寒地水稻水層管理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：系統(tǒng)通過上位機(jī)利用無線通信方式對水稻生長環(huán)境包括溫度、濕度、露點(diǎn)、雨量、太陽輻射、光合有效輻射、水面蒸發(fā)、水溫、水量、水深、泥溫等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測與分析，并通過下位機(jī)可編程控制器（PLC）控制執(zhí)行設(shè)備，實(shí)現(xiàn)寒地水稻在不同生長期對水層管理的需求。初步試驗(yàn)表明系統(tǒng)的自動控制過程穩(wěn)定，為今后水稻生長全過程的自動節(jié)水灌溉控制提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：生長環(huán)境；水層管理；可編程控制器（PLC）；無線通信

中圖分類號：S274.2；S511 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）11-2657-04

寒地水稻是我國北方地區(qū)大面積種植的作物，種植技術(shù)日趨成熟。寒地水稻的整個生長過程可分為大棚育秧和田間生長兩個階段。隨著數(shù)字化大農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，越來越多的數(shù)字化和信息化手段應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品加工等領(lǐng)域[1]。其中，對于農(nóng)田灌溉的監(jiān)控還處于早期的人工監(jiān)控階段，工作效率較低且成本高。

可編程控制器（簡稱PLC）具有結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)良、抗干擾性能好、可靠性高和易于功能擴(kuò)展等諸多優(yōu)點(diǎn)[2]，在機(jī)械、化工、電力、石油天然氣等行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用，成為工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時控制的最主要的控制手段[3]。同時，利用PLC所具有的串行通信和計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信功能，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對多臺PLC控制裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程集中監(jiān)控[4]。因此，本研究借鑒PLC在工業(yè)生產(chǎn)中的成功經(jīng)驗(yàn)，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，對農(nóng)田作物的生長和灌溉狀況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，以提高農(nóng)田水稻生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)組成及功能

寒地水稻水層管理控制系統(tǒng)組成如圖1所示。水層管理系統(tǒng)以PLC作為控制核心，PC機(jī)作為上位機(jī)通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時對格田作物生長環(huán)境、執(zhí)行裝置等信息進(jìn)行定期的數(shù)據(jù)收集和存儲。將PLC與電動執(zhí)行器、水位傳感器和無線傳輸模塊等設(shè)備相連，共同構(gòu)成系統(tǒng)的基本RTU單元，在現(xiàn)場對農(nóng)田水層進(jìn)行智能化管理和監(jiān)控。上位機(jī)與下位機(jī)可以構(gòu)成主從式一點(diǎn)對一點(diǎn)或者一點(diǎn)對多點(diǎn)的遠(yuǎn)程無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。在上位機(jī)和現(xiàn)場控制終端PLC之間采用異步串行通信協(xié)議，以半雙工輪詢方式通過無線數(shù)傳模塊與PLC通信。其中，無線數(shù)傳模塊采用透明方式工作，只起數(shù)據(jù)傳輸作用，整個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)采用同一頻率，通信時站點(diǎn)的識別是通過對PLC進(jìn)行不同地址編號來實(shí)現(xiàn)的。

寒地水稻水層管理控制系統(tǒng)的主要功能是按照農(nóng)作物的不同生長期，根據(jù)外界環(huán)境變化的影響自動完成秧苗供水控制，達(dá)到按需供水的目的，從而有效提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和水的利用率。

1.1 電動執(zhí)行器

電動執(zhí)行器是控制系統(tǒng)終端的執(zhí)行設(shè)備，為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和操作，系統(tǒng)采用電動蝶閥完成對格田的給排水。通過與控制器相連的觸摸屏，操作人員可以對格田閥門進(jìn)行手動操作，同時在觸摸屏上也可以設(shè)置格田所需水位高低，控制器可以根據(jù)設(shè)置水位參數(shù)自動完成閥門的開啟和關(guān)閉以達(dá)到作物所需的用水量。電動蝶閥除本身能夠電動開啟和關(guān)閉外，還具有開啟和關(guān)閉的位置信號，上位機(jī)可以通過與控制器PLC的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時監(jiān)測現(xiàn)場閥門的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)田作物給水和排水的遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控。

由于工作現(xiàn)場環(huán)境條件較差，為保證工作的可靠性和安全性，電動蝶閥執(zhí)行器采用24 V直流電動機(jī)，電動執(zhí)行器端子接線如圖2。通過端子1和2輸入給電動機(jī)+24 V或-24 V的電壓信號，實(shí)現(xiàn)對閥門的開啟和關(guān)閉。當(dāng)電動蝶閥開啟到位或關(guān)閉到位時，通過閥門內(nèi)部限位開關(guān)的觸點(diǎn)，通過端子4、端子5和端子6輸出閥門的開關(guān)位置信號供PLC使用。

1.2 超聲波水位計(jì)

1.3 UT620通信轉(zhuǎn)換模塊

UT620是為TCP/IP到RS-232/422/485之間完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的通訊接口轉(zhuǎn)換器，UT620型轉(zhuǎn)換模塊外部端子接線如圖4。UT620內(nèi)建的RTOS（實(shí)時操作系統(tǒng)）及完整的TCP/IP通訊協(xié)議，可使UT-620不只提供可靠穩(wěn)定的操作平臺，更可使原有系統(tǒng)簡便快速地經(jīng)由Internet進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。UT620可通過配套軟件在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，最后可生成多個虛擬串口，來實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)與RS485通信方式之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳輸。

2 PLC控制器軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的PLC采用的是三菱FX2N系列的可編程控制器。三菱FX2N系列可根據(jù)具體情況定制特殊功能的產(chǎn)品，如溫度控制模塊、位置控制模塊、模擬量輸入輸出模塊等[5，6]。它具有體積小、工作可靠性高、高性價(jià)比的優(yōu)勢，在國內(nèi)外很多監(jiān)控系統(tǒng)中都有廣泛的應(yīng)用。

2.1 主程序設(shè)計(jì)

PLC作為整個控制系統(tǒng)的底層單元，對整個控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理具有重要作用，PLC編程軟件為GX Developer，為了方便現(xiàn)場人員使用操作，利用觸摸屏作為現(xiàn)場操作界面。PLC的主程序流程如圖5。下位機(jī)控制器通過FX2N-4AD模擬量采集模塊進(jìn)行水位數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測，通過格田內(nèi)水位和明渠內(nèi)水位與設(shè)定水位上、下限值的邏輯控制關(guān)系，自動完成水稻生長過程中的水層控制。同時，通過流量的采集能夠監(jiān)測整個生長期中水稻的全年用水量，為下季水稻生產(chǎn)合理配置用水量起到參考作用。

2.2 通信協(xié)議

系統(tǒng)采用FX2N與計(jì)算機(jī)鏈路格式1方式，即主從站協(xié)議通信方式，因此只對數(shù)據(jù)寄存器D進(jìn)行字讀和字寫操作。通訊格式：數(shù)據(jù)長度8位，停止位1位，無奇偶校驗(yàn)位，傳輸速率9 600 bps。

1）主站讀從站數(shù)據(jù)格式。主站讀從站數(shù)據(jù)格式如圖6所示，橫線上方表示主站發(fā)送的數(shù)據(jù)，橫線下方表示從站發(fā)送的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送順序從左到右。其中，站號用2字符十六進(jìn)制數(shù)，范圍1-F，對應(yīng)十進(jìn)制1-15，即表示可帶15個從站；當(dāng)站號為0時，表示PLC做主站。PC號固定為FF，頭元件只能是數(shù)據(jù)寄存器D，用5個字符表示，如D0100。元件數(shù)用2位十六進(jìn)制的字符表示，如0A，表示十個字元件。指定元件數(shù)據(jù)，一個元件數(shù)據(jù)用4個十六進(jìn)制的字符表示，如AB96，錯誤碼暫未使用。

2）主站向從站寫數(shù)據(jù)格式。主站向從站傳送信息如圖7所示，傳送格式中字符含義同主站讀從站數(shù)據(jù)格式相似。

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上位機(jī)選用華研工業(yè)級計(jì)算機(jī)，配備不間斷電源實(shí)現(xiàn)短時間掉電保護(hù)功能，并提供大屏幕顯示系統(tǒng)的所有監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。上位機(jī)軟件選用DELPHY7編程軟件，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)控，提供友好的畫面顯示，上位機(jī)軟件主界面（圖8）中主界面（1）為格田水層管理控制界面，主界面（2）為水稻生長環(huán)境監(jiān)測界面，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)時采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過上位機(jī)分析處理能夠?qū)崿F(xiàn)多種數(shù)據(jù)報(bào)表、數(shù)據(jù)歷史查詢、溫度趨勢曲線、報(bào)警記錄、遠(yuǎn)程控制管理等功能，有效提高了生產(chǎn)工作效率，實(shí)現(xiàn)工業(yè)級的全自動智能化監(jiān)控。

4 小結(jié)

水層管理自動控制系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸對水稻格田的主要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時采集，在上位機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，能夠按照水稻不同生長期對格田的水層進(jìn)行科學(xué)管理和調(diào)配，也可以通過上位機(jī)對水稻生長環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，如水溫、土壤溫濕度、雨量蒸發(fā)量等氣象數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在水稻的全生育期對水稻進(jìn)行按期、按需自動高效合理的灌溉控制，從而達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動化管理新模式。同時，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理功能，經(jīng)半年多的實(shí)際運(yùn)行，其性能穩(wěn)定、運(yùn)行可靠、人機(jī)界面友好、易操作，使用維護(hù)方便，具有很好的可擴(kuò)展性和較高的實(shí)用價(jià)值。

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