智能化蔬菜大棚節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計

王鵬宇，徐 慶,2，宋繼田,2，王 霞，楊 揚(yáng)

（1.天津市輕工與食品工程機(jī)械裝備集成設(shè)計與在線監(jiān)控重點實驗室，天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222；2.天津市低碳綠色過程裝備國際聯(lián)合研究中心，天津 300222；3.山東科技大學(xué)電氣信息系，山東 濟(jì)南 250031；4.天津櫻桃谷農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司，天津 301900）

0 引言

作為農(nóng)業(yè)大國，水資源的不合理使用與浪費(fèi)阻礙著我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展。我國大部分地區(qū)仍采用漫灌等方式，致使水資源利用率不及40%。智能灌溉控制系統(tǒng)[1]可實現(xiàn)農(nóng)田實時監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制，既節(jié)省人工勞動等資源，又可提高農(nóng)業(yè)用水率，確保糧食豐產(chǎn)豐收。

國外農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)在相應(yīng)配套設(shè)施、技術(shù)研究方面，將計算機(jī)控制技術(shù)、電氣控制技術(shù)合理地使用于灌溉中以提高灌溉節(jié)水率[2]。以色列著名AMIAD 公司的水力驅(qū)動灌溉施肥系統(tǒng)，無需消耗電能，并相應(yīng)研發(fā)了調(diào)壓閥、電磁控制閥等配套裝置，大大提高了灌溉自動化程度，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動化控制。

部分國外的灌溉控制系統(tǒng)成本高、操作復(fù)雜，種植戶難以掌握，又無法根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂虻淖兓龀銮‘?dāng)調(diào)節(jié)。為了有效解決蔬菜大棚灌溉領(lǐng)域存在的問題，推廣節(jié)水農(nóng)業(yè)，適宜推廣一種可靠、靈活、簡易的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)。本文設(shè)計的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制[3]，方便種植戶實時監(jiān)測和控制大棚的灌溉效率及灌溉效果，并選用利于農(nóng)作物生長的灌溉方式，根據(jù)需要在合理范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)節(jié)水目的。

1 系統(tǒng)控制原理及設(shè)計方案

本文設(shè)計基于PLC 的蔬菜大棚節(jié)水灌溉系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)包含4 個模塊：檢測模塊主要包括4 類傳感器以及報警信號；控制模塊包括PLC 和模擬量輸入模塊；通信模塊使用GPRS 作為通訊手段[4]；執(zhí)行模塊包括灌溉所需的水泵機(jī)組和控制設(shè)備的開關(guān)等?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

4 類傳感器將收集到的壓力、濕度等模擬量經(jīng)EM231 進(jìn)行相應(yīng)換算，即農(nóng)田的實時數(shù)據(jù)與所設(shè)定的規(guī)定值范圍進(jìn)行比較，低于或者超出范圍都會使設(shè)備有所動作。相關(guān)數(shù)據(jù)通過上位機(jī)顯示[5]呈現(xiàn)當(dāng)前灌溉情況。以PLC 為主體，通過控制面板[6]對灌溉系統(tǒng)執(zhí)行遠(yuǎn)程啟動、暫停和復(fù)位，控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)農(nóng)田灌溉的實際情況，加裝適合頻繁操作和遠(yuǎn)距離控制的接觸器。在PLC 的交流供電處加裝熔斷器，電流超過額定值時，可及時斷開電路以防出現(xiàn)過電流對PLC 造成損壞。通過使用GPRS 作為通信手段，可實現(xiàn)PLC 的無線控制，自帶的輸入輸出可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集和控制[7]。使用Kingview6.55 對農(nóng)田實時數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，供管理人員調(diào)控。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 硬件選型及設(shè)計

本文設(shè)計的控制系統(tǒng)結(jié)合蔬菜大棚灌溉的實際需要和系統(tǒng)的硬件要求，選擇合適的存儲量與擴(kuò)展方式。系統(tǒng)中有模擬量信號或者數(shù)據(jù)處理時，存儲容量應(yīng)盡可能大。其主要硬件選型如下：①PLC 選擇西門子的S7-200[8]，CPU 型號為224，擴(kuò)展模塊7個，實用性強(qiáng)，方便以后的改進(jìn)；與之配合使用的模擬量模塊EM231 如圖2 所示，其A/D 轉(zhuǎn)換速度快，輸入點數(shù)為4 點（通道），輸入電流極限30 mA，數(shù)據(jù)字范圍為0～32 000。②選用三相異步電動機(jī)Y160M-4作為水泵驅(qū)動電機(jī)，其額定功率為11 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 460 r/min，額定電流為22.6 A，功率因數(shù)為0.84，堵轉(zhuǎn)電流為7 A，堵轉(zhuǎn)、最大轉(zhuǎn)矩分別為2.2、2.3 N·m。所選用的水泵機(jī)組，運(yùn)行可靠，出現(xiàn)故障概率低，方便維修，價格經(jīng)濟(jì)實惠，占地小、省空間。③傳感器與變送器選型為一體型，方便傳輸，減少故障率。模擬量信號以電流型信號的形式傳輸?shù)?EM231，模擬量信號轉(zhuǎn)成數(shù)字量信號送給PLC，輸出進(jìn)行點控制，根據(jù)農(nóng)業(yè)灌溉的實際需要選用普通型即可，精度等級選擇1.5。

圖2 EM231 模擬量擴(kuò)展模塊接線

2.2 PLC的I/O端口分配

根據(jù)對蔬菜大棚灌溉的實際要求，結(jié)合硬件的選擇與設(shè)計，對 PLC 的輸入輸出口進(jìn)行合理分配。輸入端口為：復(fù)位I0.0，啟動I0.1，停止I0.2，加壓泵故障輸入I0.3，加濕泵故障輸入I0.5，灌溉源液位傳感器AIW0，現(xiàn)場環(huán)境濕度輸入AIW2。輸出端口為：加壓泵啟動Q0.0，加濕泵啟動Q0.2。由于所選PLC 可加多個擴(kuò)展模塊，可根據(jù)實際種植需要進(jìn)行增減。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 編程環(huán)境及軟件設(shè)計思路

通過STEP7-Micro/WIN 創(chuàng)建、修改用戶程序，設(shè)置參數(shù)，改變PLC 運(yùn)行方式。基本編程環(huán)境如圖3 所示。STEP7-Micro/WIN 的主界面包括了菜單條、工具條、指令樹、輸出窗口、程序編輯器等內(nèi)容。使用該軟件時，首先進(jìn)行插入和刪除輸入的編程元件。使用符號表中的符號代替直接地址編號并設(shè)置局部變量。如果為所寫程序進(jìn)行注釋，雙擊Network的n 區(qū)域來編輯。需要注意的是PLC 處于暫停模式時才能下載程序，將PLC 存儲器中的原程序清除后再開始運(yùn)行新的程序。

圖3 STEP7-Micro/WIN 編程環(huán)境

組態(tài)軟件選擇Kingview6.55，選用巨控的GRM200G，通過OPC 支持該組態(tài)。其系統(tǒng)采用中文界面，人機(jī)界面可視化優(yōu)勢明顯。編程容易，且修改數(shù)據(jù)簡單快捷，可以實時監(jiān)測農(nóng)田灌溉實時的變化，人機(jī)交互能力相比于其他組態(tài)強(qiáng)。通過組態(tài)王可以實時監(jiān)測農(nóng)田狀態(tài)，顯示經(jīng)EM231 轉(zhuǎn)換的液位、濕度等模擬量，判斷是否在設(shè)定的范圍之內(nèi)。通過使用GPRS 模塊，管理人員可通過發(fā)送手機(jī)短信[9]或在PC 機(jī)上控制設(shè)備的啟停。監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)合了計算機(jī)與PLC，利用計算機(jī)的高精度和PLC 的可靠性、抵御干擾能力強(qiáng)、操作簡單等優(yōu)點，對灌溉系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控。通過在參數(shù)設(shè)置區(qū)設(shè)定合理的范圍[10]，傳感器讀取農(nóng)田現(xiàn)場的模擬量，并通過模擬量模塊EM231 與設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行比較，輸出數(shù)字量0/1，接觸器控制設(shè)備的啟停，從而實現(xiàn)節(jié)水的功能。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，主界面會顯示報警提示，及時發(fā)現(xiàn)并維修[11]。

3.2 系統(tǒng)防擾動措施

在控制系統(tǒng)實際運(yùn)行的過程中，必然會受到干擾，影響其正常的運(yùn)行狀態(tài)。相應(yīng)配套的水泵機(jī)組的加入會給灌溉控制系統(tǒng)造成一定程度的干擾[12]，所以需要采取必要措施來保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，增強(qiáng)設(shè)備可靠性：①合理配置電源，選擇隔離性能較好的電源?？梢约友b帶有屏蔽層的隔離變壓器或者在輸入電源處加濾波電路，可有效抑制存在的干擾。②安裝PLC 時采用專用的接地線且接地線要粗、接地電阻要小，盡量避開接地點在強(qiáng)電接地設(shè)備附近。③布置的線路分開布線，布線時區(qū)分開模擬量線路與開關(guān)量線路，模擬量線路加屏蔽層并接地。當(dāng)外部布線時也應(yīng)分開布線，且相互之間留有間距，這樣布線可以有效降低電磁及線路之間的干擾。④需遠(yuǎn)離熱輻射設(shè)備并位于通風(fēng)良好的地方，考慮防水問題，防止設(shè)備損壞。⑤經(jīng)信號線造成的干擾。信號進(jìn)出系統(tǒng)的同時，干擾信號也同樣進(jìn)出控制系統(tǒng)，因此造成干擾。各類電信號的干擾都會影響測量靈敏度，使其降低，引起I/O 信號工作出現(xiàn)故障，使控制系統(tǒng)可靠性降低。因此應(yīng)選擇隔離性能好的電纜，否則會導(dǎo)致信號互相干擾造成擾亂，甚至出現(xiàn)系統(tǒng)擾動造成停機(jī)狀態(tài)。

4 灌溉方式比較試驗

本試驗將傳統(tǒng)與智能化灌溉方式進(jìn)行比較，設(shè)置10 至100 多組灌溉試驗面積，綜合了當(dāng)?shù)氐耐寥?、氣候等自然因素，結(jié)果表明：與傳統(tǒng)灌溉方式相比，本文設(shè)計的智能化控制系統(tǒng)隨著灌溉面積的逐漸增大優(yōu)勢愈加明顯，呈現(xiàn)上升趨勢，如圖4 所示，灌溉試驗面積從40 畝（1 畝=0.067 hm2）左右即出現(xiàn)明顯的兩極分化，隨著灌溉面積的增加，灌溉水利用率區(qū)分越明顯。傳統(tǒng)式仍以漫灌為主，面積增大利用率明顯降低。通過現(xiàn)場實地驗證，智能化節(jié)水灌溉的方式不僅可以緩解農(nóng)田用水短缺的現(xiàn)狀，實現(xiàn)灌溉用水的高效利用，還可以節(jié)省人力物力，遠(yuǎn)程設(shè)置方便種植戶操作。

圖4 2 種灌溉方式的比較

5 結(jié)語

本文設(shè)計的基于PLC 節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，種植戶可根據(jù)農(nóng)田現(xiàn)場情況進(jìn)行簡單操作，減輕了勞動強(qiáng)度，提高了用水效率?？刂葡到y(tǒng)的引入可改善目前存在的水資源浪費(fèi)局面，根據(jù)實時數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，控制相關(guān)的設(shè)備動作。若有損壞故障情況會報警，提醒有關(guān)人員前去維修。同時設(shè)備造價較低，采取了系統(tǒng)抗干擾措施，兼顧了可靠性與經(jīng)濟(jì)性，維護(hù)方便，應(yīng)用前景廣闊。在灌溉技術(shù)發(fā)展進(jìn)步的同時，種植戶對該控制系統(tǒng)的操作熟練程度上要進(jìn)一步提高，相互配合實現(xiàn)效果最好的蔬菜大棚灌溉。