发布时间：2023-03-28 15:00:36
序言：写作是分享个人见解和探索未知领域的桥梁，我们为您精选了8篇的自动控制论文样本，期待这些样本能够为您提供丰富的参考和启发，请尽情阅读。
早在上个世纪80年代，传统的DCS控制系统就在工业现场应用。而到了90年代中期，PLC型的DCS控制系统得到广泛应用，在工业现场控制领域内处于主导地位。本文以水泥生产自动化生产线作为研究对象，其中，该生产线以西门子S7-400系列控制单元作为主控系统的核心，现场通讯总线为PROFIBUSDP，并选取ET200M型号的分布式IO接口模块和S7-300型号的信号模块来组成控制系统的收集部分。在此基础上，本文重点论述了面向自动化生产线的电子控制系统的总体设计方案，并分析了程序逻辑控制系统的实现过程，以期为相关电子控制系统的设计与实现提供一定的建议。
2面向自动化生产线的电子控制系统的总体设计方案
本次设计以水泥工艺生产中的自动化控制系统作为研究对象，该现场单元使用了相对领先的DCS控制系统，以对现场设备和数据实行监视管理作为主要功能。具体而言：在该控制系统的中控室部分，由工程师站、操作员站硬件以及相关软件组成。电子控制控制柜内部包括模拟量隔离器、各种卡件、起始量的输出、输入继电器、各种信号处理设备等。集散型计算机控制系统（DCS）是由通讯总线、控制单元、隔离设备以及通讯模块等组成。该厂设备中存在一个中央控制室（CCS），收集石灰石破碎、熟料烧结、水泥包装、生料调配及运输等生产过程中的数据，对参数的设定进行控制，并对物理设备的运行和系统回路进行自动控制。在中央控制室内，相关人员都能够车间工艺参数实施操作和管理。中央控制室内部还包括工程师站、操作员站、报警打印机以及报告打印机等部分。其中，工程师站主要任务是对逻辑程序进行修改，完成系统实时监视控制以及维护的需要。通讯网络是为了保证系统运转安全，尤其是信号传输的可靠，通讯介质一般以光纤为主。在现场控制站（FCS）方面：依据生产实践的情况，该控制区域可以划分为六个现场控制站，分别是原料粉磨站、石灰石破碎远程站、烧成窑头控制站，窑尾控制站，水泥粉磨站、水泥包装控制站等。在现场控制站中，一般在低压配电室内安装各个自动控制模块，这样有助于DCS控制系统的统一性和完整性。
3程序逻辑控制的实现
3.1功能说明（1）在对机组电机的开启顺序设定上主要根据机组的步状态字，保证电机在启动功能上符合设定的时间间隔。依据机组状态字上的命名规定，能够比较容易的借助机组号来匹配到对应的步状态字，还能够运用步状态字来对应的机组号进行查询。（2）在电机控制功能模块对内部逻辑完成相应的执行后，可以在DR管脚上输出相应的运算结果，而且能够直接停止控制电机。（3）依据经验，电机开启时间通常不会超过1秒，这个启动时间比较符合于大部分电机。对于部分对启动时间延迟具有较长要求的电机，在启动时可以借助于延迟程序。（4）在电机联锁上，该电子控制系统存在三种联锁信号：分别是设备联锁、启动联锁以及运行联锁。用“1”来表示连锁满足的含义，也就设计可以启动；“0”则意味着不满足，也即不可以启动。对于启动联锁，通常大型设备都只会输出一个允许启动的指令，把信号接入到功能模块。在运行连锁上，依据工艺程序，该设备前的全部主要设备都可以常规启动，那么该设备才可以获得启动指令。（5）电机控制字。可以把每一个控制位共同组合为一个字节，直接传输给功能模块，从而更加高效、快捷。电机状态字在编号上依据同一个规则进行统一编排。（6）电机的下位调试。通常该电子控制系统内，下位调试就是对STEP7编程进行直接调试。
3.2计算机监控组件实现在整个电子控制系统内，逻辑程序控制系统独立于计算机监控组件，二者作为各自自主运行的控制单元。不过，由于二者都应用SIMATIC的通讯协议与总线网络后，这两个控制单元了一定的整体性。工业以太网为主的通讯中介不仅可以服务于控制站与控制站间的通信，还可以作为操作站与控制站之间的稳定介质，有助于以上不但站点之间数据的及时传输。在控制站点和现场模块间，该系统主要借助于分布式IO来完成通讯需要，借助于稳定安全的通讯总线能够把现场信号及时发送给相应的控制单元。对于该DCS的控制核大脑，主要包括了计算机监控组件、网络通讯系统以及逻辑程序控制系统等三个构成部分。这意味着现场必须配备有必有的计算机监控设备，在此基础上DCS控制系统可以高效、及时、精确地完成自动化生产线的控制任务。
4结语
计算机控制的自动控制系统主要由工业生产对象和计算机控制系统两个大部分构成，通过计算机将被控端的相关数据和参数进行采样分析，通过输入通道将模拟量转化成数字数据，对被控对象进行数字化的控制，并通过计算机进行监控，通过计算机完成控制、运算、判断、比较等各项功能，计算机通过实时的数据采集进行实时决策和控制，适时的向执行机构发出控制指令。通过上述过程的不断重复执行，使整个系统按照静态和动态指令进行控制和执行。通过计算机控制的自动控制系统包括被控对象和计算机两大部分构成，其中硬件包括控制主计算机、设备和接口电路等构成，通过各传感器将信号采集，经过计算机将数据进行处理和分析，对被控对象进行反馈控制，软件系统包括通用软件和开发软件，开发软件具有各种数字语言处理程序、编辑程序、仿真程序等。自动控制的计算机系统根据控制对象的不同，所采用的控制系统也不同。应用最多的是操作指导控制，它的特点是可以将生产过程中的数据进行收集和加工处理，操作者根据这些参数进行必要的操作和控制，这个系统最大的优点是操作简单、稳定可靠，常用于数据检测和数字模型的处理和新程序的调试等。另一类分级控制系统的应用也是比较多的，它是由几台大中小型的计算机组成，分别执行各种功能，分为指挥计算机控制系统和控制级计算机系统，可以根据管理的范围和企业规模的大小分为公司级、工厂级和车间级等。在自动控制系统中，单片机的应用也是非常广泛的，单片机具有可靠性高、功能强、体积小的优势，具有扩展性强的功能，可以实现多级和分布式控制。
二、职校教学中单片机控制的开发及应用分析
在职校教学中，单片机应用的开发过程有别于一般的电子产品的开发，除了硬件设计的合理和接线准确外，还要进行软件的编辑，要考虑软件和硬件的兼容性。对于单片机控制系统的开发一般是要根据应用系统的功能确定总体的设计方案、进行硬件和软件开发、在设备上开展仿真测试和实验、进行设备的安装和调试、最后是产品化的生产和推广应用。硬件的开发要在系统总体设计的框架下完成，软件的开发具有实时性、可靠性和灵活性的特点，采用模块化开发的方法，进行主程序开发、子程序开发、中断服务程序的开发等，在各个模块内还可以细化顺序结构、循环结构、分支结构等。在安装调试时要确认软件和硬件的设计合理和准确，符合要求后再进行正式的安装和调试，根据控制的效果和要求对系统的稳定性进行测试和验证，满足设计方案的目标和要求。
三、结语
1.1电气工程自动化工程体系优缺点同时存在
现在我国运行的电气工程自动化工程采取的控制系统一般有集中监控、DCS（分布式控制）两种。首先集中控制系统的优势在于，它将全部功能都安置在一个处理器中，在系统设计、维护以及运行等方面都比较简单。其劣势在于处理器承担的任务量较大；在此控制体系中，隔离器件闭锁和断路器联锁是运用硬接线进行连接，在设备扩容等方面比较困难，其操作难度也比较大。其次DCS系统是在集中控制系统的前提下设计并发展起来的，在现代电气工程自动化工程控制系统中获得较为广泛的应用。其劣势在于使用和传统仪表相似的模拟仪表，减少系统安全可靠性，在维修环节也比较困难，各个设计厂家没有规范而统一的标准，加重维修的成本，并且其价格比较高。
1.2电气工程自动化工程控制系统还不具备标准化端口
电气工程自动化工程控制系统接口到目前为止还没有统一、完善的标准，这种情况提升工程造价，阻碍数据资源共享的实现。自动化体系设计方案很重要，然而很多企业没有规范的方案，各个厂家和企业间硬件和软件交换数据有差异，导致企业间难以深入的交流和信息交换。同时电气工程自动化工程控制没有实现统一化，难以根据客户要求设计、建立规范、标准的电气工程自动化工程控制体系。
1.3电气工程自动化工程控制没有实现专业化
在电气工程自动化工程控制设计、安装以及操作等环节，相关工作人员的专业技术比较薄弱，需要进一步提高。此外我国电气工程自动化工程控制习题创新能力不足，一般产品属于中低档，需要提高其创新能力。
2构建电气工程自动化工程控制系统的发展对策
2.1建立一体化的电气工程自动化工程控制体系
要从各个环节建立起具有一体化的电气工程自动化工程控制体系。首先国家要按照电气工程自动化工程控制体系具有技术水平和技术特点，制定统一的产品规范。其次厂家和企业要加强交流，从设备精简、调试与维修以及技术合理性等多方面向规范化的方向进行制造和生产，让控制体系更科学。最后要研发出新型、操控更方便的一体化控制系统，可以运用社会性质和分工外包间的协作，让零部件的生产走商业化生产的路线，促进电子工程自动化工程控制体系的一体化。
2.2运用国际化生产标准
IEC61850是现在控制系统厂家所认可的国际标准，可以参照这个标准对控制体系进行研究和开发。另外可以运用微软公司所制定的标准技术，由于企业策划电气工程自动化工程控制系统时，PC系统是连接管理系统和控制系统的中间系统，其接口具有标注化，能够保证厂家和企业间实施软件和硬件的数据交换，妥善的解决由于通讯而产生的问题。
2.3引进和培养电气工程自动化工程控制系统的专业人才
随着电气工程自动化工程控制逐渐集成化和高智能化，对其制造人员、维修人员和安装人员都具有很高的要求，所以要引进和培养专业技术较强的人员。首先企业要培养具有实际操作能力的人才，他们要了解和掌握软件和硬件系统的操作。其次对安装人员记性专业技术进行培训，使之懂得安装的流程和技术。最后要更新技术人员的知识结构，可以引进人才，通过引进人才的“传帮带”，培养新人，促进他们在维修和系统保养等方面的学习，提高工程系统安全可靠性。
3结语
1.1电气工程自动化模型得到了简化。
通常而言，在电气工程自动化控制达到智能化目的之前往往需要建立相应的模型，除此之外，在模型建立的时候还需要综合考虑到很多会直接或者间接影响模型的参数。鉴于此，通过模型来实现自动化控制归纳的说就是通过相关的动态方程来控制和反馈数据的，但是通过这种方式是无法保证在数据传输的期间不出现意外状况来影响数据的传输以及反馈，这样一来数据的及时性和准确性就无法得到保证了，使得理论结果与现实实践之间出现偏差也就不足为奇了，这会导致电气工程自动化控制的工作效率大大的降低。然而我们通过实践得出，引入智能化技术能够非常有效的跳过设计与建立模型这一环节，可以实现调节的自动化，从根本上降低了出现上述情况的可能性和风险，在很大程度上避免了那些不可控制的客观因素发生，提高了控制器的精确度和自动化的控制效率。
1.2确保电气工程自动化控制的统一。
传统的自动化控制器一般地说都是就某个模型对象来加以控制的，事实证明，这种方式对于单个的模型控制效果良好，但是无法统一而全面的控制电气工程自动化控制系统，这样一来就极易造成不同的模型之间各不相同。然而智能化电气工程的自动化控制就可以有效避免模型设计的这一环节，因此无法控制模型的复杂性这一问题就不复存在了，这不管是对于指定的对象或者非指定对象都能够保证控制上的一致性，从根本上确保了电气工程自动化控制的统一，这样一来不仅大大提高了自动化控制器的工作效率，工作质量也得到了质的提高。
1.3有效控制了电气工程自动化系统。
前面已经讲到，智能化技术能够控制和反馈对电气工程中所有设备的数据，与此同时还能够有效根据响应时间、下降时间和鲁棒性变化等参数来对电气工程自动化的控制程度实现自动调节，这样一来就可以节省了重新建立模型的时间，另外还可以在第一时间来处理因客观因素以及预警自动化控制过程中所造成的错误。这样及时的处理和高效的警惕大大降低了风险，节省了很多的人力物力财力的消耗，从而更好的实现了对电气工程自动化系统的有效控制。
2、智能化技术的有效应用
就目前而言，智能化技术在电气工程中主要应用表现为以下几个方面。
2.1模糊逻辑与控制。
一般地说，电气工程的自动化控制系统中都会含有一定数量的模糊控制器，它能很好的代替PID控制器。就目前而言，模糊逻辑的控制主要有M型与S型两种应用类型，但是有一点需要强调的是，这两种控制器都有各自的规则库，又可以叫做ifthem的模糊规则集。其中S型控制器的规则为if。X是G，y是H，则W=f(X,Y)，这里所说的G与H指的都是模糊集，下面分别对这两种应用类型进行介绍。M型控制器主要由模糊化、知识库、推理机与反模糊化这四大部分所共同构成，主要用于实现变量的测量、量化、模糊化的目的，其隶属函数的形式也是多种多样的；知识库主要是由语言控制的数据库与规则库两个部分，其开发方式是将专家知识与经历置于控制及应用目标上。值得注意的是，在建模的过程中，一定要使用神经网络的推理机与模糊控制器对其加以操作；推理机同样也是模糊控制器中不可或缺的重要组成部分，它能够很好地模仿人类决策与推理模糊控制行为；反模糊化主要用来量化与反模糊化，它包括的技术种类也比较多，其中应用得最为广泛的当属中间平均技术与最大化的反模糊化这两种了。
2.2优化设计与诊断故障。
在过去的很长一段时间里，设计产品通常都是依靠实验或者传统手工检验来完成，通过这种方式所得方案往往不是最优方案。随着计算机技术的蓬勃发展以及在各个领域的广泛应用，越来越多的电气工程产品开始更多的选择使用CAD来进行设计。这样大大减短了产品的开发周期，如果在这个过程中很好地渗透智能化技术，可谓是如虎添翼，使其设计质量与效率得到大大的提升，专家系统的设计就是一个典型案例。不仅如此，智能化技术在优化设计还体现在遗传算法方面。众所周知，遗传算法是当前全世界范围内比较先进的计算法，其最大的优势之处在于计算精度高，因此在电气工程中得到了亲睐，而且在其中也起到了极其重要的作用。除此之外，故障和它的预兆在电气工程中的关系是错综复杂的，具有不确定与非线性的特点，这给我们的判断带来很大的困扰。
3、总结语
是国家果茶良种场XX省优质果茶良种繁育场，是国家“九五”种子工程在湖南实施的重点项目，建于1998年8月，1999年三月由农业部授名为“国家（湖南）果茶良种场”。
厂址位于XX市西郊雷锋大道7公里处，占地面积620亩。为加速实施全省农业结构的调整，先后从美国﹑法国﹑埃及﹑日本及国内10多个省市科研育种单位引进优质果茶品种资源158个，优质果茶种苗40多万株，建成果茶母本园150亩。每年可向社会提供优质果茶苗木200多万株，果茶母（接）穗1万公斤以上，生产优质果茶产品1000吨以上。
果茶场也是省城第一座以品茶、园艺、垂钓为主题的农业观光园。这里空气清新，景色怡人。春有草莓、樱桃、“明前”茶；夏有枇杷、苹果、葡萄、桃、李、杨梅、无花果与瓜类；秋有板栗、柿、枣、梨、猕猴桃；冬有柑桔、橙类等。一年四季。百果飘香，是个名副其实的“百果园”。
该厂第二期工程将于2003年完成，面积将扩至1000多亩。年生产优质果茶苗木将达到1000万株，优质果茶产品产量也将成倍增加，更多的农业高新技术将落户该场。果茶苗木和产品的生产、检测、采后处理、加工和多种农业观光设施将全部完善和配置。届时，一个全新的高科技生态农业示范、观光园将会展现在你的面前。
百果园是农业高科技的结晶，而滴灌系统是其中的重中之重。百果园现建成的620亩果园，全部由从以色列引进的先进滴喷灌系统控制，该园地势起伏较大，最高处海拔达86.60m，最低处64.72m，传统灌水方式很难进行，而先进的滴灌系统由于对地形的适应能力强，而且特别适应山地丘陵地区，所以滴灌正好大施其能，由低处水库中取水，经过过滤加压，然后由遍布全园的各种管道把带有肥料、除虫剂的水准确地送到每片需水地园中，保证果树的正常需水。不过其系统自动化程度不高，全园仅能使用微机控制电磁阀的开启，不能精确实现作物的轮灌、对灌水时间和灌水量还不能实现有效的控制，有望进一步提高。
2滴灌系统
滴灌就是滴水灌溉技术，它是利用低压管道系统，使滴灌水成点滴地、缓慢地、均匀而又定量地浸润作物根系最发达的区域，使作物主要根系活动区的土壤始终保持在最优含水状态。滴灌不同于传统的地面灌溉湿润全面积土壤，因此滴灌有节约灌溉用水量、促进作物生长和提高产量的作用，是一种很有发展前途的局部灌水技术。
百果园主要种植柑桔、葡萄、水蜜桃、茶等低矮果树，如果采用其它灌水方法，不仅浪费水资源，而且很难保证满足果树的需水量，而滴灌具有省水节能、省工省地省肥、操作简单，易于实现自动化、对土壤地形适应性强、保护和保持生态环境等优点，所以滴灌成为了百果园地首选。
2.1百果园滴灌系统的组成
百果园滴灌系统主要由水源、首部枢纽、输配水管网和尾部设备灌水器以及流量、压力控制部件和测量仪表等组成，如图所示。全园滴灌系统组成示意图：
1.水源2．水泵3.供水管4.蓄水池5.逆止阀6.施肥开关7.灌水总开关8.压力表
9.主过滤器10.水表11.支管12.微喷头13.滴头14.毛管(滴灌带、渗灌管)
15.滴灌支管16.尾部开关(电磁阀)17.冲洗阀18.肥料罐19.肥量调节阀20.施肥器21.干管
2.1.1水源
江河、湖泊、水库、井、渠、泉等水质符合微灌要求的均可作为水源，百果园采用从园中的水库中取水。
2.1.2首部枢纽
百果园的首部枢纽包括泵组、动力机、肥料罐、过滤设备、控制阀、进排气阀、压力表、流量计等。其作用是从水库中取水增压并将其处理成符合微灌要求的水流送到系统中去。百果园中采用五级加压式离心泵，在水库中取水，现取现用，计划建一水塔蓄水。
2.1.3输配水管网
输配水管网的作用是将首部枢纽处理过的水按照要求输送分配到每个灌水单元和灌水器。包括干、支管和毛管三级管道，毛管是微灌系统末级管道，其上安装或连接灌水器。微灌系统中直径小于或等于63毫米的管道常用聚乙烯(PE)管材，大于63毫米的常用聚氯乙烯（PVC）管材。百果园中干、支管采用PVC管和UPVC管，毛管采用PE管。
2.1.4尾部设备
尾部设备是微灌系统的关键部件，包括微管和与之相联的灌水器(小微管、滴头、微喷头、滴灌带、渗灌头、渗灌管等)插杆等。灌水器将微灌系统上游所来的压力水消能后将水成滴状、雾状等施于所需灌溉的作物根部或叶面。
2.2百果园滴灌灌溉系统
灌溉系统的第一期工程是由以色列的普拉斯托公司负责承建，全园采用先进的滴、喷灌相结合的微灌节水技术，是我国南方发展节水农业的典范，其具体情况见下：
2.2.1设计原则
滴灌灌溉系统设计除了满足节水、节能、省力等之外，通常应遵循以下主要原则：
①必须满足果园果树生长对水分的要求；
②灌溉系统设计应结合耕作实际，便于操作；
③应使所选择的灌水方法既能满足作物的灌溉要求，又不因灌溉而造成病害、虫害的发生；
④在尽可能的情况下，灌溉系统设计时应考虑施肥及喷药装置；
⑤在尽可能的情况下，应使灌溉系统在满足灌溉要求的同时，工程建设的综合造价最小。
2.2.2设计步骤
2.2.2.1资料的收集在系统设计时，必须掌握以下资料：
①地形资料：根据实际情况测绘大比例尺地形图，其中包括果园的平面布置、道路、水源位置、高差等。
②土壤资料：主要是土壤理化性质、地下水埋藏深度和土层厚度等。土壤理化性质主要包括土壤类别、干容重、含盐情况、土壤田间持水率等。
③气象资料：区域年均降雨量及季节分布、平均气温、极端气温（包括最高、最低气温）、最大冻土层深度、无霜期、蒸腾蒸发资料等。
④水源资料：水源属性（个人或集体）、种类、水源位置、水质、含沙情况、水位、供水能力、利用和配套情况等。若水源为机井时，还应调查机井的静水位和动水位，当地下水水位较浅时，一定要调查清楚地下水位及其周年变化规律。若水源为渠水时，应调查清楚水源的含泥沙种类、含沙量、水位、供水时间、可能的配水时间等。同时，还应特别注意水源的保证率问题，不论是只用于果园的水源还是与周围大田混用的水源，都应考虑这个问题。
⑤百果园作物种植资料：其中包括作物的种类、种植密度（其中最主要的是行距和株距）等。
⑥百果园的环境资料：包括百果园周围的地形、交通和供电等。
2.2.2.2灌水方法的选择灌水方法选择适当与否，除了影响工程投资外，还直接影响着灌溉系统的效益发挥和灌溉保证率。因此，应根据作物种类、作物的种植制度、种植季节、水源情况、果园设施情况、工程区社会经济情况等，合理地选择相对投资较省、灌溉保证率较高且有利于果园果树生长的灌水方法。百果园灌溉系统的灌水方法采用以滴灌为主，滴喷灌相结合的方式。
2.2.2.3滴灌系统布置，百果园滴灌系统的管道分干管、支管和毛管等三级，布置时干、支、毛三级管道要求尽量相互垂直，以使管道长度和水头损失最小。通常情况下，园内一般出水毛管平行于种植方向，支管垂直于种植方向。
2.2.2.4滴灌灌溉制度的拟定
①灌水定额：是指作为滴灌系统设计的单位面积上的一次灌水量，如果用灌水深度表示，可用式（4-8）计算，即
H——计划湿润层深度（米），一般蔬菜0.20-0.30米深根蔬菜或果树0.3-1.0米；
p——土壤湿润比，70%-90%。
②设计灌水周期：滴灌设计灌水周期是指按一定的灌水定额灌水后，在作物适宜土壤含水率的条件下，保障作物正常生长的可能延续时间T，用式（4－9）计算，即
③一次灌水延续时间：一次灌水延续时间是指把设计灌水定额水量，在不产生径流的条件下，均匀分布于果园田间所用的灌水时间，用式（4－10）计算，即
i.轮灌区数目的确定：（a）对于固定式滴灌系统，轮灌区数目可按式（4-11）计算：（b）对于移动式滴灌系统，则有：
ii.一条毛管的控制灌溉面积：（a）对于固定式滴灌系统，毛管固定在一个位置上灌水，控制面积为
f=SeL(4-13)
式中f——每条毛管控制的灌溉面积（平方米）
L——毛管长度（米），移动式滴灌系统中为出流毛管长度。
（b）对于移动式滴灌系统，一条毛管控制的灌溉面积为
2.2.2.5滴灌系统控制灌溉面积大小的计算在灌溉水源能够得到充分保证的条件下，滴灌面积的大小取决于管道的输水能力。对于水源流量不能满足整个区域需要时，滴灌面积为
2.2.2.6管网水力计算滴灌系统各级管道布置好以后，即可从最末端或最不利毛管位置开始，逐级推算各级管道的水头损失（包括沿程水头损失和局部水头损失）。在设计中，同一条支管上的第一条毛管最前端出水孔处水头与最末一条毛管最末端出水孔处水头之间的差值，不超过滴头设计工作压力的20％，流量差值不超过10％；对于采用压力补偿式滴水器时，仅要求区域内滴头流量差值不超过10％，并据此确定支、毛管的最大设计长度；在滴灌中，由于管网中水流压力通常小于0．3兆帕，所以多选用PVC塑料管道。管道中水流在运动过程中的压力损失通常包括沿程阻力损失和局部阻力损失。工程设计中塑料管道的沿程阻力损失常选用式（4－16）、（4－17）计算，局部阻力损失常用式（4－18）计算。①沿程阻力损失hf
当管道有多个出水口时，管道的沿程阻力应考虑多口出流对沿程阻力的折减问题，多口出流折减系数k，对应计算公式
②局部阻力hj
工程设计中为了计算方便，局部阻力损失也常按沿程阻力损失hf的10％估算。
2.2.2.7管道系统设计包括各级管道的管材与管径的选择、各级固定管道的纵剖面设计、管道系统的结构设计。
①管材的选择：可用于灌溉的管道种类很多，应该根据滴灌区的具体情况，如地质、地形、气候、运输、供应以及使用环境和工作压力等条件，结合各种管材的特性及适用条件进行选择。一般情况下，对于地理固定管道，可选用钢筋混凝土管、钢丝网水泥管、石棉水泥管、铸铁管和硬塑料管。钢管易锈蚀和腐蚀，最好不要选用。随着材料工业的发展，地埋管道多选用塑料管。选用塑料管时一定要注意，不同材质的塑料管在几何尺寸相同的情况下可承受的工作压力相差甚远，特别是在使用低密度聚乙烯管（PE管）时，一定要注意管壁的厚度是否达到了能承受系统所要求压力的厚度，若没有达到，千万不能使用，否则将会埋下隐患，造成运行时管道发生爆破，甚至导致整个管道系统瘫痪。用于滴灌地埋管道的塑料管，最好选用硬聚氯乙烯管（UPVC管）。对于口径150毫米以上的地埋管道，硬聚氯乙烯管在性能价格比上的优势下降，应通过技术经济分析选择合适的管材。塑料管经常暴露在阳光下使用，易老化，缩短使用寿命。因此，地面移动管最好不采用塑料管。
②管径的选择：当轮灌编组和轮灌顺序确定之后，各级管道在每一轮灌组所通过的流量即可知道。通常选用同一级管道在各轮灌组中可能通过的最大流量，作为本级管道的设计流量，依据这个设计流量来确定管道的管径。若某一级管道，其最大流量通过的时间占管道总过水时间的比例甚小，也可选取一个出现次数较多的次大流量，作为管道的设计流量来确定管径。同一级管道的不同管段通过的最大流量不同时，可分段确定设计流量。（a）支管管径的确定：支管是指直接安装竖管和滴头的那一级管道。支管管径的选择主要依据灌溉均匀的原则。管径选得越大，支管运行时的水头损失就越小，同一支管上各滴头的实际工作压力和灌水量就越接近，灌溉均匀度就越接近设计状况。但这样增大了支管的投资，对移动支管来说还增加了拆装、搬移的劳动强度。管径选得小，支管投资减少，移动作业的劳动强度降低，但由于运行时支管内水头损失增大，同一支管上各滴头的实际工作压力和灌水量差别增大，结果造成果园各处受水量不一致，影响滴灌质量。为了保证同一支管上各滴头实际出水量的相对偏差不大于20％，国家标准GBJ85-85规定：同一支管上任意两个滴头之间的工作压力差应在滴头设计工作压力的20％以内。显然，支管若在平坦的地面上铺设，其首末两端滴头间的工作压力差应最大。若支管铺设在地形起伏的地面上，则其最大的工作压力差并不见得发生在首末滴头之间。考虑地形高差Z的影响时上述规定可表示为
许的水头损失即为从式（4－20）
可以看出：逆坡铺设支管时，允许的hw的值小，即选用的支管管径应大些；顺坡铺设支管时，因Z的值本身为负值，其允许的hw的值可以比0.2hp大些，也就是说因支管顺坡铺设时，因地形坡降弥补了支管内的部分水力坡降，选用的支管管径可适当的小些。当一条支管选用同管径的管子时，从支管首端到朱端，由于沿程出流，支管内的流速水头逐次减小，抵消了局部水头损失，所以计算支管内水头损失时，可直接用沿程水头损失来代替其总水头损失，即h''''f=hw，式（4－20）可改写为
滴头选定后，满头的设计工作压力可从滴头性能表中查得。两滴头进水口高程差（实际上就是两滴头所在地的地面高差）可以从系统平面布置图中查取。则h''''f即可求出。利用公式h''''f=FfLQm／db，在其他参数已知的情况下反求管径d，d就是该支管可选用的最小管径的计算值。因管材的管径已标准化、系列化。因此，还需按管材的标准管径将计算出的管径规范取整。对滴灌系统的支管，考虑到运行与管理的方便，最大的管径一般不超过100毫米，并且应尽量使各支管取相同的管径，至少也需在一个作业区中统一。对于固定管道式滴灌系统，地理支管的管径可以不同，但规格不宜太多，同一条支管一般最多变径两次。（b）支管以上各级管道管径的确定：一般情况下，这些管道的管径是在满足下一级管道流量和压力的前提下按费用最小的原则选择的。管道的费用常用年费用来表示。随着管径的增大，管道的投资造价（常用折旧费表示）将随之增高，而管道的年运行费随之降低。因此，客观上必定有一种管径，会使上述两种费用之和为最低，这种管径就是我们要选择的管径，称之为经济管径。经济管径中对应的流速称为经济流速。图4-7就是用最小年费用法计算经济管径的原理示意图。用这种方法确定管径概念清楚，但计算相当繁琐，往往需要分别计算出多种管径的年投资和年运行费，比较后再确定。随着科学技术的进步，计算机技术的飞速发展，许多优化设计方法，如微分法、动态规划法等已在管道灌溉管网的设计中得到应用，具体方法可参阅有关书籍。对于规模不太大的滴灌工程，也可用式（4－22）、式（4－23）的经验公式估算管道的直径：
应该指出的是，由于管道系统年工作小时数少，而所占投资比例又大。因此，一般在灌溉系统压力能得到满足的情况下，选用尽可能小的管径是经济的，但管中流速应控制在2.5～3米／秒以下。
③管道纵剖面设计：管道纵剖面设计应在系统平面市置图绘制后进行，设计的主要内容是确定各级固定管道在平面上的位置及各种管道附件的位置。管道的纵剖面应力求平顺，减少折点，有起伏时应避免产生负压。
ⅰ埋深及坡度：地埋管的埋深指管径距地面的垂直距离，埋深应根据当地的气候条件、地面荷载和机耕要求确定。一般管道在公路下埋深应为0.7～1.2米；在农村机耕道下埋深为0．5～0．9米。地埋管的坡度主要视地形条件而定，同时也应考虑地基好坏及管径大小。一般在地形条件许可的情况下，管径小、基础稳定性好的管道坡度可陡一点；反之应缓些。总的来说，管道坡度不得超过1:1，通常控制在1:1.5～1:3以下。
ⅱ管道连接及附件：地埋管道的连接多采用承插或黏接的形式，转向处用弯头，分水处用三通或四通接头，管径改变处采用异径接头，管道末端用堵头。为方便施工和安装，同类管件应考虑其规格尽量统一。
为了按计划进行输水、配水、管道系统上应装置必要的控制阀。白果园中为了实现灌水的有效控制,设置了30多个电子阀.而且各级管道的首端还设了进水阀或水分阀；当管道过长或压力变化过大时，设置节制阀。为保证管道的安全运行，还安装一些附设装置。自压系统的进水口和各类水泵吸水管的底端应分别设置拦污棚和滤网，管道起伏的高处应设排气装置，自压系统进水阀后的干管上设高度高出水源水面高程的通气管，管道起伏的低处及管道末端设泄水装置，管道可能发生最大水锤压力处设置安全阀。
2.3评价
从整体上来看,XX白果园的滴灌系统是建设的比较完善的一套滴水灌溉系统,设计施工都符合现代滴灌的要求,是一套先进的现代化滴水灌溉系统，而且产生了很好的经济效果。不过当时考虑到经济条件的限制，其毛管采用了单行直线布置，灌水均匀度不高，鉴于对多种毛管布置形式的比较分析，笔者认为百果园应改进为双行毛管平行布置；而且其控制系统自动化程度不高，全园仅能使用微机控制电磁阀的开启，不能精确实现作物的轮灌、对灌水时间和灌水量都不能实现有效的控制，故需进一步对其控制系统加以设计改进。正在建设的二期工程应该吸收一期工程中的好的经验，改进一期工程中的不足，特别是应该实现灌水的全自动控制。
3灌溉自动化控制系统
灌溉中的滴灌系统，能很方便实现自动化控制，灌水的自动化控制能有效的实现节水灌溉，也是农业实现现代化的要求。对微灌的自动化控制，根据控制系统运行的方式不同，一般可分为手动控制、半自动控制和全自动控制三类：
①手动控制系统
系统的所有操作均由人工完成，如水泵、阀门的开启、关闭，灌溉时间的长短，何时灌溉等等。这类系统的优点是成本较低，控制部分技术含量不高，便于使用和维护，很适合在我国广大农村推广。不足之处是使用的方便性较差，不适宜控制大面积的灌溉。
②全自动控制系统
系统不要人直接参与，通过预先编制好的控制程序和根据反映作物需水的某些参数可以长时间地自动启闭水泵和自动按一定的轮灌顺序进行灌溉。人的作用只是调整控制程序和检修控制设备。这种系统中，除灌水器、管道、管件及水泵、电机外，还包括中央控制器、自动阀、传感器（土壤水分传感器、温度传感器、压力传感器、水位传感器和雨量传感器等）及电线等。
③半自动控制系统
系统中在灌溉区域没有安装传感器，灌水时间、灌水量和灌溉周期等均是根据预先编制的程序，而不是根据作物和土壤水分及气象资料的反馈信息来控制的。这类系统的自动化程度不等，有的一部分实行自动控制，有的是几部分进行自动控制。
为了对先进的滴灌自动化控制系统有具体认识和了解，下面我们将对滴灌的自动化控制作详细介绍：
3.1滴灌首部控制枢纽
滴灌自动化系统的基本控制方法有：时间控制、水量控制和反馈控制三种。时间控制系统是按预定好的时间放水或关水；水量控制系统是按照设计的配水量放水或关水；反馈控制系统是根据灌区内湿度感受器的反应，然后将信号传送到首部控制枢纽部分来关水或放水。滴灌系统更便于完全实现自动化，这在地多人少、劳力紧张的边远地区，沙漠地带的防护林区，铁路路基沿线，经济力量雄厚的城郊蔬菜种植区显得特别重要。目前，国外发达国家在滴灌区普遍使用了计算机管理系统，并通过专用的滴灌系统软件来控制和检测作物生长、土壤状况和气象趋势，取得了良好的效果。大大提高了现代化的土壤水分、作物生长测定技术的可能性和实用性，具有农艺上的综合性，为人们充分利用现代化仪器设备在滴灌系统中应用提供了巨大的潜力。滴灌系统软件根据作物对水分的需求和土壤墒情制定出合理的灌溉计划和作物管理计划。
3.2作物生产管理计划制定
控制软件系统应能提供一套科学的管理系统，它通过提高作物产量和品质以及减少用水量来提高水分利用效率，能给农民及有关用户提供一套针对灌溉方案制定作物生产管理的先进、完善的管理系统，用户能够使用它获得他们的每一块农田的土壤水分状况图，方便的数据资料存取能够得到每一块农田的准确土壤水分含量，还能够确定准确的日水分利用量，能够给每块农田制定出合理的灌溉管理决策，能够根据每一块农田各自的灌水量需求对不同农田进行灌溉优先排序，以便制定优化灌溉计划使农场或用户获得整体最高产量。
控制软件系统应能允许灌溉管理者根据作物水分需求和作物对灌溉的反应制定合理的灌溉计划，作为一个完整的灌溉计划和作物生产管理软件包，它能够对灌溉决策的制定和作物管理进行数据资料存储、运算处理、显示输出。土壤水分数据资料主要由中子探测仪、石膏电阻块和张力计测定获得。天气数据资料由自动气象站获得，作物生长资料如籽粒大小（直径）、株高和叶片硝酸盐含量等可直接田间测定，根据相应的作物响应，作物生长资料结合土壤水分资料能够制定出合理的灌溉计划，通过实际调查能够提高作物产量、品质和水分利用效率的管理技术能够详细地验证作物生长、土壤水分和气候之间的关系，因此能很好地解决一些灌溉管理和作物生长问题，其中包括过量灌溉导致的灌溉水排渗问题、肥料向根部以下淋溶损失问题以及为了达到高产稳产目标的籽粒重和穗粒数或结果率的控制管理问题。
3.3滴灌系统灌溉计划制定
滴灌系统灌溉计划一般是指确定何时进行灌溉及应该的灌溉量，灌溉计划的应用可消除代价巨大的不可预测的农业灾害，如在作物生长临界期由于土壤类型和作物自身生长能力，不同的农田具有不同的土壤水分亏缺量和日水分利用量，因此不同的农田需要不同的灌溉计划。农民通过土壤水分测定技术利用软件处理和显示不同层次土壤水分特征，能加深对发生于土壤内的各种过程的理解，以便进行更精细的灌溉计划和灌溉管理决策的制定，以确保土壤水分总是保持作物生长所需的最佳含水量。
当土壤水分和被作物利用的水分的准确数量被测定后，通过软件可以计算下一次滴灌的日期和准确的灌水量，它将考虑当前每天水分利用状况、天气变化和历史资料来帮助管理者制定以后的灌水计划。它把农田从最干到最湿分为不同等级。了解需要灌溉补充的水量有助于协调不同用户之间和同一用户内部的水分供给，充分了解雨后何时开始灌溉能使农民最大限度地利用自然降水，而把灌水过多和灌水不及造成地危险减到最小。
3.4土壤水分时间图和深度图的应用
3.4.1时间图时间显示某一指定土壤容积含水量、根区土壤含水量或作物响应随时间的变化。时间图的基本显示：直线表示根区土壤含水量的饱和点和需灌溉补充点；供给的和有效的灌溉和降雨情况；箭头指示预测的灌溉日期；关于水分饱和点、需灌溉补充点、当前和过去的土壤水分测定值及计划安排的灌水日期和灌水量的总结表；作物生长及其对灌溉管理技术措施的响应；该软件所做的时间图可进行大小调整，通过调整纵坐标轴上的最大值和最小值及横坐标上的日期范围能够把图形中用户想要的区域或作物生长期内的某特定阶段的图形放大。图形能够进行叠加来同时比较不同地点的田块或不同年份的数据。当季和前季的作物的生长，土壤水分和天气资料的叠加图形比较灌溉管理达到高度的协调一致。用户可以选择任何关键数据来建立相互作用关系图。
3.4.2深度图深度图显示土壤容积含水量沿土壤剖面随深度的变化而变化的情况，通过该软件和现代化仪器结合能够迅速直接测定和分析土壤水的剖面分布情况。根区吸收水分模式可以在深度图中看到，对深度图分析能使农民确定每一种农作物包括块根作物在土壤剖面中被研究的土壤体积范围和土壤剖面的每一深度层的作物利用的水分数量、土壤紧实度、土壤质地变化、高石灰岩含量、地下水位和盐分等问题能够通过对根部活动的仔细分析而发现。深度图也可以用来确定渗入和排出土壤剖面的水分的运动状况及深度和数量，从中能够给定灌溉饱和点和需灌溉补充点的准确设计值。灌溉或降水后从土壤的根区排出的水分数量能够通过深度图准确测定，根据可以调节灌溉所用时间以避免水分从土壤剖面排出而损失，控制土壤剖面排出水的数量将防止地下水水位地升高和土壤养分的淋溶损失，同时也将降低灌水及滴灌水及抽水的成本。深度图是一个非常有用的工具，能够解决在不同类型土壤中灌溉水的水平和垂直运动的关键问题，通过分别绘制灌溉前和灌溉后距滴管不同距离的各个点的土壤水分含量图可比较灌溉水的运动状况，用户能够利用研究所得的结果来减少水分和肥料排渗，同时确保作物根系能够一直得到适量的水分。
3.5软件的程序特点
3.5.1程序结构滴管软件的数据存储于一个树状结构，这使得制定灌溉方案是查询数据资料非常方便。管理人员可能负责管理几个农场或几块农田，每个农场或农田可能有许多检测点，每一个检测点都有一套不同时间收集的实际测定的读数记录。输入的数据经过计算机软件处理，能显示有关每一单个田块的详细资料，还能够向农民分别显示每一年的作物种植的详细资料。能够显示农场的每个监测田块或某一年份的每一监测点的情况，指明灌溉饱和点和需灌溉补充点，当前作物日水分使用情况，土壤水分平衡和预测出的三次灌溉的日期，土壤水分含量和作物日用水量的测定值，对未来作物在整个生长季节的长期的用水量作出估算。显示某一具体的时期的每一深度层的土壤水分含量的读数记录和根区的总水分含量，同时显示土壤水分需要量，中子仪测定并估算的日水分使用量。利用滴灌软件可进行数据资料综合分析，从中总结重要的信息形成报告，以帮助制定每日的管理决策方案。同时也可以编辑出前几个生长季的作物生长、水分管理。土壤等数据资料，并进行综合分析，为以后的灌溉方案制定提出更合理更完善的评价标准。该软件程序的所以结构层次能为所选择的农场、监测点和某一日期建立报告。报告分为五种：深度图、时间图、记录读数报告。监测点报告和灌溉计划报告。用户可以根据自己的需要已及自己微机系统对程序进行修改编译，选择公制和英制计量单位进行数据资料综合分析，将田间测定得到的数据读数记录自动粘贴到没一个具体的农场栏、监测点栏和日期栏。每一个监测点的测定日期，时间及估计的水分日利用量能够在粘贴之前输入。
3.5.2数据输入在读数记录屏幕中可以人工录入和显示田间实际收集的数据，如土壤水分张力计的读数、作物籽粒大小。有关作物的数据可以测定得到，作物生长参数与土壤水分含量相关联可以确定作物生长期的水分需求量。气候数据资料可以人工输入或由气象站自动装载。天气数据参数的个数没有限制，它可以与任一个作物生长测定值和任一水平的土壤水分含量相关联制作相互作用关系图。从气象数据资料中可以得到蒸发损失的总水分量的数据并且把它与测定的日水分使用量相比较来调整该地区的作物灌溉计划。
3.5.3软件的数据处理利用滴管软件可以计算使土壤剖面达到灌溉饱和点所需的准确时间数。同时计算自从播种或其他生长时期（如发芽、开花等）以来的天数，使土壤水分能够与过去多年的作物生长资料数据参数同步分析，以确定作物水分利用效率。使用作物累积日水分方程。能够很好地评估作物总产量，尤其是对于玉米、小麦和棉花。可以通过作物－水分方程和气象资料估算理论产量。通过速率方程，计算作物生长速率。计算作物当前日水分利用量占整个生长季日水分利用量地比例。同时也可计算不同水分含量地土壤水分变化速率，这些速率地变化表明土壤紧实问题和土壤干旱地程度。滴灌软件可以分析某一作物在生长季内日水分利用状况地资料。结合现代先进地土壤水分测定仪器使用，该软件能够指导我们最有效地利用有限的水资源获得最大农业效益。例如能够确定每次灌溉的准确时间和灌水量。同时减小过量灌溉和水分不足对产量的影响。建立各种不同作物之间水分利用及水分利用效率的差异；建立如不同品种、土壤紧实情况、不同的耕作史等不同条件下水分利用及水分利用效率的差异；建立现代耕作技术和传统耕作技术条件下的水分利用效率的关系。确定灌溉和降水的利用效率，用以观察分析根系吸收水分模式。有助于合理管理地下水和盐化问题，能够减少土壤养分的淋溶损失问题。建立土壤水分含量、作物长势及天气状况的数据库以使作物产量和质量获得持续稳定的提高，使高效农业可持续发展。
3.6灌溉自动化控制系统
要实现灌水的自动化，必须有自动灌溉控制器，该装置由土壤湿度传感器、控制器和电磁阀组成，能够按土壤墒情和作物需水特性实施自动灌溉（沟灌、喷灌、滴灌、渗灌），达到高产、高效、和节水的目的。适用于庭院花圃、苗圃、果园、菜地和农地。随着经济发展，庭院花圃、苗圃水分的自动灌溉倍受欢迎。它能省水省事，使花木生长更好。一亩庭院花圃、苗圃地投资1.0－1.5万元，可以建立自动灌溉控制系统。自动灌溉控制系统可以实现科学灌溉，节能、省水，使菜地和农地产量和质量明显提高。智能化，精准化灌溉技术是伴随着计算机应用技术、传感器制造技术、塑料工业技术的提高而逐步实现的
自动化计算机灌溉控制系统大约在80年代初由雨鸟公司、摩托罗拉等几家公司开发、研制成功，并投入使用。由于技术复杂、应用难度大，价格高昂，这种控制设备最早应用于高尔夫球场灌溉系统的控制上。90年代，计算机工业的硬件、软件飞速发展，使得灌溉系统中央计算机系统操作难度越来越小，功能越来越丰富，价格也逐渐降了下来。这种系统在园林绿化上用得也越来越多了起来，雨鸟公司针对不同用途，研制、开发出了中央计算机控制系统：Maxicom
智能化灌溉中央计算机控制系统具有如下功能：
①动采集各种气象数据，计算并记录蒸发蒸腾量ET；
②根据前一天的ET值自动编制当天灌溉程序并实施灌溉；
③可由连接的土壤湿度传感器、风速传感器、雨量传感器等干涉程序，启动、关闭、暂停灌溉系统；
④连接流量传感器可自动监测、记录、警示由于输水管断裂引起的漏水及电磁阀故障；最大限度利用管网输水能力；
⑤运行程序而不起动灌溉系统（干运行），测试程序合理性，不合理时预先修改；
⑥自动记录、显示、储存各灌溉站的运行时间；自动记录、显示、储存传感器反馈数据，以积累资料，修改程序，修改系统等。
⑦频繁灌溉功能：可将设计好的灌水延续时间分成若干时段，以便提供足够的土壤入渗时间，减少坡地或粘性土地地面径流损失。
⑧一套中央计算机系统可控制无数台田间控制系统（称为卫星站），一套中央计算机控制系统可控制小到一个公园，大到上百个公园，甚至全城的所有灌溉系统。
⑨储存数百套灌溉程序；一台田间控制器（卫星站）可使4个轮灌区独立灌溉或同时灌溉。
⑩手动干涉灌溉系统：可在阀门上手动启、闭系统，可在田间卫星站上手动控制系统，也可在计算机上手动启、闭任何一站，任何一个电磁阀。可控制灌溉系统以外的其它设备，如：道路或公共场所灯光，大门、喷泉、水泵等
自动化中央计算机控制系统主要由中央计算机，集群控制器(CCU)，田间控制器（卫星站），电磁阀构成。中央计算机可装置在任何一个地方。比如：一套中央计算机系统控制50个公园的灌溉系统。中央计算机可安装在市园林局认为合适的位置。CCU安装在各个公园内。中央计算机与CCU之间的通讯，可采用有线连接（近距离），无线连接，电话线连接或移动通讯方法连接。一台CCU最多可连接28个田间控制器。CCU与田间控制器之间同样可选上述数种通讯方式。由中央计算机到终端电磁阀的工作过程为：中央计算机编程，并将程序下达到CCU。CCU将各轮灌区灌溉控制程序再发到相关田间控制器。田间控制器依中央计算机制作的程序启闭各轮灌区电磁阀。如下图所示：
中央计算机上的初始程序由控制人员编制，之后，计算机每日自动收集由气象站采集的气象数据，计算ET值，并不断对原有程序自动修改。如遇传感器传来异常信息（如降雨，过分干燥，系统漏水...），自动中断或暂停程序，待异常情况排除后，继续恢复程序运行。
如果将智能泵站连接到中央计算机控制系统上，则效果会更好。这样从水泵到电磁阀之间复杂的系统将由一个高度智能化的系统管理起来，可做到最大限度地节水、节能，最大限度地保护系统设备运行，避免灌溉系统常发生的下列几种问题：
①过量灌溉或灌水不足，浪费水资源或不能满足植物需水；
②管网破裂，漏失水；
③系统运行压力不合理；
④水泵运行效率低下；
⑤地形起伏不平时或土壤入渗率低产生地面径流，浪费宝贵的水资源；
⑥降雨时，灌溉系统照常灌溉；
⑦管理、维护成本高。
3.7百果园灌溉的自动化控制设计
百果园一期工程灌水基本实现了半自动化控制，可以使用电脑控制各电磁阀的开启。我们可在其基础上加以改进与提高，使其实现灌水的全自动化，具体见下：
3.7.1控制原理
自动化控制采用电子技术对田间土壤温湿度、空气温湿度等技术参数进行采集，输入计算机，按最优方案，控制各个阀门的开启及水泵的运行状态，科学有效地控制灌水时间、灌水量、灌水均匀度，为项目区作物提供一个良好的地、水、肥、气、热条件，促使其高产、稳产。同时进行控制软件及优化灌溉制度的研究，最终形成灌溉专家决策系统。另外，通过变频器控制改变电机转速，调节管道压力，为管道、滴灌等其他灌溉工程的自动化提供依据。具体包括以下几个方面：
①田间土壤含水量、盐分、地温、空气温度、湿度、降水、风速、管道压力等参数的自动化采集
②自动化控制设计安装
③监控软件设计
④变频系统设计，通过改变水压力，为微喷、滴灌等工程的自动化提供依据
⑤系统运行管理模式评价，包括系统评价、灌水指标、灌溉制度等
3.7.2控制系统的组成
欲实现真正意义上的全自动控制，需要控制田间参数及对象很多，例如土壤湿度、盐分、空气温度、相对湿度、降水量、风速、管道压力、阀门开启、水泵电机旋转等，都要送入控制器。考虑到要控制的对象较多，又要满足良好的人机界面要求，可以采用工业控制计算机作为整个控制系统的核心，来协调各部分的工作。
系统的组成如下图所示,整个系统的工作主要工控机和变频器两部分来控制，其中变频器主要用于控制水泵电机的旋转，工控机主要用来采集田间土壤及气象指标，按照设定的程序，控制各地块中电磁阀的开启，并通过变频器控制电机的运行状态，协调整个系统的工作。
3.7.3监控软件监控软件是工控机能够完成控制功能的重要基础，监控软件设计的好坏直接关系到整个系统的质量和可靠性。根据项目要求及滴灌的特点，笔者建议百果园采用雨鸟公司的“Maxicom”中央控制系统，该软件只需用户输入各地块种植作物种类及种植日期，系统便会自动计算当前作物所处生育期，确定出各自要求的土壤状况及气象信号，控制水泵电机的运行状态及阀门的开启，自动完成整个灌水过程，完全不需要人工干预，实现全自动控制。
该控制软件在此所完成的主要功能及特点如下：
①自动采集田间数据：系统根据软件中所预先设定的时间，自动地采集土壤湿度、温度风速、雨量等参数，进行相应的处理后，实时显示在屏幕上。
②作物生育期的判断：当管理人员输入各地块所种植的作物及种植日期后，系统便根据计算机时钟自动计算出各种作物已种植的天数，判断出作物所处的生育期，自动查找资料库中所存的原始资料，确定出当前作物最适宜的土壤含水量及灌水定额。
③滴灌的全自动控制：系统采集田间及气象数据后，将当前各地块土壤含水量与作物适宜含水量相比较，若土壤实际含水量小于作物要求下限值，便自动开启该地块的第一个电磁阀。进行灌溉。达到所需灌水定额后，自动关闭第一个电磁阀，同时开启下一个电磁阀，直到完成整个地块的灌溉任务。灌溉过程中，若出现温度过低、风速过大以及降雨过程等天气时，系统会自动暂停当前的灌溉任务，并保存当前状态。当气象条件满足时，继续进行未完成的任务。
④形式多样的控制方式：全自动控制外，系统还允许管理人员采用半自动、手动等控制方式。全自动方式只需运行人员输入各地块的作物信息，系统便会根据作物、土壤、气象等条件自动完成灌溉的全过程，无需人工干预。所谓半自动方式，是指系统允许用户根据实际情况控制开停机。用户可人为启动某个阀门，或某个地块，甚至是所有地块均轮灌一次。当然这些操作全部都是通过键盘或鼠标来完成的，而且在工控机屏幕上均有明显的提示。所谓手动方式是指人工去开启各个电磁阀，笔者建议百果园选用美国雨鸟公司生产的电磁阀：手动、电动两用阀门，既可手动，又可电动，使用非常方便。当手动打开某个电磁阀时，喷头出水，主干管道压力开始下降，系统会自动通过变频器升高水泵电机转速，维持管道压力的恒定，直到完成灌溉任务。
⑤丰富的办公自动化功能：系统在运行过程中，可自动生成各种定时、日、月、年报表，并通过打印机打印出来。其内容包括各种气象及土壤参数，可从各报表中得到土壤湿度变化曲线、日最高风速、月平均气温、全年总降水量等原始资料，为用户研究当地的气象及土壤变化情况提供翔实的依据。
⑥良好的可维持性：可维护性是衡量软件质量好坏的重要指标之一，在编写本系统时我们也充分考虑了这一点，例如用户在种植一类新作物时，可能系统的资料库中并没有该作物，便无法确定其适宜土壤含水量和灌水定额。此时，用户可按自定义按钮，通过鼠标各键盘输出这些参数，系统便会根据用户所定义的数值运行。另外，用户还可很方便地修改灌水定额、管道压力等参数，满足实际情况的需要。
⑥友好的人机界面：系统中大部分界面均为示意图形，实时显示各传感器送来的数值及系统当前的运行状态，一目了然。需要用户操作的部分全部为中文界面，工作人员无需学习便可完成所有操作。另外，在任一界面下，用户都可以通过按帮助按钮得到相应的提示，指导用户完成相应的功能。
3.7.4效果
百果园通过增加自动化控制系统后，灌水时间、灌水量和灌溉周期等完全根据果树某些需水参数自动启闭水泵和自动灌溉，人的作用仅仅是调整控制程序和检修控制设备。既提高了水的有效利用率，又节省了人力，同时也提高了果树的产量，可以产生良好的经济效果。
3.8第二期工程的设想
正在建设第二期工程计划今年完工，第二期工程的滴灌系统我建议基本上参照第一期工程建设，也采用滴喷灌相结合的方式，其水源计划应采用水塔蓄水，用以缓解枯水期水库少水的矛盾，该可以区采用先进的电脑全自动控制方式，实行精确灌水，管道布置采用固定式（干管、支管）和移动式（毛管）的有机结合。二期工程应该吸收一期工程中的好的经验，改进一期工程中毛管布置形式的不足，还特别是应该增加灌水的全自动控制部分，实现灌水的全自动化，精确控制作物的有效灌水。
4存在的问题及建议
通过对滴灌系统的学习与认识，笔者系统的学习了滴灌这种先进的果园节水灌溉方法，在实践的基础上深化了理论，并对滴灌和滴灌系统有一些不成熟的认识与建议。
4.1滴灌的优缺点
4.1.1百果园滴灌的优点
4.1.1.1水的有效利用率高，在滴灌条件下，灌溉水湿润部分土壤表面，可有效减少土壤水分的无效蒸发。同时，由于滴灌仅湿润作物根部附近土壤，其他区域土壤水分含量较低，因此，可防止杂草的生长。滴灌系统不产生地面径流，且易掌握精确的施水深度，节水效果达50%-90%。
4.1.1.2环境湿度低，滴灌灌水后，土壤根系通透条件良好，通过注入水中的肥料，可以提供足够的水分和养分，使土壤水分处于能满足作物要求的稳定和较低吸力状态，灌水区域地面蒸发量也小，这样可以有效控制保护地内的湿度，使果园中作物的病虫害的发生频率大大降低，也降低了农药的施用量。
4.1.1.3提高作物产品品质，由于滴灌能够及时适量供水、供肥，它可以在提高农作物产量的同时，提高和改善农产品的品质，使果园的农产品商品率大大提高，经济效益高。
4.1.1.4滴灌对地形和土壤的适应能力较强，由于滴头能够在较大的工作压力范围内工作，且滴头的出流均匀，所以滴灌适宜于地形有起伏的地块和不同种类的土壤。同时，滴灌还可减少中耕除草，也不会造成地面土壤板结。
4.1.2百果园滴灌的缺点
4.1.2.1滴灌的滴头很容易堵塞和磨损，产生灌水的不均，严重影响节水效果。
4.1.2.2滴灌的各管道的压力有所差异，会产生局部压力过高而使管道容易损坏，滴头的压力不均甚至会产生雾化，损坏滴头，浪费水资源。
4.1.2.3滴灌一般仅润湿作物根系区土体的一部分，所以作物根系的发展可能限制在围绕每一滴头的湿润区，这样容易产生作物根系的腐烂，进而引起作物倒伏。
4.1.2.4滴灌的管道布置要充分利用当地地势与地形，在原则的基础上加以灵活运用，如干管的布置、毛管的布置，取水方式等。
4.2滴灌的建议
4.2.1百果园应加强灌水的自动化控制，保证各种果树的精准灌水，实现精确的节水灌溉
4.2.2滴灌的水量应该有保证，应该建一水塔蓄水，确保枯水期各种果树的需水要求
4.2.3滴灌的毛管布置应采用单行带环形状态管布置和双行平行布置相结合，确保果树灌水均匀度。
4.2.4滴灌技术的应用应该和其他节水灌溉技术相结合，互相补给，更好的发挥优势。
4.2.5国家应鼓励进行滴灌技术的研究，加大科研推广投入的力度，研制开发经济实用的滴灌管材，解决滴头易堵塞的难题等，滴水灌溉技术应该在政府的规划安排下，由政府投资和农民出资相结的优惠政策下在全国范围鼓励推广发展。
关键词：供热；自动化控制；节能
0前言
天津市河北区金泰供热中心建于2001年，是一所当年立项，当年设计，当年施工，当年竣工并投入运行的大型集中供热中心，该供热中心设计供热面积490万平方米，承载天津市供热总体规划中的最大一片集中供热区域。该项目的建设取代了小锅炉房12个，为规划新建的200万平方米的居住区和现有的300万平方米住宅区供暖，采用了较为先进锅炉集散控制系统和变频调速，拥有先进的技术设备和巨大的扩展功能。
1完善供热中心DCS控制系统
1.1中心控制系统介绍
金泰供热中心根据目前锅炉配置情况，中心DCS控制采用2个操作员站、1个工程师站，锅炉房公共部分及每台锅炉均设置了少量重要检测点的后备仪表（公共部分的循环泵入口压力、出口压力、室外温度、总管出水温度、总管回水温度、总管出口流量、各台炉出口温度、出口水压、出口流量、炉膛温度、炉膛负压、声光报警）和手操器（包括鼓、引风手操、炉排手操、分层手操、循环泵手操），以保证投运行试车和设备检修期间，仍能够保证锅炉的基本运行。
计算机集散控制系统采取了多可靠性措施，操作员站采用性能稳定的工业PC机，且为冗余设计，在运行中任何一个操作员站或任何一条网络线出现故障，都不会影响锅炉的正常运行和操作。而DCS系统用于完成现场信号采集、回路调节、逻辑联锁、顺序控制等基本操作功能的现场控制。
1.2中心DCS控制示意图
图1、图2具体描绘了集散控制的基本组成结构及金泰供热中心的现况:
图1集散控制系统基本结构
1.3采用DCS控制的优点
（1）人机界面好，便于操作管理
(2)系统高度的安全可靠；
(3)能达到最优化管理；
(4)远距离控制与管理；
(5)利用充分的数据信息，科学节能运行；
(6)系统构成方便灵活，不仅易于扩展，而且维修简单；
(7)能与计算机和常规模拟仪表兼容，继承它们的优点。
1.4发展潜力及完善措施
1.4.1全面完善中心DCS软硬件系统以发挥出最大效力
DCS系统以直观的人机界面著称，通过CRT图形动画显示，可以直观的了解锅炉及各设备的运行情况，便于正常启动、合理操作和故障的排除，具体做法如下：
(1)完善、接入锅炉的基本数据采集元件，如：炉膛压力（压力传感器）、温度（热电偶）、出入水温度（温度传感器或热电阻），烟氧含量、出水流量（超声波流量计）等，并且利用SUPCONJX-300X集散控制系统的组态软件开发出相应的监视画面，以达到实时监控功能。
图2金泰供热集散控制示意
(2)增加远红外设备成像系统和室外温度记录装置，使新增设备与DCS共用平台对接，这样可以充分在设备运行期间24小时对所有电气设备进行监控记录，并且，通过室外温度记录装置，在DCS中记录全年室外温度T0，以便正确调节及总结规律。确保正常运行和人员合理配置。
(3)全面优化SUPCONJX-300X集散控制系统软件平台，利用其系统组态（SCKey组态软件）、图形化组态（SCControl工具）、报表制作（SCForm软件）、实时监控（AdvanTrol软件）等多功能综合开发人机界面，增大DCS控制的直观性，以便于使操作更合理。并且实现运行记录报表化打印，避免人工虚假填写。
(4)在DCS控制系统中，完善目前运行的投自动功能。根据室外温度的变化和每天时段的不同，计算机自动改变锅炉出口水温的给定值，自动调整炉排转速、调煤比，调整引风机保持炉膛负压始终维持在给定值附近，使锅炉维持在最佳或次最佳的燃烧状态。然而此状况目前不太稳定，原因在于锅炉燃烧水温反馈之间根据室外温度的不同有一段不定的滞后时间，故造成风煤比处于动态调节，导致费煤，热效率不高，为解决此问题，必须采用模糊控制及人工智能，排除中间干扰环节，以达到平稳、有效的燃烧控制。
(5)完善控制与连锁功能。目前引风机、鼓风机及炉排、热水循环泵为集中控制室与机旁两地控制。锅炉除渣机、灰渣水泵、软水加压泵及换热循环泵为机旁就地控制。上煤系统为集中控制室与机旁两地控制。另外，在联锁方面采取先引风后鼓风，再炉排的顺序开机联锁，停机则反之。循环泵至少一台启动后，锅炉才能投入运行；当所有循环泵停机时，锅炉停炉。当运行锅炉出口压力极低或锅炉水温极高时，自动停炉联锁。循环泵及炉排事故停机时，声光报警。引风机、鼓风机、炉排采用变频调速，由计算机自动调节。此类控制并无疑义，只是在集中显示方面尚未体现，维修人员巡视量大，所以采用中央调度集中监控设备起停及正常运转是必要的，这就需要在控制室DCS系统中完善上位机系统，从而节约人力。
1.4.2完善人工智能控制
锅炉供热控制系统比较复杂，影响因素比较多，各因素之间相互影响、相互制约。而且锅炉系统热容性大、惰性强、安全性能要求高。因而就目前而言锅炉控制完全依赖于自动化控制难度非常大，也是不现实的。为此要求我们采取在自控的基础上增加人工智能部分。在自动控制状态下，利用人的智能解决自控系统不能很好判断的和处理的问题。用人工的知识经验与自控系统相互配合共同搞好锅炉控制。例如：煤在锅炉中的燃烧在本自控系统中占有非常重要的地位。但不同的煤种、不同发热量的煤、不同挥发分含量的煤、不同颗粒大小的煤可直接导致不同的锅炉燃烧状况。但煤样经过人工分析后，操作人员就可以在自动控制燃烧的状况下，通过微机人工适当地调整炉排和鼓引风转数，而且还可以随着锅炉内的负压值和含氧量的不断变化，必要时修正鼓引风机转数。
1.4.3完善DCS控制系统上位数据处理，发挥控制室的中央控制功能
中央控制室是一个集中控制的地方，在此处，可以实现控制系统的集中管理，为此在目前现状的基础上必须完善上位控制管理系统，以便实现控制的更加直观有效。从而扩大控制承载功能，为实现从锅炉本体燃烧控制到无人职守热力站换热的整体控制作扩展。整体控制上位系统方案如图3所示：
1.4.4完善DCS控制系统对各换热站的分布式控制
各热力站分散控制、中控室集中监控、总体协调。即各热力站根据本小区供热的负荷变化和室外温度变化，独立的进行本站一次网供水电动调节阀门（近端）或增压泵（远端）的调节控制，在本站进行监控的同时，将本站的一次网供给水、压力、温度、热量，二次网供回水温度、压力以及室外温度等参数送往中央控制室；中央控制室根据各热力站送来的工况信息和环境信息，对全网的水力平衡和热力平衡状况进行分析，根据负荷要求以具体的方式向热源发出热源质、量调节的申请，同时对各热力站发出协调命令，以维持大网的水力平衡。
对热力站控制对象进行分析，目前各换热站的控制主要是一次网侧供水流量的调节控制，其次是二次网侧的循环泵转速控制和起停控制。
目前金泰供热中心下属26个热力站，将来根据设计承载能力，还有更多的热力站并入该中心。
完善目前中心对下属站的分布式控制结构；
金泰热中心目前采用的是西门子监控系统软件，但只做了部分试点工程，根据试点分站，我们对中心控制系统进行了设想完善，其结构图4：
图4系统总图
整个系统结构采用两台冗余的服务器，两个操作员站，一个管理工作站，一个工程师站及网络设备、UPS、大屏幕投影仪等。系统运行后，两台服务器一主一备同时运行，实时连接所有的RTU站，并时时存储所有数据，操作员站上可以看到所有RTU站的数据，并能够进行远程操控，通过工程师站可以对RTU程序进行远程下载、调试、修改。自带的OPC通讯协议与第三方监控系统提供了方便的数据交换功能，先进的远程通讯，可以通过调制解调器和通讯网络方便的进行系统远端访问。详细介绍见软件说明。
DesigoInsight的系统结构是以模块化计算机网络为基础，并使用工业级标准的操作系统、通讯网络和协议。
该系统的网络全面支持系统的数据交集、控制及图形用户面等系统功能。应用标准的软件和硬件，该网络能够支持多种广域网，可以将所有的节点连接成为一个整体的系统。网络协议为TCP/IP，通过系统应用程序可直接生成界面。同时该系统支持用全功能的图形操作界面通过标准的拨号方式进行远程组态和操作。
增设仿真模拟系统；
为了进一步搞好大网的全网质量双调，我们在本项目中引入了RISE仿真系统，在物理上热网仿真系统处于中央控制室计算机网络的上位机工作站中，处于我们系统控制方案的最上层，它可以不仅提供热网控制的仿真指导、故障诊断，也可以通过中控SCADA的控制系统，直接参与热网的质量双调、全网控制。
仿真系统的功能作用如下：
根据热网的设计参数而建立的原始热网模型，在安装、调试时，计算负荷及相应的二次网侧流量、一次网流量、阀门开度，以减少调试的时间。
提供热网的水压趋势图，向操作员提供在室外温度变化、负荷变化时，进行各种质、量调节后热网的水压趋势，以使操作员提前了解调节方案的结果。避免热网水力、热力失衡、系统振荡。
在热网负荷变化时，向操作员提供操作控制指导，以供操作员选择。
通过中控监控系统的控制程序直接参与控制，提供优化的控制方案。
根据热网的物理模型，对现有工况进行分析，以诊断非正常的工况、故障等，如堵、漏、热力站水力失衡等。
离线对操作员进行热网运行操作培训，在不干扰热网运行的前提下，高效率对操作员进行仿真培训。
2完善中心及各分站的变频控制
2.1采用变频控制节能分析
风机，是传送气体装置。水泵，是传送水或其它液体的装置。就结构和工作原理而言，两者基本相同。现先以风机为例加以说明。
2.1.1对风机进行控制，属于减少空气动力的节电方法
它和一般常用的调节风门控制风量的方法比较，具有明显的节电效果。由图5可以说明其节电原理：
图中，曲线（1）为风机在恒定转速n1下的风压一风量（H―Q）特性，曲线（2）为管网风阻特性（风门全开）。假设风机工作在A点效率最高，此时风压为H2，风量为Q1，轴功率N1与Q1、H2的乘积成正比，在图中可用面积AH2OQ1表示。如果生产工艺要求，风量需要从Q1减至Q2，这时用调节风门的方法相当于增加管网阻力，使管网阻力特性变到曲线（3），系统由原来的工况点A变到新的工况点B运行。从图中看出，风压反而增加，轴功率与与面积BH1OQ2成正比。显然，轴功率下降不大。如果采用变频器调速控制方式，风机转速由n1降到n2，根据风机参数的比例定律，画出在转速n2风量（Q-H）特性，如曲线（4）所示。可见在满足同样风量Q2的情况下，风压H3大幅度降低，功率N3随着显著减少，用面积CH3OQ2表示。节省的功率N=（H1-H3）×Q2，用面积BH1H3C表示。显然，节能的经济效果是十分明显的。
由流体力学可知，风量与转速的一次方成正比，风压H与转速的平方成正比，轴功率N与转速的三次方成正比。采用变频器进行调速，当风量下降到80%时，转速也下降到80%，而轴功率N将下降到额定功率的51.2%,如果风量下降到60%,轴功率N可下降到额定功率的21.6%,当然还需要考虑由于转速降低会引起的效率降低及附加控制装置的效率影响等.即使这样,这个节能数字也是很可观的,因此在装有风机水泵的机械中,采用转速控制方式来调节风量或流量,在节能上是个有效的方法。
2.1.2水泵的节能原理
许多补水泵都维持恒压的情况下改变给水量（流量Q）从图6可知：当流量Q1降至Q2若不改变水泵转速,扬程将升至B工作点，其功率可用H2*Q2来计算，对应面积BH20Q2。原A工作点功率Q1*HT图上面积AHTOQ1，两者所耗功率变化不大，如果我们降低转速至（2）即可节能Q2*H2－Q2*HT=Q2（H2－HT），图DBH2HT的面积即是节能值。再如流量变至Q3若仍以额定转速运行，所需功率Q3*H1，浪费能量为FCH1HT。
图6
与风机节能原理相同水泵电机输出功率正比于转速三次方关系，用变频器进行调速，流量下降，可保持恒压HT。若转速下降至额定转速的80%，轴功率下降至额定功率的51.2%,流量下降至Q3,若使扬程恒定,可使转速下降到额定转速的70%,此时，轴功率是额定值的34.3%,节能达65.7%,经济效益十分明显。
2.2变频器节能数据示例
下面举例说变频器应用在锅炉采暖系统上的节能效果。80T热水锅炉所用电机容量如下：
引风机：380KW鼓风机：90KW循环泵：315KW
炉排：1.5KW给水泵：15KW(一用一备)
本变频控制柜可保证在供热锅炉正常工作的基础上,同时达到节电、节煤以及环保的目的。
电机总容量=380+90+315+1.5+15=801.5KW
本锅炉视为供热水的条件下每天工作24小时、每月30天，本变频控制柜在起炉高额区和恒温运行区的综合节电率约在35%左右，由此：
（1）每月节电总量=801.5KW×35%×24×30=201974.4度，按每度电以0.6元计算，则：80T炉的节电资金：0.6×201974.4度?=121184.64元/每月。
（2）每月用煤量约为2400吨，按5%节能率计算：每月节煤量：2400T×5%=120吨，现按每吨煤400元计算，每月节煤资金：400元×120吨=48000元，每月节电节煤总额：121184.64?+48000=169184.64元。
2.3采用变频控制优点
（1）采用变频调速，消除了大电动机启动时对电网电压的波动影响。
（2）采用变频调速，消除了大电动机大电流启动时的冲击力矩对电机损坏。
（3）采用变频调速，延长了电机、管网和阀门的使用寿命，减轻了维修人员的工作量，降低了维修费用。
（4）提高了系统自动装置的稳定性，为系统的经济优化运行提供了可靠保证；系统的运行参数得到改善，提高系统效率。
综上所述，供热中心及各分站采用和恢复变频控制是必要的，同时要求操作人员熟练掌握工作原理，以便正确操作合理维护设备。
3增加供热系统管理信息化网络平台
3.1按需构建VPN网络
VPN有三种解决方案，分别是：远程访问虚拟网（AccessVPN）、企业内部虚拟网（IntranetVPN）和企业扩展虚拟网（ExtranetVPN）。针对金泰中心要进行企业内部各分支机构的互联，认为使用IntranetVPN是很好的方式。
VPN(VirtualPrivateNetwork)通称为虚拟专用网。虚拟专用网指的是依靠ISP（Internet服务提供商）和其它NSP（网络服务提供商），在公用网络中建立专用的数据通信网络的技术。VPN兼备了公众网和专用网的许多特点，将公众网可靠的性能、丰富的功能与专用网的灵活、高效结合在一起，是介于公众网与专用网之间的一种网。
3.2VPN网络的整体方案
3.2.1网络设计结构
供热总公司与各中心及其下属分片区采用星型结构通过光纤介质接入网通公司的IP城域网,组成VPN专用网实现互访。出于对数据传输安全性的考虑，利用专用的路由器且要求网通公司利用IP城域网的交换设备划分虚拟局域网（VLAN），使公司各点组成一个独立的VLAN，成为真正意义上的VPN。各中心通过交换机组成以太网，通过路由器和总公司连接构成VPN网络平台。
3.2.2网络拓扑结构网
根据应用软件的使用要求，整个系统设立三台服务器。一台Web服务器，一台物流管理系统专用服务器，一台收费管理系统专用服务器。总公司内部工作站通过四台万兆WS－4024交换机连接，为避免局域网内部业务科室的工作站通过互联网感染病毒，把需要连接互联网的工作站划分一个VLAN都统一接到TP－LinkSF3124P交换机上，考虑到在局域网内部不同VLAN之间的通信量比较大，如果每一个数据包的传输都通过路由器，则随着网络上信息量的不断增大路由器将不堪重负，并会成为整个网络的瓶颈。所以把TP－LinkSF3124P交换机接到具有三层交换技术的Cisco3550交换机再和Cisco3700路由器相连，从而减轻路由器的工作压力。总公司路由器通过CiscoPIX515E防火墙和主干光纤连接，以防止病毒的侵入。各分公司的局域网由Cisco2600路由器和主干光纤连接，这样构成了热力公司的VPN网络平台。
关键词：污水处理厂自动化控制设备改造
1.污水处理可能对三峡库来说还算是一个新星的行业，在三峡库区新建的污水处理厂中，大部分设置了自动化控制系统，力求对整个污水处理过程实行全面监控。但由于这项工作尚处在实践摸索阶段，与国外水平相比存在较大差距，主要问题是：
（l）主要控制设备功能不稳定，特别是在线仪表的准确性和稳定性来看，不能完全达到由计算机控制的要求。
(2)自控水平低，距智能化自动控制还有很大差距。
(3)运行条件变化范围大，某些工艺环节尚在不断调整。
(4)运行操作人员尚不能对工艺进行全方位控制操作。
由于以上条件限制，大多数污水处理厂的自控系统只能发挥监视和对部分设备进行远程控制的功能。长寿污水处理厂针对以上问题，自2003年5月试运行到现在来看，根据实际运行,并通过对部分设备的改造和完善，加之对现场运行操作人员的技术培训，使中控室具有集中控制、监视、现场故障报警等功能。操作人员可在中控室进行操作，为安全稳定运行提供了保障。
2.长寿排水公司自控概况
长寿污水处理厂处理长寿区20万人生活污水及工业废水，我厂监控系统采用工业以太网集中控制系统。此系统包括1个监控中心（中控室）、6个现场PLC站（模拟屏PLC0、配电间站PLC1加药间站PLC2、脱水间PLC3、PLC4站和紫外光PLC5站）。配电间站主要控制提升泵站、格栅井、沉砂池、氧化沟、二沉池、回流泵站、剩余泵站、贮泥池的自动运行；模拟屏站主要对模拟屏的数据处理控制；加药间站主要是对加药间的自动控制；脱水间2个站分别对1号和2号脱水机进行自动控制，紫外光站是对紫外光消毒系统进行控制。中控室则对全厂设备的控制操作及监视。现场分站采用的PLC可编程控制系统是美国AB公司以太网系统。
3.对设备的改造与完善
长寿污水处理厂从试运行以来，由于现场电气及机械设备存在一些问题，直接影响了自控系统的正常运行。根据存在的问题，结合实际运行情况及工艺要求，对自动化控制系统的现场控制设备进行了部分技术改造。
3.1对现场一些设备进行改造
由于我厂增加了一台脱水机和PLC柜，为了把新增的这台脱水机PLC柜的运行信号联到中控室，避免重新进行布线。使用交换机联接两台脱水间PLC柜，通过一根信号线接到中控室交换机。改造现场和配电机曝气机的二次控制回路，解决了中控室不能控制曝气机启停的问题。
1号2号氧化沟的变频曝气机由于控制转换开关处在开关柜
控制和机旁控制方式时，变频器模拟量4～20mA电流输入电路断开，使得不能输入变频器运行频率，变频器控制失效，不能运行。经考虑，短接模拟量电流输入的转换开关控制回路。
变频器频率信号（模拟量）、运行信号（开关量）没有输出给
PLC，使得上位机无法判断曝气机是否运行。过后经自动化人员改进后，只给出变频器频率信号（模拟量），运行信号可有可无（开关量）。
3.2对PLC源程序的修改、优化
试运行中，我厂由于采用的是巡检制度，将各分散值班点集中到中心控制室值班操作。所以必须对比较重要的报警参数根据实际情况做进一步的修改。通过对PLC可编程控制器的源程序进行修改、编译，主要是启停液位、报警液位、逻辑控制、出水流量、加药间液位、提升泵站液位差等。不仅实现了设备按工艺流程运行的要求，而且机械设备运行的准确性、安全性有了很大提高，电气故障大为减少。故障点检查也很方便，大大降低了电气设备的故障率，使现场自动运行更加稳定。更主要的是为自动化控制的顺利实现创造了条件。
另外对高压配电系统和一套独立的监控系统，如出现任何故障不仅有指示灯光报警，而且还配有语音报警系统，使值班人员一目了然，可清楚地判断故障发生的部位并做及时处理，避免事故的发生。
3．4安装视频监视系统的
为了让操作人员真正在中控室控制全厂、监视全厂、管理全厂，长寿污水处理厂于2002安装了BAXALL系列摄像机视频监视系统。它配合原有的自控仪表，对进水粗格栅、细格栅、提升泵、排砂泵、搅拌机、砂水分离机、氧化沟曝气机、二沉池、回流泵站、剩余污泥泵站、脱水间、办公室等10多个场所的现场情况，进行24小时全天候监视。
这套视频监视系统运行可靠。在中控室里，通过对摄像机的遥控。可以监视全厂20多个部位工艺设备的运行情况。如果按工艺流程在现场巡查一遍，需要30分钟左右，而通过视频监视系统，几分钟就可以对全厂工况浏览一遍，大大提高了工作效率。
3.5提升泵站和格栅井的控制
污水提升泵站安装两台潜水泵一用一备，在上位机设定常用/备用，按如下原理进行控制：
当泵站内水位达到1.70m时，一台泵启动；
当水位降至0.80m时，水泵停机，并发出报警信号。
粗、细格栅分别有时间控制/液位差控制，2种控制方法，我厂现在用的是时间控制。
格栅井安装粗、细格栅机两台，运行依据其前、后超声波液位差计测得的水位差进行控制。
当粗格栅机前，后超声波液位差计测得的水位差超过20cm，粗格栅机、皮带轮输送机自动开机。
当粗格栅机前，后超声波液位差计测得的水位差降至10cm，粗格栅机、皮带轮输送机自动停机。
当细格栅机前，后超声波液位差计测得的水位差超过30cm，细格栅机、螺旋输送机，压榨机自动开机。
当细格栅机前，后超声波液位差计测得的水位差降至20cm，细格栅机、螺旋输送机，压榨机自动停机。
粗格栅、细格栅还可以通过在上位机设定运行、停止间隔时间的方式定时开启停止。当格栅每运行15分钟后停15分钟。皮带输送机、螺旋输送机与格栅联动，及格栅运行时，同时运行。
两组涡流沉砂池，每组涡流沉砂池内安装一台搅拌机和排砂泵，搅拌机长期运行。排砂泵把池底的污物抽送至砂水分离器。排砂泵每运行10分钟后停20分钟，时用，砂水分离器与排砂泵同时工作，以上设备均可在中心控制室监控。
3.6氧化沟的自动控制
本工程氧化沟设两组，日处理污水能力40000m3/d，每组氧化沟设计日处理能力2万m3/d。每组氧化沟PDSL-325（C）型倒伞型表面曝气机三台，其中1#，3#机组为恒速，逆时钟方向运转，单台机组充氧量为119kgO2/h；2#机组为变频调速，顺时针方向运转，单台机组充氧量为23～119kgO2/h，电机功率均为55KW；每组氧化沟安装两台溶解氧检测仪（DO仪）和一台污泥浓度检测仪（MLSS仪），一台DO仪和MLSS仪安装在接近出水口处，另一台DO仪安装在缺氧区。另一组氧化沟设备与该组氧化沟对称，倒伞型表面曝气机的运行按照氧化沟内溶解氧值（DO值）进行自动控制，其DO值以接近出水口处的DO仪的测定值为准。
当DO值在0.2mg/L<DO值<1.2mg/L范围内时三台电机都开启；当DO值在1.2mg/L<DO值<3.0mg/L范围内时开一台恒速机和一台变频调速机；其中变频调速机的调速频率分为五段（频率随着DO值减小而增大）；当DO值在3.0mg/L<DO值<4.0mg/L范围内时只开一台恒速机。如果DO值不在以上范围内那么开一台恒速机和一台变频调速机（频率固定）。
氧化沟内设一台污泥浓度（MLSS）测定仪，将MLSS测定仪测定值传送至中控室，用于调节活性污泥回流泵站及电动套筒阀的运行。
氧化沟内安装的各检测仪器（如DO仪、MLSS仪）的数据，由PLC1进行采集。然后PLC1将采集的数据通过控制层网络送至中控室用于控制相关设备运转。
3.7回流泵站的自动控制
污泥回流泵站安装潜水轴流泵两台，按如下原理进行控制：
在泵站出水侧及吸水侧（套筒阀井处）各设一台超声波水位计，出水侧设两个水位，一个正常水位7.8m，一个报警水位8.4m,吸水侧设四个水位，一个正常水位5.30m，一个启动水位5.00m，一个高限报警水位5.80m，一个低限报警水位4.40m；
当两个氧化沟的污泥浓度同时高于3000mg/L时，开启1台污泥回流泵，如果其中任何一个氧化沟的污泥浓度低于3000mg/L时只开启2台污泥回流泵。
本控制程序能使两泵交替工作（统计工作时间），负荷均等，从而延长二泵工作寿命。
3.8剩余泵站和贮泥池的自动控制
本泵站安装100QW70-7-3型潜水排污泵一台，其工作原理如下：
当贮泥池液位低于2.0m时,剩余污泥泵自动开启。当贮泥池液位高于4.5m时，剩余污泥泵站剩余污泥泵根据液位计信号自动停止运行，贮泥池液位在中心控制室显示及报警。另外，当贮泥池水位计超过贮泥池设定的最高水位或最低0.5m时，水泵亦由中控室控制自动切断水泵电源，泵站停止工作。
贮泥池安装超声波液位计，当液位为1.5m时，向脱水间PLC发出污泥泵停泵停止运行信号。
3.9加药间的自动控制
溶解、溶液池为两组，每组2m；每组内安一台搅拌机，和超声波液位计一套，工况一用一备；
溶解池加料加水后，搅拌机工作15分钟，搅拌机停车，溶液池的液位预报警（液位现场确定）；
当一格溶解池最低液位时（液位现场确定），自动关停药液输出电磁阀同时开启另一溶液池的电磁阀；
FeCl3液按照出水流量计信号自动调节频率，手动调节冲程控制投加量，使其出水水质达到国家一级排放标准。
3.10紫外光的自动控制
紫外光消毒采用的是德国威得高系统，控制方式采用的是液位控制，并由液位控制出水的电动阀门自动行动，使液位始终保持在1.7m，紫外光灯启动±5%左右。
3.11脱水间的自动控制
脱水间加药池设有一液位探头，当液位低于设计标准时，脱水机停止。
脱水机的控制主要还是以人工控制为主，操作人员在PLC柜在启停各个设备。
3.12现场仪表的控制
我厂的主要仪表有：液位计、进水PH值、溶解氧、污泥浓度、COD在线仪、浊度仪、出水流量计（其中大部分的在线仪表都自带得有温度计）。显示的具体形式以具体数值显示为主，操作人员可直观地读取各种数据。
3.13高压配电系统监视功能
此功能主要是对高压配电及供电系统的开关是合是断，通过在上住机（CRT）显示来提示有关人员。具体显示以示意图的形式实现。
3.14时间累计、故障次数和报警功能
主要功能是对所有设备运行的时间进行统计。报警功能是对设备运行出现的故障都有灯光和声音提示，准确及时地提示操作人员哪台设备出现了故障。故障出现时，运行设备立即停止运行。此部分功能的实现，为有关人员确定设备大修时间及日常保养次数提供了依据。
4.自控系统的使用效果
4.1快速准确地反映运行异常情况
当现场现出任何的异常情况，可通过监控系统和上位机系统一目了然的看出问题。有设备出现故障、上位机同时报警并停止该设备的运行，相应地计算机作故障情况记录，方便设备故障排除、管理、维护等。
4.2促进了职工技求素质的提高
实行自控，运行人员合并值班操作，对职工素质的要求也相应地变为复合型，这就进一步激发了职工特别是青年职工学文化、学技术的积极性。
4.3为降低运行成本创造了条件
关键词：水轮发电机组；调速自动控制系统
水轮发电机组调速自动控制系统经历了机械液压式调速器、模拟式电液调速器和数字式电液调速器几个发展阶段，取得了长足的发展。但是，随着大容量机组和大型互联电力系统的出现及其对电力系统自动控制要求的提高，对水轮发电机组调速自动控制系统(以下简称“调速系统”)提出了更高的要求，出现了许多需要解决的新问题。如自动发电控制(AGC)自动控制机组有功功率时调节品质问题，发电机组调速系统对电力系统稳定的作用问题等[1]。
1、水轮发电机组调速自动控制系统存在的问题
(1)机械液压式调速器和模拟式电液调速器，一般都没有有功功率反馈，机组有功功率调节由运行人员手动调节调速器的频率给定的大小来实现。由于运行人员的智慧和经验，有功功率的手动调节是稳定的。近年来，随着电力系统自动控制技术水平的提高，AGC进人了实用化阶段，要求机组调速系统能够根据AGC给出的有功功率值自动控制机组的有功功率.为了适应这种要求，出现了发电机组有功功率控制装置。这种装置接受AGC给出的应发有功功率指令，作用于机组调速器。由于调速器固有特性和控制策略方面的问题，有功功率控制装置自动控制机组有功功率时，或表现为超调量大、摆动时间长，或表现为调节“迟钝”。一时间，机组有功功率自动控制的调节品质成了水电站自动化领域里的一个突出问题。尽管通过控制策略的改进，使问题得到了一定程度的改善，但仍没有达到理想水平。有的研究者将机组有功功率反馈引人了调速器，根据AGC给定的功率和实发有功功率的偏差来调节机组有功功率，但“调节信号绕过了PID，绕过了软反馈”，因此这种控制模式也很难使调节达到最优状态。
(2)控制策略较落后，不能实现功率控制、开度控制、频率控制的要求和合理切换，不能实现频率故障、开度故障等容错控制策略。
(3)不能实现电网的一次调频功能，不能达到一次调频对频率死区、永态转差率、响应滞后时间等动作参数的要求。
(4)原调速器在试验时需外接多个试验器材，试验程序和方法较繁琐，数据记录不方便。
2、缺少对电力系统稳定控制的作用的考虑
2.1机组调速系统结构欠完善
目前，电力系统中运行的水轮发电机组调速系统，除了前面分析的频率反馈不完善。没有有功功率反馈以外，没有发电机功角反馈参与是机组调速系统不能对电力系统稳定起作用的重要原因之一。因为发电机功角变化是反映机组转速和有功功率变化最敏感的参数。另外，发电机端电压和无功功率变化也影响机组转速和有功功率。因此，应当设计具有发电机的转速(而不是发电机端电压的频率)、有功功率、功角、端电压和无功功率参与控制的发电机组调速自动控制系统。初步理论分析已经证明这种调速系统对于抑制机组频率和有功功率摇摆、提高电力系统稳定性具有明显作用。
2.2调速器存在死区
电液调速器的机械液压随动系统结构复杂，存在机械反馈(包括杠杆式反馈和直连式反馈)导致调速器存在死区。死区的存在直接影响了机组调速系统的调节品质，使其难以对电力系统稳定发挥作用。因此，简化电液调速器机械液压随动系统的结构，去掉机械反馈参与调速控制，根除调速器的死区，应该成为调速器研究的主要问题之一。如果做到这一点，就为调速器在电力系统稳定控制中发挥更大的作用奠定了基础。
3、完善水轮发电机组调速自动控制系统的对策
3.1协联关系运行提高了机组运行效率
电站较早时不能准确采集机组水位信号，且当时的控制器模拟量通道受限制未接入水位信号。改造后调速器接入水位信号并设置导叶与桨叶的协联关系数据，按协联关系减少了水轮机的综合耗水率，提高了水轮机的运行效率。
3.2协联关系运行减轻了机组振动摆动
水轮发电机组的振动摆度过大不但会影响机组的正常安全稳定运行，严重时甚至会引起机组和厂房的损坏，造成严重后果。电站曾采取一些措施来减轻振动，未能取得良好的效果，主要原因是机组未按协联关系运行，机组上导、推力、上机架等多个部位的振动摆动值较大。改造后导叶、桨叶在协联关系下运行，在试验和实际运行中通过手测与在线监测系统观察机组各部的振动摆动均符合国家标准要求，提高了机组的安全稳定运行程度，提高了水轮发电机组寿命[2]。
3.3改变控制结构，提高了控制调节性能
原调速器位移反馈信号取自中间接力器，液压随动由多级放大组成，机械液压部分结构复杂、元件较多，调速系统的稳定性和动态响应性较差，接力器不动时间、甩负荷动作时间等数据不能达到国家标准要求。通过改变调速器的反馈结构和方式，在导叶、桨叶的接力器和引导阀处安装不同类型的位移传感器，与原中间接力器共同形成多个闭环反馈回路，不改变调速器的机械液压部分，利用控制系统的软、硬件多闭环反馈提高了调速系统的调节精度、速动性和稳定性。
3.4监控系统和在线监测系统的功能完善
通过PCC的模拟量输出模块和双路配电器分别将导叶开度、桨叶开度信号送往机组监控系统和在线监测系统，在正常运行及事故情况下便于对事件进行分析，完善了监控系统和在线监测系统的功能。
4、结论
改善水轮发电机组调速自动控制系统中频率和功率反馈;增加功角、机端电压和无功功率反馈参与机组调速自动控制;开发合理控制方式;简化电液调速器机械液压系统的结构，根除调速器死区;应该成为水轮发电机调速器研究的主要问题。如果这样做了，就可以提高机组调速自动控制系统的调节品质，更充分地发挥调速器的作用。这不仅对提高电力系统频率的质量有益.而且也会对电力系统稳定控制起更大作用。
参考文献：
