基于PLC的太陽能滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廣東理工學(xué)院 李梓勇 閑宇祺

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)太陽能滴灌系統(tǒng)，其控制方式采用PLC控制，其能源由太陽能電池提供。該系統(tǒng)工作流程為土壤溫濕度傳感器采集土壤的溫度和濕度兩個(gè)模擬量，再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換成PLC能識(shí)別的數(shù)字量信號(hào)，最終通過PLC的比較指令控制閥門的開關(guān)達(dá)到滴灌效果。通過設(shè)計(jì)后仿真，仿真結(jié)果滿足題目要求。

地球上的資源分為可再生資源和不可再生資源，如今，全世界面臨著資源枯竭，能源緊張等問題。造成這一現(xiàn)象的主要原因是社會(huì)對(duì)資源能源的需求巨大，若繼續(xù)這樣無節(jié)制地使用，資源能源將制約人類社會(huì)的發(fā)展，由此我們需要利用可再生能源和減少資源的浪費(fèi)。

本次設(shè)計(jì)太陽能滴灌系統(tǒng)從兩個(gè)方面進(jìn)行，一是對(duì)太陽能的利用，二是利用滴灌技術(shù)減少水資源的浪費(fèi)。太陽能被稱為清潔能源，是因?yàn)樗谶M(jìn)行能源轉(zhuǎn)換時(shí)不會(huì)產(chǎn)生污染，在現(xiàn)階段的運(yùn)用已有太陽能發(fā)電、太陽能熱水器等。

在全球淡水資源的消耗中，農(nóng)業(yè)用水約占70%，如何節(jié)約農(nóng)業(yè)用水就顯得格外重要。運(yùn)用滴灌技術(shù)既能節(jié)約資源，還能帶來不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益和良性的生態(tài)效益。

本設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)一個(gè)太陽能滴灌系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的能源由太陽能電池提供，驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)裝置。通過土壤溫濕度傳感器將土壤濕度和環(huán)境溫度反饋給PLC，PLC按照設(shè)定好的應(yīng)用指令進(jìn)行運(yùn)算后，通過控制閥門達(dá)到自動(dòng)滴灌的效果。

1 系統(tǒng)組成

1.1 太陽能部分

太陽能滴灌系統(tǒng)的供電由太陽能提供，而太陽能發(fā)電電壓不穩(wěn)定，容易受天氣的影響等。太陽能發(fā)電屬于直流電，交流電設(shè)備無法使用等。結(jié)合上述情況，設(shè)計(jì)了一個(gè)有太陽能電池板、穩(wěn)壓器、電池、輔助能源、逆變器等的太陽能系統(tǒng)。如圖1所示。

圖1 太陽能部分結(jié)構(gòu)

太陽能電池板：其發(fā)電原理是利用了半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)，能夠在光照下吸收特定波長(zhǎng)段內(nèi)光的能量，并將之用來激發(fā)自由電子和空穴對(duì)，自由電子和空穴的定向擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電能。太陽能發(fā)電后的電能可以直接給用電設(shè)備供電，也可以儲(chǔ)存在蓄電池里面。

穩(wěn)壓器：保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，提供穩(wěn)定電壓等功能。

電池：用于儲(chǔ)存太陽能電池板發(fā)電的電能，在雨天或夜晚等沒有光照情況下為PLC供電等。

輔助能源：為了避免長(zhǎng)期的陰雨天造成蓄電池電量用完而無法控制滴灌系統(tǒng)等情況，設(shè)置一個(gè)緊急情況時(shí)可接入其他能源的接口，以保證滴灌系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

逆變器：可將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的逆變器，也可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)所需的交流電壓。

1.2 滴灌部分

滴灌部分可分為PLC和水閥電動(dòng)機(jī)兩個(gè)結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)的PLC工作內(nèi)容有接收傳感器傳輸過來的模擬量信號(hào)，再經(jīng)過FX2N-2AD模塊的AD轉(zhuǎn)換，把模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)存儲(chǔ)在PLC的數(shù)據(jù)寄存器（D）中，再進(jìn)行設(shè)定好的比較程序，根據(jù)不同情況，做出相應(yīng)的輸出。當(dāng)PLC做出打開水閥指令時(shí)，水閥電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，閥門打開，配套用水系統(tǒng)的水才能通過閥門進(jìn)行滴灌，當(dāng)PLC做出關(guān)閉水閥指令時(shí)，水閥電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，閥門關(guān)閉，配套用水系統(tǒng)的水無法通過閥門進(jìn)行滴灌。

FX2N-2AD模擬量輸入模塊接線方式如圖2所示。FX2N-2AD模擬量輸入模塊有兩個(gè)輸入通道CH1、CH2，用于將外部?jī)牲c(diǎn)輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字量信號(hào)，然后傳送到可編程控制器的基本單元中。

圖2 FX2N-2AD模擬量輸入模塊的接線方式

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我們需要一個(gè)能正反轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)。其接線圖如圖3所示。

圖3 正反轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)

PLC輸入分配關(guān)系如表1所示。

表1 PLC輸入分配表

PLC輸出分配關(guān)系如表2所示。

表2 PLC輸出分配表

2 太陽能滴灌系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

太陽能滴灌系統(tǒng)流程圖如圖4所示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我們需要通過土壤溫濕度傳感器采集土壤的溫度和濕度兩個(gè)模擬量，采用FX2N-2AD模擬量輸入模塊就能滿足設(shè)計(jì)需求。程序中的X3表示啟動(dòng)按鈕，X4表示停止按鈕，X0表示打開CH1通道，X1表示打開CH2通道。我們?cè)O(shè)置CH1通道采集的是濕度值，CH2采集的是溫度值。

圖4 太陽能滴灌系統(tǒng)流程圖

當(dāng)按下X3啟動(dòng)按鈕后，系統(tǒng)啟動(dòng)，再按下X0時(shí)，CH1通道打開，PLC讀取FX2N-2AD模擬量輸入模塊所轉(zhuǎn)換的的濕度值（數(shù)字量），并將其存儲(chǔ)在D100當(dāng)中。部分程序如圖5所示。

圖5 PLC部分程序

結(jié)語：本文設(shè)計(jì)了一個(gè)太陽能滴灌系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了由太陽能供電，驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)裝置。通過土壤溫濕度傳感器將土壤濕度和環(huán)境溫度反饋給PLC，PLC按照設(shè)定好的應(yīng)用指令進(jìn)行運(yùn)算后，通過控制閥門達(dá)到自動(dòng)滴灌的效果。相信隨著科技進(jìn)步，會(huì)有更高級(jí)更智能的太陽能滴灌系統(tǒng)被制造出來。