口连接。电源模块10为PLC2和变频器7提供220V交流工作电压；为触摸屏3提供24V工作电压；为转速传感器5和土壤墒情传感器6提供5V工作电压。土壤的墒情经土壤墒情传感器6测量并转换为电压信号输出，通过A/D转换器4将模拟电压信号转换为数字信号传送给PLC2，再由PLC2将采集到的 数据经逻辑运算获得精确的土壤墒情值，并将相关参数发送给触摸屏3和上位机1供其实时显示参数；对于永磁同步电机8转速测量同理，由霍尔转速传感器5测量永磁同步电机8的转速并转换为电压信号，通过A/D转换器4将模拟电压信号转换为数字信号传送给PLC2，再由PLC2将采集到的数据经逻辑运算计算出永磁同步电机8的当前转速，并将转速信息发送给触摸屏3和上位机1供其实时显示参数，其中获得的当前转速与参考转速相结合进行预测控制，确保永磁同步电机8不会因管路水头或电力负载的变化而引起的振荡。触摸屏3主要方便用户在没有上位机的田间方便监控土壤、环境、永磁同步电机8等的参数信息，同时也具备参数设置功能。所测得的参数不仅需要触摸屏3上显示，并需要通过第一无线模块12和第二无线模块13之间构成无线串口通信网络进行数据传输，用于上位机与下位机之间实时参数的记录、参数和控制方式的修改以及错误提醒。用户根据测得的土壤温度和含水量可以了解土壤的墒情状况，并确定一种合适的运行方式及各参数的运行范围，并在上位机1上进行初始参数的设置。上位机1经USB/RS485转接口与第一无线模块12连接，通过ModBus-RTU协议进行无线通信，将设定参数传递到PLC2，与PLC2相连的触摸屏3同步显示各参数信息，PLC2根据参数信息计算出参考转速，与实际转速结合进行预测控制，并将结果输出至变频器控制永磁同步电机8的运行从而改变水泵的压力、流量，实现精量灌溉和节水灌溉。若在无线传输过程中无线模块出现故障，用户还可以直接在与PLC2相连的触摸屏3上进行参数的监控、设置、电机的起停等操作。本技术提出的一种永磁同步电机水泵节水灌溉预测控制系统由土壤墒情传感器和霍尔转速传感器分别测量土壤的温度、含水量和电机的实际转速，并将采集到的电压信息经A/D转换模块(FX2N-2AD)把模拟电压信号转变成数字信号输出至PLC，采集到的信息可在触摸屏和上位机上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种永磁同步电机水泵节水灌溉预测控制系统，包括数据采集模块、逻辑控制模块、动作输出模块、通信模块、下位机和电源模块，其特征在于：所述数据采集模块包括具备温度、含水量测量的土壤墒情传感器、转速传感器和A/D转换器，所述土壤墒情传感器、转速传感器与A/D转换器连接，A/D转换器作为扩展模块与PLC的扩展端连接；所述逻辑控制模块包括PLC以及与其连接的触摸屏，触摸屏与PLC通过RS422串口连接；所述动作输出模块包括永磁同步电机、变频器、水泵以及用于报警提醒的报警灯和蜂鸣器，PLC的输出信号经变频器与永磁同步电机相连，并将电机与水泵连接，报警灯和蜂鸣器与PLC的输出端相连；PLC与上位机之间通过第一无线模块和第二无线模块无线信号连接。

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电机水泵节水灌溉预测控制系统，包括数据采集模块、逻辑控制模块、动作输出模块、通信模块、下位机和电源模块，其特征在于：所述数据采集模块包括具备温度、含水量测量的土壤墒情传感器、转速传感器和A/D转换器，所述土壤墒情传感器、转速传感器与A/D转换器连接，A/D转换器作为扩展模块与PLC的扩展端连接；所述逻辑控制模块包括PLC以及与其连接的触摸屏，触摸屏与PLC通过RS422串口连接；所述动作输出模块包括永磁同步电机、变频器、水泵以及用于报警提醒的报警灯和蜂鸣器，PLC的输出信号经变频器与永磁同步电机相...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴凤娇，张诚，王斌，龙燕，
申请(专利权)人：西北农林科技大学，
类型：新型
国别省市：陕西;61