于 虹，蔣 亞，蔣明華，李永波

（揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

1 農(nóng)業(yè)灌溉控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案與簡(jiǎn)介

1.1 農(nóng)業(yè)灌溉控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)規(guī)劃

農(nóng)業(yè)灌溉控制系統(tǒng)主要由多傳感器系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)、人機(jī)界面和控制對(duì)象水泵組成，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

圖1 農(nóng)業(yè)灌溉控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

其中，PLC控制系統(tǒng)的處理器采用歐姆龍公司的CP1H型PLC，多傳感器系統(tǒng)包括全量機(jī)械編碼水位計(jì)WFH-2型傳感器、PT 100鉑熱電阻溫度傳感器、IH3605型濕度傳感器以及HR-WP-AC系列的電壓電流表，人機(jī)界面采用威綸通MT-6070IH2系列觸摸屏。

1.2 農(nóng)業(yè)灌溉控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

I／O單元發(fā)送實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)（如土壤溫濕度參數(shù)和電壓電流參數(shù)、水位參數(shù)等），由相關(guān)的傳感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采集，并將檢測(cè)的參數(shù)送往PLC，PLC根據(jù)模擬信號(hào)和數(shù)字邏輯信號(hào)來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，然后由人機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)和控制的運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)需要的基本功能如下：

（1）檢測(cè)閥門(mén)開(kāi)度和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如果檢測(cè)到設(shè)備參數(shù)異?；虬l(fā)生故障，系統(tǒng)應(yīng)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，并在人機(jī)界面上顯示故障位置和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)水泵閥門(mén)做出相應(yīng)的處理。

（2）完成土壤溫濕度以及管道壓力的測(cè)量，自動(dòng)檢測(cè)水泵的電壓電流參數(shù)，并在人機(jī)界面上顯示，同時(shí)控制水泵閥門(mén)開(kāi)度。

（3）實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)采用歐姆龍公司的可編程控制器CP1H型PLC，該類(lèi)型的PLC具備與各種組件連接的相容性，因?yàn)樗耐鈬ぞ哂蠻SB端口，還可以擴(kuò)展2個(gè)串行端口，可方便同時(shí)連接多種組件。最大可安裝2個(gè)串行通信選件板（RS-232C×1 端口或 RS-422A／485×1端口）。

2.2 多傳感器系統(tǒng)

2.2.1 水位控制系統(tǒng)

全量機(jī)械液位計(jì)WFH-2編碼型傳感器是通過(guò)浮子感測(cè)水位的，該儀器根據(jù)軸角編碼進(jìn)行編碼。在進(jìn)行閘門(mén)上下游水位測(cè)量時(shí)，安裝一個(gè)浮子，作為水位傳感元件；當(dāng)水位變化時(shí)，浮子水位產(chǎn)生變化，從而帶動(dòng)水輪做圓周運(yùn)動(dòng)，并準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)成相應(yīng)的角位移量；水輪轉(zhuǎn)動(dòng)軸編碼器是一個(gè)輸入軸，所以當(dāng)水輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸編碼器的電平已轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字代碼D，這種數(shù)字代碼D通過(guò)多芯電纜并行輸出，并在監(jiān)測(cè)站的顯示器上顯示，即在人機(jī)界面上顯示。該浮子在轉(zhuǎn)換過(guò)程中采用的機(jī)械編碼是格雷碼轉(zhuǎn)換，測(cè)量范圍為40m，分辨率為1cm。

2.2.2 溫濕度控制系統(tǒng)

PT 100鉑熱電阻溫度傳感器精度高、穩(wěn)定性好，使用方便，溫度范圍為 －200℃～650℃。IH3605型濕度傳感器測(cè)量相對(duì)濕度（RH）范圍為0%～100%，環(huán)境溫度為0℃～85℃。該電路配有集成放大電路，輸出電壓為0V～10V，具有溫度補(bǔ)償和調(diào)零功能。其工作原理都是把電阻值轉(zhuǎn)化成電壓或電流再顯示。其系統(tǒng)信號(hào)傳輸流程如圖2 所示。

圖2 溫濕度信號(hào)傳輸流程圖

2.2.3 電壓電流控制系統(tǒng)

電流、電壓傳感器均選用珠海儀器儀表公司生產(chǎn)的HR-WP-AC系列交流電壓表、電流表。電機(jī)電壓電流的測(cè)量、溫度的測(cè)量、濕度的測(cè)量以及管道壓力的測(cè)量都是由PLC通過(guò)擴(kuò)展I／O單元口采集傳感器送來(lái)的信號(hào)，然后進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換和標(biāo)度變換。以4mA～20mA模擬信號(hào)輸出為例，其A／D轉(zhuǎn)換如圖3 所示。

圖3 A／D轉(zhuǎn)換對(duì)照曲線圖

4mA～20mA的電流輸入對(duì)應(yīng)于16進(jìn)制數(shù)（10進(jìn)制數(shù)）為0000～1 770（0000～6 000）。完整的數(shù)據(jù)輸出范圍是16進(jìn)制數(shù)FED4～189C（對(duì)應(yīng)的10進(jìn)制數(shù)為－300～6 300）。軟件編程時(shí)輸入電流在3.2mA～4mA之間時(shí)使用補(bǔ)碼來(lái)表示轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。如果輸入的電流小于3.2mA時(shí)，斷線檢測(cè)功能將被激活并且轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)變?yōu)? 000。

2.3 系統(tǒng)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

2.3.1 人機(jī)界面畫(huà)面設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)管理

該系統(tǒng)人機(jī)界面總體設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 人機(jī)界面總體設(shè)計(jì)

（1）電氣參數(shù)界面：顯示測(cè)得的水泵電壓、電流和轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。

（2）參數(shù)設(shè)定界面：設(shè)定采集數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)值以及模擬數(shù)據(jù)采集。

（3）數(shù)據(jù)采集界面：顯示從外界采集并且處理完的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括1＃、2＃、3＃田的溫度、濕度和農(nóng)田中水源的水位。

（4）歷史數(shù)據(jù)顯示畫(huà)面：顯示采集的1＃、2＃、3＃田的溫度、濕度，并以表格的形式顯示出來(lái)，在此畫(huà)面上，還設(shè)置了可以通過(guò)下拉菜單選擇日期查看前一天和當(dāng)天的歷史數(shù)據(jù)，以及可以跳轉(zhuǎn)到趨勢(shì)圖畫(huà)面的功能。

（5）田間情況界面：該畫(huà)面可以看到農(nóng)田中的總體情況和農(nóng)田的整個(gè)畫(huà)面。

（6）監(jiān)控狀況界面：該界面主要實(shí)現(xiàn)對(duì)田間的相關(guān)設(shè)備如水泵、電動(dòng)閥的開(kāi)和關(guān)設(shè)置以及相關(guān)的報(bào)警顯示的設(shè)置。

（7）歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)界面：該界面主要顯示采集到的歷史數(shù)據(jù)的趨勢(shì)圖，從而有助于分析采集到的數(shù)據(jù)，使得采集到的數(shù)據(jù)更形象化地呈現(xiàn)在用戶(hù)面前。

2.3.2 人機(jī)界面的報(bào)警設(shè)計(jì)

人機(jī)界面中的報(bào)警設(shè)置使用事件登錄來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)報(bào)警。例如事件記錄文件名稱(chēng) 為EL＿20070915.evt，即表示此文件記錄2007年9月15日所發(fā)生的事件。

2.3.3 人機(jī)界面的通訊

MT8000所提供的穿透通訊功能允許PC上的應(yīng)用程序透過(guò)HMI直接連接PLC，此時(shí)HMI所扮演的角色類(lèi)似轉(zhuǎn)接器（converter），具體通訊如圖5 所示。

圖5 人機(jī)界面通訊

數(shù)據(jù)目標(biāo)端口（Destination COM Port）是指MT8000與PLC連接的端口，數(shù)據(jù)來(lái)源端口（Source COM Port）是指MT8000與PC連接的端口。在使用穿透功能時(shí)，需正確設(shè)定這兩個(gè)端口的屬性。串行通訊口使用的是9針D型公座。PLC軟件設(shè)置時(shí)需要設(shè)置通訊端口的通訊協(xié)議為Hostlink。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

該軟件部分功能如下：先采集外部各傳感器的信號(hào)并在人機(jī)界面上顯示相關(guān)數(shù)據(jù)，然后判斷是手動(dòng)還是自動(dòng)；如果是手動(dòng)，則執(zhí)行手動(dòng)部分的程序；否則，則執(zhí)行自動(dòng)部分的程序?？偟能浖鞒虉D如圖6 所示。

圖6 軟件流程圖

3.2 各參數(shù)檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)中的自動(dòng)控制模式下，由水位傳感器將田間水位參數(shù)變化成格雷碼形式輸出，傳到控制單元，然后將此格雷碼送入PLC中經(jīng)兩步轉(zhuǎn)換后成為BCD碼與設(shè)置的水位上下限（BCD碼）進(jìn)行比較，如果實(shí)測(cè)田間水位小于設(shè)置的啟動(dòng)水位，則閥門(mén)開(kāi)啟，過(guò)45s閥門(mén)全開(kāi)之后再自動(dòng)開(kāi)啟泵；如果實(shí)測(cè)田間水位大于設(shè)置的停止水位，則此時(shí)泵關(guān)閉，閥門(mén)經(jīng)過(guò)45s延時(shí)后全關(guān)閉。在手動(dòng)控制系統(tǒng)模式中，只需將相應(yīng)的閥門(mén)開(kāi)關(guān)按鈕按下即可控制閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉，同時(shí)閥門(mén)開(kāi)啟之后才能開(kāi)啟泵。在實(shí)際系統(tǒng)中，為防止泵開(kāi)啟之后管道壓力過(guò)大造成管道破裂，可以設(shè)計(jì)成閥門(mén)開(kāi)啟至少3臺(tái)之后才能開(kāi)啟泵，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)管路的效果。其他參數(shù)如溫度、濕度、電壓電流的采集及軟件處理和水位的檢測(cè)方法類(lèi)似。軟件編程系統(tǒng)外部總接線圖如圖7 所示。

圖7 軟件編程系統(tǒng)外部總接線圖

4 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果在觸摸屏的數(shù)據(jù)采集界面上顯示，方便人們對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的觀測(cè)和控制。圖8 為監(jiān)控狀況畫(huà)面，在室內(nèi)就能實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)控制。

圖8 監(jiān)控界面

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