計(jì)算機(jī)與PLC一體化控制系統(tǒng)在節(jié)水灌溉中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

陳鑫鋼

摘 要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)以及現(xiàn)代化事業(yè)都飛速進(jìn)步，節(jié)水灌溉自動(dòng)化也是發(fā)展的必然產(chǎn)物，節(jié)水灌溉自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有不可估量的作用。近幾年來(lái)，水資源日趨緊張，不止中國(guó)，世界范圍內(nèi)各個(gè)國(guó)家都在探索和研究有效的節(jié)水方式。為了解決水資源不足的問(wèn)題，提高灌溉和節(jié)水效率，對(duì)計(jì)算機(jī)與PLC一體化控制系統(tǒng)在節(jié)水灌溉中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行了探析。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)；PLC；控制系統(tǒng)；節(jié)水灌溉

中圖分類號(hào)：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.06.161

1 我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉情況及“PLC”的概念

從我國(guó)整體用水程度上看，農(nóng)業(yè)灌溉是用水較多的地方，農(nóng)業(yè)用水量在我國(guó)總用水量中所占的比例很高。農(nóng)業(yè)是我國(guó)生產(chǎn)、生活的重要支撐，所以要保障其用水。但目前農(nóng)業(yè)灌溉效率不高，致使水的利用率較低。由此來(lái)看，解決農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的問(wèn)題是目前的首要任務(wù)。只有合理利用水資源，才能緩解水資源的緊張狀況，農(nóng)業(yè)灌溉作為用水大戶也是最有節(jié)水潛力的領(lǐng)域。可就實(shí)際情況來(lái)看，農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉用水浪費(fèi)的主要問(wèn)題體現(xiàn)為農(nóng)田分布范圍太廣，不同植物的用水需求也各不相同。應(yīng)用傳統(tǒng)大面積的溝渠灌溉技術(shù)不僅浪費(fèi)了農(nóng)田使用面積，還不利于節(jié)水，容易造成浪費(fèi)。

PLC，即可編程序控制器（Programmable controller）。該控制器是以微處理機(jī)為基礎(chǔ)，結(jié)合了計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制以及通信3方面技術(shù)設(shè)計(jì)的一種新型工業(yè)自動(dòng)控制裝置，目前主要被應(yīng)用于我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中，其在生產(chǎn)過(guò)程中的程序控制和過(guò)程控制都具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。可以說(shuō)，PLC是針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境而言最適合的數(shù)字運(yùn)行控制系統(tǒng)。PLC控制系統(tǒng)具體表現(xiàn)為模塊化結(jié)構(gòu)，其組合方便、故障率低，能夠在多種工業(yè)化模式中應(yīng)用。PLC控制系統(tǒng)的控制過(guò)程采用可編程序的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)生產(chǎn)及相關(guān)的信息指令，通過(guò)數(shù)字或模擬的輸入/輸出，達(dá)到控制機(jī)械及設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。如果將計(jì)算機(jī)與PLC一體化控制系統(tǒng)引入農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉問(wèn)題的解決中，則可提高農(nóng)業(yè)灌溉的用水率，達(dá)到節(jié)水的效果。

2 計(jì)算機(jī)與PLC一體化控制系統(tǒng)的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)與PLC控制的節(jié)水灌溉系統(tǒng)應(yīng)具備下列功能：①應(yīng)用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，多個(gè)控制系統(tǒng)由一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多控功能，即一臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)控制多個(gè)操作終端，并且下位機(jī)部分也可不受影響?yīng)毩⒐ぷ鳌＂诒O(jiān)控系統(tǒng)完善。計(jì)算機(jī)顯示器能夠監(jiān)控灌溉系統(tǒng)關(guān)鍵部分信息，包括電磁閥、水泵等的工作情況，能監(jiān)測(cè)采集雨量、壓力、濕度、空氣溫度、土質(zhì)濕度、光照度等信息，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)能報(bào)警示意。③監(jiān)控灌溉過(guò)程。計(jì)算機(jī)顯示器能夠展示灌溉進(jìn)程畫(huà)面，自動(dòng)標(biāo)注灌溉完成區(qū)域和未完成區(qū)域。④信息管理功能。能根據(jù)實(shí)際信息進(jìn)行數(shù)據(jù)及信息管理，自動(dòng)生成灌溉進(jìn)程中的相關(guān)信息及參數(shù)，計(jì)算并生成業(yè)主水量、水費(fèi)、電量、電費(fèi)等數(shù)據(jù)。⑤可選擇灌溉方式。灌溉過(guò)程中，既可以根據(jù)植物特性自動(dòng)灌溉，又可以根據(jù)人工設(shè)定的控制指令、科學(xué)的參數(shù)達(dá)成灌溉指令。⑥時(shí)間和順序可任意調(diào)換。根據(jù)灌溉區(qū)域及范圍可以任意編組，灌溉時(shí)間隨意，控制指令相關(guān)數(shù)據(jù)可以通過(guò)上位機(jī)或下位機(jī)設(shè)定。⑦可調(diào)整性。不同的土質(zhì)、不同的植物生長(zhǎng)環(huán)境及需水需求不同，可根據(jù)其特性隨時(shí)調(diào)整，保障灌溉的科學(xué)性。同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)有超壓報(bào)警裝置，水量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值或者降雨時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)停止灌溉，系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)會(huì)有聲音或者光學(xué)警報(bào)，方便技術(shù)人員修理。

3 計(jì)算機(jī)與PLC一體化控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 一體化控制系統(tǒng)的構(gòu)想與設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）由PC多媒體計(jì)算機(jī)構(gòu)成，上位機(jī)內(nèi)部設(shè)有監(jiān)視及控制程序，中文Windows窗口平臺(tái)為操控系統(tǒng)的顯示主界面。其中，監(jiān)控程序由C語(yǔ)言或C++高級(jí)編程語(yǔ)言編寫實(shí)現(xiàn)。下位機(jī)由PLC組成，內(nèi)部設(shè)定了PLC控制程序，上位機(jī)和下位機(jī)之間通過(guò)RS232數(shù)據(jù)串口達(dá)成通訊目的。執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分主要包括設(shè)備和機(jī)械可控制部分，包括灌溉水泵啟動(dòng)器、電磁閥等。傳感器部分則由各類傳感器組成，包括溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、光敏傳感器等。在設(shè)計(jì)思想上，要保障整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性，采用了上位機(jī)和下位機(jī)分散獨(dú)立控制的設(shè)計(jì)思想，以上位機(jī)和下位機(jī)可獨(dú)立控制作為基本設(shè)計(jì)原則。在實(shí)際應(yīng)用中，上位機(jī)與下位機(jī)能夠通過(guò)編程語(yǔ)言對(duì)其獨(dú)立編程，可不經(jīng)過(guò)上位機(jī)控制由下位機(jī)去控制完成灌溉，傳感器采集的溫度、濕度等信息數(shù)據(jù)由下位機(jī)反饋給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理起到應(yīng)有的作用，參與下位機(jī)的控制過(guò)程。這種設(shè)計(jì)可由2部分分別獨(dú)立控制完成灌溉，有效避免了上位機(jī)故障產(chǎn)生的嚴(yán)重后果。如果兩者不能獨(dú)立控制，則上位機(jī)故障系統(tǒng)癱瘓，停止灌溉，將造成嚴(yán)重?fù)p失?？傮w結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上可采用開(kāi)放式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，由用戶農(nóng)田實(shí)際特點(diǎn)決定控制系統(tǒng)的配置，即用戶可選擇“一臺(tái)控制單臺(tái)”或“一臺(tái)控制多臺(tái)”。如果預(yù)算不夠，也可直接選用PLC控制系統(tǒng)控制執(zhí)行終端，不使用計(jì)算機(jī)，既節(jié)約了成本，又解決了問(wèn)題。

3.2 一體化控制系統(tǒng)信息傳遞的實(shí)現(xiàn)

計(jì)算機(jī)與PLC之間雖可獨(dú)立控制工作，但作為一體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，兩者之間要實(shí)現(xiàn)通訊功能。一般依靠PLC廠商提供的通信模塊，因?yàn)閲?guó)際發(fā)展還沒(méi)有統(tǒng)一的PLC通訊標(biāo)準(zhǔn)，不同的PLC生產(chǎn)商都有自己的協(xié)議要遵循，無(wú)法統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。因此，用戶應(yīng)根據(jù)實(shí)際的PLC類型選用適宜的通信模塊，可由廠商提供。本文在設(shè)計(jì)中選用的是日本生產(chǎn)的FP1型可編程控制器。這個(gè)型號(hào)的控制器通常采用FP1-C16型、FP1-C24型、FP1-C40型控制單元。另外，還需要采用RS232-C和具有時(shí)鐘功能的FP1-C24C型、FP1-C40C型控制單元。FP1型可編程控制器可經(jīng)過(guò)RS232/RS422適配器達(dá)到與計(jì)算機(jī)通訊的目的。串口通信的另一種方式就是FP1中的RS232數(shù)據(jù)串口與PC機(jī)直接通信。

參考文獻(xiàn)

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