基于PLC技術的智能滴灌控制系統(tǒng)

田思慶 曹 宇 姜永成 魏 強 張炳權

?

基于PLC技術的智能滴灌控制系統(tǒng)

田思慶 曹 宇 姜永成 魏 強 張炳權

根據(jù)大棚內(nèi)作物對灌溉的需求，把毛細滴管口安裝在作物根系旁邊，設計了一套由PLC控制的智能滴灌控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以土壤濕度、光照強度、水溫和時間為條件，根據(jù)模糊控制規(guī)則控制水管壓力和速度進行精細滴灌。該系統(tǒng)具有操作便利，運行穩(wěn)定，易于維護，成本低、節(jié)能等優(yōu)點。

滴灌技術作為目前最先進的灌溉用水技術，在我國使用率偏低，所以滴灌技術在我國推廣使用具有廣泛的前景。滴灌是用專門的管道系統(tǒng)和設備將低壓水通過半徑約5mm毛管上的孔口或滴頭送到作物根部土壤中的一種灌溉方法。具備很多其他灌溉方式所不具備的特點。滴灌能節(jié)約用水，加速農(nóng)作物生長，尤其適合溫室大棚作物的生長。在溫室大棚作物的生長過程中，環(huán)境的溫度和濕度對作物的生長起著至關重要的作用，由于晝夜溫差大，對作物的生長不利，因此只有給作物一個合適的生長環(huán)境才能促進作物的生長。滴灌在工作過程中用水量少，可以很好的保持溫室大棚內(nèi)的溫度，并且可以使溫室大棚內(nèi)濕度降低，給作物生長提供了一個非常好的生長環(huán)境。

智能滴灌控制系統(tǒng)

智能滴灌控制系統(tǒng)主要應用于溫室大棚，其控制系統(tǒng)工藝流程如下圖1所示。將毛細滴管口安裝在作物的根系附近。本課題設計的系統(tǒng)裝置包括四根滴灌管道（滴灌管道的數(shù)量可根據(jù)實際應用的情況進行適當?shù)膭h減或增加），滴灌管道上的毛細滴管口間距應根據(jù)當?shù)貧夂驐l件，土壤質(zhì)地和作物品種及種植間距的不同可在0.25m到3m之間自由選擇。太陽能加熱控制系統(tǒng)，通過太陽能對灌溉水進行加溫調(diào)控，可以快速將灌溉水調(diào)到理想的溫度，節(jié)約能源，利于作物的生長。12個土壤濕度檢測傳感器（每一壟植物滴灌管道腹肌土壤中設有3個土壤濕度傳感器），使用土壤濕度檢測傳感器的數(shù)量在實際應用中可根據(jù)滴灌管道的長度來進行適當增加和刪減，從經(jīng)濟性的角度建議可以適當?shù)倪M行有線土壤濕度傳感器和無線土壤濕度傳感器進行搭配使用，效果更加。4個電磁閥的作用是用來控制各個滴灌區(qū)滴灌管道水流的壓力和流量，保證滴灌的均勻和穩(wěn)定。在大棚內(nèi)安裝光照強度傳感器，用來檢測大棚內(nèi)的光照強度，在滴灌支路和滴灌干路上安裝比例電磁閥，通過控制比例電磁閥的開度，可以調(diào)節(jié)滴灌管道支路中的出水流量，從而改變滴灌出水速度。并在滴灌干路上安裝出水泵，通過變頻器改變出水泵的轉(zhuǎn)速，以保證不同需水情況下，滴灌系統(tǒng)水流壓力的恒定。用于儲存水及過濾雜物的儲水罐中，裝有用于檢測罐內(nèi)水位的液位開關，以及進水閥門等。此系統(tǒng)能夠定時、定量、準確的補給作物散失的水分，不僅可以節(jié)約水資源，而且可以可以控制滴灌速度，對作物生長有很大的幫助。

控制系統(tǒng)硬件設計

電氣結構圖

根據(jù)當?shù)卮笈飪?nèi)作物的要求，本系統(tǒng)選用臺達DOP-B07S411觸 摸 屏， 臺 達PLC E2列DVP16EH00R2，模擬輸入/輸出模塊DVP04ADH2，臺達VFD002L21A變頻器，以及若干控制開關和交流接觸器等。通過RS-485總線將PLC、觸摸屏、變頻器建立通訊連接，將土壤濕度傳感器、水溫和光照度傳感器返回的模擬量信號傳入DVP04AD-SL模塊中。智能滴灌控制系統(tǒng)電氣結構如圖2所示，控制器DVP16EH00R2的電氣接線如圖3所示。

PLC輸入和輸出地址分配

系統(tǒng)中部分數(shù)字量及模擬量輸入如表1所示，數(shù)字量及模擬量輸出如表2所示。

控制系統(tǒng)軟件設計

模糊控制規(guī)則

根據(jù)溫室大棚作物生長的規(guī)律綜合考慮該系統(tǒng)分為自動和手動2種控制方式，手動運行可以開停滴灌控制器，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但一般在緊急條件下應用。自動控制系統(tǒng)包含彼此之間相互聯(lián)系的四個部分。

部分一：以土壤濕度檢測信號與給定值的偏差，根據(jù)制定的滴灌管道附近的土壤濕度和光照強度為模糊規(guī)則，通過PLC去控制比例電磁閥的開關以及閥門開度，進而控制滴灌壓力與速度?？刂埔?guī)則如下：

圖1　智能滴灌過程控制系統(tǒng)

圖2　智能滴灌控制系統(tǒng)電氣結構圖

圖3　控制器DVP16EH00R2電氣接線圖

（1）當土壤濕度為低，光照強度為低時，閥門開度為半開狀態(tài)；

（2）當土壤濕度為低，光照強度為中時，閥門開度為全開狀態(tài)；

（3）當土壤濕度為低，光照強度為高時，閥門開度為全開狀態(tài)；

（4）當土壤濕度為中，光照強度為低時，閥門開度為關閉狀態(tài)；

（5）當土壤濕度為中，光照強度為中時，閥門開度為半開狀態(tài)；

（6）當土壤濕度為中，光照強度為高時，閥門開度為全開狀態(tài)；

（7）當土壤濕度為高，光照強度為低時，閥門開度為關閉狀態(tài)；

（8）當土壤濕度為高，光照強度為中時，閥門開度為關閉狀態(tài)；

（9）當土壤濕度為高，光照強度為高時，閥門開度為半開狀態(tài)。

表1　智能滴灌控制系統(tǒng)PLC輸入地址及定義

表2　智能滴灌控制系統(tǒng)PLC輸出地址及定義

部分二：綜合四路滴灌支路上比例電磁閥的開度情況去控制出水泵的轉(zhuǎn)速，以保持滴灌管道內(nèi)有充足的供水壓力?？刂埔?guī)則如下：

當管路閥門全開，則電機正常運轉(zhuǎn)；

當管路閥門全關，則電機全關閉；

當其中一個管路閥門開的時候，電機轉(zhuǎn)速較慢運轉(zhuǎn)。

部分三：通過儲水罐中液位開關去控制進水閥的開閉，以保證儲水罐有足夠的水源，同時也防止了因為設置不當而造成的水的浪費?？刂埔?guī)則如下：

當液位低于滴灌灌溉水位時，此時最少打開一個進水閥；

當液位高于滴灌灌溉水位是，此時關閉進水閥。

部分四：太陽能水溫加熱控制器使灌溉水溫控制在適宜作物生長的理想溫度。控制規(guī)則如下：當灌溉水溫低于設定的溫度下限值時，循環(huán)水泵將水送入加熱管進行熱交換，通過循環(huán)，當灌溉水溫度達到作物適宜的理想溫度值后，循環(huán)水泵停止工作，啟動滴灌系統(tǒng)。

軟件設計流程

圖4　控制系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)控制流程如圖4所示。

為了監(jiān)控整個滴灌控制系統(tǒng)，本設計采用RS-485總線將PLC、觸摸屏和變頻器進行通訊連接。將土壤濕度、水溫和光照度傳感器模擬量信號傳入到DVP04AD-SL模塊中，然后再通過windows操作系統(tǒng)，可以直觀的在計算機上進行操作控制，并對各種動態(tài)數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控。該系統(tǒng)同時支持U盤導出，以便工作人員隨時查看各個時期的歷史數(shù)據(jù)和記錄。

本設計建立了系統(tǒng)設定界面，通過界面可以根據(jù)不同作物對陽光和水資源的不同需求，設定適合作物生長的土壤濕度、水溫和光照強度范圍；同時考慮到節(jié)氣不同對滴灌時間的長短需求，可以設定每天的滴灌起止時間范圍。系統(tǒng)還可以根據(jù)制定的時間范圍，通過軟件檢測系統(tǒng)中各個傳感器測量值是否超出其檢測范圍，并判斷傳感器是否損壞，管道是否發(fā)生堵塞，太能能電板是否損壞等硬件故障。

結語

基于PLC控制的智能滴灌控制系統(tǒng)，以土壤濕度、水溫、光照強度為條件，通過模糊控制規(guī)則，控制滴灌給水壓力和速度，以保證大棚內(nèi)農(nóng)作物的環(huán)境生長。通過上、下位機的連接通訊，系統(tǒng)可將采集的數(shù)據(jù)綜合報表、管理，還可通過下位機控制執(zhí)行元件，保證系統(tǒng)正常運行。

田思慶 曹 宇 姜永成 魏 強 張炳權

佳木斯大學機械工程學院

田思慶（1965-）碩士生導師，教授；研究方向：農(nóng)業(yè)電氣化與自動化；曹宇（1991-）碩士研究生；研究方向：農(nóng)業(yè)電氣化與自動化；通訊作者：姜永成：（1976-）碩士生導師，副教授，工學博士；研究方向：農(nóng)業(yè)電氣化與自動化。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.11.028

佳木斯大學科技創(chuàng)新團隊建設計劃項目（Cxtd-2013-01）；佳木斯大學研究生科技創(chuàng)新項目（LM2015_006）