基于作物需水曲線的精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王飛 簡(jiǎn)菁涓

[摘 要]根據(jù)中國西南地區(qū)主要作物的需水曲線，設(shè)計(jì)一套能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)水增產(chǎn)的精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)，通過已有的貴州主要經(jīng)濟(jì)作物的需水資料，繪制需水曲線圖，并實(shí)現(xiàn)按時(shí)按需灌溉。本系統(tǒng)的硬件核心控制器為三菱PLC，主要的傳感器為：溫度傳感器、濕度傳感器和水位傳感器，執(zhí)行設(shè)備為電磁閥和水泵?？刂葡到y(tǒng)的程序設(shè)計(jì)可以根據(jù)不同作物實(shí)現(xiàn)選擇性控制，現(xiàn)地控制單元具有HMI人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，上位機(jī)以Labwiew實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控處理，并為后續(xù)的系統(tǒng)升級(jí)控制算法提供了良好的程序和軟件接口。本控制系統(tǒng)既能夠節(jié)能，也能使作物更好、更快地生長，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)創(chuàng)收的目的。

[關(guān)鍵詞]傳感器采集;PLC控制;上位機(jī)

對(duì)于貴州來說，發(fā)展節(jié)水灌溉是提高農(nóng)業(yè)用水效率、緩解貴州省缺水的有效途徑。以作物的需水規(guī)律作為灌溉的控制依據(jù)，更加科學(xué)合理。發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)，普及節(jié)水灌溉技術(shù)，開展高標(biāo)準(zhǔn)，精量化節(jié)水灌溉，擁有廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值，本控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，易于升級(jí)擴(kuò)展，特別適用于貴州地區(qū)的多種農(nóng)作物灌溉。

一、作物需水曲線的獲取方法和需水規(guī)律

農(nóng)作物精確的生長需水曲線圖是本系統(tǒng)的重要設(shè)計(jì)依據(jù)，目前本設(shè)計(jì)先以一個(gè)地區(qū)作物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。故本控制系統(tǒng)的作物需水?dāng)?shù)據(jù)的主要來源為在貴州省修文縣一處試驗(yàn)站進(jìn)行的調(diào)查研究，并采用試驗(yàn)站的相關(guān)數(shù)據(jù)，本實(shí)驗(yàn)站數(shù)據(jù)的獲取方法為利用作物系數(shù)法計(jì)算主要作物的需水量和凈灌溉需水量，并用灌溉試驗(yàn)站的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行了檢驗(yàn)。本地區(qū)為亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，夏天涼爽多雨，實(shí)驗(yàn)的農(nóng)作物種植田土壤為當(dāng)?shù)胤植甲顝V黃土。在此研究情況下，獲取作物的需水曲線，通過origin軟件擬合獲得作物一年的需水公式并根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕邓亢屯寥罎穸葋砜刂乒喔扔盟俊?/p>

二、 灌溉控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

（一）硬件系統(tǒng)的搭建

1. PLC控制器的選擇

系統(tǒng)采用FX3U系列三菱PLC為控制器，為三菱公司第三代微型可編程控制器，內(nèi)置高達(dá)64KB大容量RAM存儲(chǔ)器，內(nèi)置業(yè)界最高水平的高速處理0.065μs/基本指令，控制規(guī)模16-384（包括CC-link I/O）點(diǎn)，同時(shí)可外接相應(yīng)擴(kuò)展模塊，實(shí)現(xiàn)程序控制、數(shù)據(jù)通信以及后期拓展等，本控制器均能滿足系統(tǒng)的控制要求。

2.土壤濕度傳感器的選擇

本系統(tǒng)采用比較先進(jìn)的FDR測(cè)量方式，利用頻域反射這種電磁脈沖技術(shù)來測(cè)量土壤濕度的，雖然成本較高，但是具有很高的精度。型號(hào)為JXBS-3001-TR，其中測(cè)量水分的量程為0～100%，精度為讀數(shù)的3%（0～53%時(shí)）和5%（53%～100%），響應(yīng)時(shí)間小于1s，輸出型號(hào)的方式為RS485。具有簡(jiǎn)便安全、快速準(zhǔn)確、定點(diǎn)連續(xù)、自動(dòng)化、寬量程、少標(biāo)定等特點(diǎn)，采用此款土壤濕度傳感器可以較好地判斷當(dāng)前作物的需水情況，抗干擾能力強(qiáng)，使用壽命長，本系統(tǒng)通過多個(gè)傳感器多點(diǎn)采樣實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集。

3.水位傳感器的選擇

本系統(tǒng)采用一體液位變送器，型號(hào)為AS-136，水位傳感器將感受到的水壓信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，可通過電壓信號(hào)輸出和RS485接口輸出，控制器內(nèi)的計(jì)算機(jī)將實(shí)測(cè)的水位信號(hào)與設(shè)定信號(hào)進(jìn)行比較，得出偏差，然后根據(jù)偏差的性質(zhì)向給水電動(dòng)閥發(fā)出“開”“關(guān)”指令，保證容器達(dá)到設(shè)定水位，作為實(shí)驗(yàn)用水池可以精確地測(cè)量已用的灌溉用水，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)灌溉量和實(shí)際灌溉量的對(duì)比反饋，修正程序，解決程序設(shè)計(jì)中的誤差。

4.模擬量輸入模塊的選擇

根據(jù)本系統(tǒng)對(duì)輸入量的點(diǎn)數(shù)和精度要求，采用EM231模擬量輸入模塊就能完成功能，將現(xiàn)場(chǎng)由傳感器測(cè)量得到的常規(guī)模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成PLC控制器可識(shí)別處理數(shù)字量，其中本模塊為12位二進(jìn)制數(shù)，信號(hào)主要有土壤濕度、水位以及后期升級(jí)需要添加的溫度、空氣濕度等數(shù)據(jù)。

5.其他控制硬件的選擇

下位機(jī)監(jiān)控用的昆侖通態(tài)的TCP7062TX人機(jī)界面，以先進(jìn)的Cortex-A8 CPU為核心的高性能嵌入式一體化觸摸屏。采用了7英寸高亮度TFT液晶顯示屏。同時(shí)還預(yù)裝了MCGS嵌入式組態(tài)軟件，具備強(qiáng)大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能，在本系統(tǒng)中可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控和自動(dòng)手動(dòng)控制切換，上位機(jī)采用NI公司的LabVIEW軟件，提供了圖形化編程方法，還有水泵等其他輔助設(shè)備。

本控制系統(tǒng)采用信息化監(jiān)控手段，實(shí)現(xiàn)PLC與傳感器以及人機(jī)監(jiān)控聯(lián)合控制，解決本地區(qū)水資源的利用不夠充分、供水自動(dòng)化水平低的現(xiàn)狀。設(shè)計(jì)開發(fā)經(jīng)濟(jì)可靠實(shí)用的精準(zhǔn)灌溉控制系統(tǒng)具有很好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。本套控制系統(tǒng)可以“無人值守”或“少人值守”，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)按時(shí)按需定量供水，控制灌溉用水量，使農(nóng)作物更好的生長，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增收的目的。

[作者單位]

貴州水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院

（編輯：李博寧）