魏 強(qiáng)，田思慶，李 帥，張炳權(quán)

(佳木斯大學(xué) ，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

水是人類生存與發(fā)展不可缺少的重要資源，根據(jù)我國(guó)農(nóng)業(yè)部的最新調(diào)查，我國(guó)近年來平均每年的總用水量為5 500億m3，其中61.4%用于農(nóng)業(yè)灌溉，而我國(guó)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉方式對(duì)水資源的利用率僅有45%，造成了水資源的極大浪費(fèi)。滴灌技術(shù)作為最節(jié)水的灌溉方法之一，在我國(guó)的推廣程度仍然很低，我國(guó)對(duì)成本低，容易推廣使用的自動(dòng)滴灌系統(tǒng)的需求十分迫切[1]。

滴灌作為一種節(jié)水灌溉方式，具有很多其他灌溉方式所不具備的優(yōu)點(diǎn)，它不僅能節(jié)約水資源和勞動(dòng)量，同時(shí)由于它單次注水量少，因此可以保持大棚內(nèi)溫度，降低大棚內(nèi)濕度和防止病蟲害發(fā)生。本課題設(shè)計(jì)的智能滴灌控制系統(tǒng)，綜合考慮種植區(qū)光照強(qiáng)度和植物生長(zhǎng)土壤濕度兩個(gè)因素，采用模糊控制規(guī)則，保證給予作物足夠水分生長(zhǎng)的同時(shí)，最大程度的節(jié)約水資源和減少其他能源的損耗。

1 智能滴灌控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本課題設(shè)計(jì)的智能滴灌控制系統(tǒng)主要應(yīng)用于大棚種植，其過程控制系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)有三路架設(shè)在大棚地表土壤上方帶有毛細(xì)滴灌口的滴灌管道，每一根滴灌管道負(fù)責(zé)一壟作物，管道上的毛細(xì)滴灌口的間距可根據(jù)作物生長(zhǎng)的土壤條件和作物的生長(zhǎng)特性在0.3 m到1.5 m之間選擇。每一壟植物滴灌管道附近土壤中埋設(shè)有3個(gè)土壤濕度傳感器，以用來檢測(cè)作物生長(zhǎng)的土壤濕度。在大棚內(nèi)安裝光照強(qiáng)度傳感器，用來檢測(cè)大棚內(nèi)光照強(qiáng)度。在連接滴灌支路和滴灌干路上安裝比例電磁閥，通過控制比例電磁閥的開度，可以調(diào)節(jié)滴灌管道支路中的給水流量，從而改變滴灌速度[2]。在滴灌干路上安裝有出水泵，通過變頻器改變出水泵的轉(zhuǎn)速，以保證不同需水情況下，滴灌系統(tǒng)水流壓力的恒定。用于儲(chǔ)存水及過濾雜物的儲(chǔ)水罐中，裝有用于檢測(cè)罐內(nèi)水位的液位開關(guān)，以及進(jìn)水閥門等。

圖1 智能滴灌過程控制系統(tǒng)

智能滴灌控制系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)主要包括西門子KTP700basic觸摸屏，西門子PLC1200，模擬量輸入/輸出拓展模塊SM1234，西門子G120變頻器以及若干控制器開關(guān)和交流接觸器等。通過Profnet通訊方式將PLC、觸摸屏、變頻器通訊連接，土壤濕度傳感器和光照度傳感器測(cè)量的模擬量信號(hào)連接到SM1234模塊中。系統(tǒng)中部分?jǐn)?shù)字量及模擬量輸入如表1所示，數(shù)字量及模擬量輸出如表2所示?？刂破鱌LC1200電氣接線如圖3所示。

圖2 智能滴灌控制系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)圖

PLC輸入地址定義I0．0電源開關(guān)I0．1液位高位開關(guān)I0．2液位中位開關(guān)I0．3液位低位開關(guān)ID0土壤濕度傳感器1ID4土壤濕度傳感器2ID8土壤濕度傳感器3ID12土壤濕度傳感器4ID16土壤濕度傳感器5

2 智能滴灌控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 智能滴灌控制系統(tǒng)控制規(guī)則

本課題設(shè)計(jì)的智能滴灌控制系統(tǒng)主要由3個(gè)控制部分組成。其中，第一部分綜合某一滴灌管道附近的土壤濕度和光照強(qiáng)度兩個(gè)信號(hào)控制該滴灌支路比例電磁閥的開度；第二部分綜合三路滴灌支路上比例電磁閥的開度狀況控制出水泵的轉(zhuǎn)速；第三部分通過儲(chǔ)水罐中液位開關(guān)和出水泵轉(zhuǎn)速控制進(jìn)水閥的開閉。本系統(tǒng)設(shè)有可相互轉(zhuǎn)換的手動(dòng)和自動(dòng)控制方式，其中自動(dòng)控制方式流程如圖4所示。

表2 智能滴灌控制系統(tǒng)PLC輸出地址及含義

圖3 控制器PLC1200電氣接線

圖4 系統(tǒng)自動(dòng)控制方式流程圖

第一控制部分,根據(jù)專家和操作人員的經(jīng)驗(yàn)在人機(jī)界面中設(shè)定好適宜作物生長(zhǎng)的土壤濕度范圍和光照強(qiáng)度范圍。模糊控制規(guī)則中以土壤濕度和光照強(qiáng)度兩個(gè)參數(shù)為輸入量，比例電磁閥的開度為輸出量。制定模糊控制規(guī)則調(diào)節(jié)比例電磁閥的開度以改變滴灌支路的給水流量，從而調(diào)節(jié)滴灌速度。設(shè)定的模糊控制規(guī)則輸入范圍[低，中，高],分別對(duì)應(yīng)：“低于設(shè)定土壤濕度(光照強(qiáng)度)下限”；“處于土壤濕度(光照強(qiáng)度)下限與上限之間”；“高于土壤濕度(光照強(qiáng)度)上限”。輸出范圍[關(guān)閉，半開，全開]，對(duì)應(yīng)比例電磁閥3個(gè)狀態(tài)。根據(jù)土壤濕度和光照強(qiáng)度狀況控制比例電磁閥開合程度模糊控制規(guī)則如表3。

表3 濕度、光照強(qiáng)度控制比例電磁閥開度模糊控制規(guī)則表

該系統(tǒng)第二控制部分是通過三路比例電磁閥開度去控制出水泵轉(zhuǎn)速，以保持管道內(nèi)的有充足的水壓進(jìn)行滴灌。其中，該模糊控制規(guī)則的3個(gè)輸入分別為：管路1電磁閥開度,管路2電磁閥開度，管路3電磁閥開度，其中定義的輸入范圍[0，0.5，1],分別對(duì)應(yīng)比例電磁閥的3個(gè)開度[關(guān)閉，半開，全開]；輸出為出水泵轉(zhuǎn)速，輸出范圍為[0,200,400,600,800,1 000] r/min。滴灌支路電磁閥控制電機(jī)轉(zhuǎn)速規(guī)則如表4。

該系統(tǒng)第三控制部分結(jié)合液位低、中、高和出水泵轉(zhuǎn)速控制進(jìn)水電磁閥個(gè)數(shù)，以防止滴灌供水不足和水過量溢出。該模糊控制規(guī)則中兩個(gè)輸入量分別為出水泵轉(zhuǎn)速和液位出水泵轉(zhuǎn)速的輸入范圍分別對(duì)應(yīng)[0,200,400,600,800,1 000] r/min，液位的輸入范圍[L,M,H]分別對(duì)應(yīng)：[低于液位下限，處于液位上限和下限之間，高于液位上限]。輸出量為電磁閥的開啟個(gè)數(shù)，輸出范圍[1,2,3]對(duì)應(yīng)[開啟一個(gè)進(jìn)水閥，開啟兩個(gè)進(jìn)水閥，開啟3個(gè)進(jìn)水閥]，具體控制規(guī)則如表5。

表4 滴灌支路電磁閥開度控制電機(jī)轉(zhuǎn)速規(guī)則表

表5 液位和出水泵轉(zhuǎn)速控制進(jìn)水閥開啟個(gè)數(shù) 個(gè)

3.2 智能滴灌系統(tǒng)軟件

本課題設(shè)計(jì)的智能滴灌控制系統(tǒng)采用西門子公司新推出的PortolV13軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)編程，該軟件可以同時(shí)對(duì)PLC、HMI、變頻器設(shè)備程序進(jìn)行編寫設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)顯示界面主要包括：手動(dòng)控制界面、主參數(shù)顯示界面、系統(tǒng)故障報(bào)警界面、歷史數(shù)據(jù)報(bào)表界面和實(shí)時(shí)曲線界面[3]。

手動(dòng)控制界面中設(shè)定了比例電磁閥、出水泵及進(jìn)水閥的開關(guān)控制按鈕，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)之前可以通過手動(dòng)控制界面的控制開關(guān)按鈕，來檢測(cè)系統(tǒng)各個(gè)執(zhí)行部件是否能運(yùn)行正常。并且在系統(tǒng)自動(dòng)控制流程出現(xiàn)問題時(shí)，可以通過手動(dòng)按鈕來控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件，及時(shí)阻止不正常運(yùn)行，防止出現(xiàn)較大的損失。

主參數(shù)顯示界面主要根據(jù)土壤濕度傳感器和光照強(qiáng)度傳感器在線顯示大棚作物的土壤濕度和大棚內(nèi)的光照強(qiáng)度，以利于操作人員隨時(shí)了解大棚內(nèi)土壤濕度和光照強(qiáng)度，并且通過字體顏色的不同表征土壤干燥程度和光照強(qiáng)度，以便操作人員采取措施。主參數(shù)顯示界面如圖5所示。

圖5 智能滴灌控制系統(tǒng)主參數(shù)顯示界面

歷史數(shù)據(jù)報(bào)表界面可以把采集到的土壤濕度、光照強(qiáng)度、比例電磁閥的開合程度，以及出水泵的轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，并生成歷史數(shù)據(jù)報(bào)表.該系統(tǒng)同時(shí)支持U盤導(dǎo)出，工作人員可以通過輸入時(shí)間范圍方便地查詢各個(gè)時(shí)期的歷史數(shù)據(jù)，為日后系統(tǒng)優(yōu)化以及農(nóng)業(yè)研究提供了寶貴的數(shù)據(jù)資源[4]。

在報(bào)警界面中，系統(tǒng)通過定期時(shí)間掃描監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中各個(gè)傳感器測(cè)量值是否超出其檢測(cè)范圍,判定傳感器是否損壞，以及管道是否發(fā)生堵塞，以及無(wú)法正常對(duì)大棚內(nèi)作物進(jìn)行正常灌溉等故障。

參數(shù)設(shè)定界面可以根據(jù)不同作物對(duì)陽(yáng)光和水資源的需求不同，設(shè)定適合作物生長(zhǎng)的土壤濕度和光照強(qiáng)度范圍，以利于植物的正常生,同時(shí)考慮到節(jié)氣不同對(duì)滴灌時(shí)間長(zhǎng)度要求也不同，而設(shè)定了每天滴灌起止時(shí)間范圍。具體參數(shù)設(shè)定界面如圖6所示。

圖6 智能滴灌控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定界面

4 結(jié) 論

基于 PLC和HMI 的智能滴灌控制系統(tǒng)使用效果良好，設(shè)計(jì)程序通過對(duì)大棚內(nèi)作物生長(zhǎng)土壤濕度、光照強(qiáng)度變化，智能的對(duì)農(nóng)作物滴灌量和滴灌時(shí)間的進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大棚內(nèi)作物滴灌的智能化和自動(dòng)化，減少了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也有效地節(jié)約了水資源和其他損耗類資源[5]。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本低，可靠地硬件和完善的程序保證了系統(tǒng)的可靠性， 設(shè)定滴灌時(shí)間控制保證減少了對(duì)滴管設(shè)備的和電力資源的損耗，并且調(diào)試維護(hù)簡(jiǎn)單，具有廣闊的應(yīng)用前景和使用價(jià)值。

[1] 牟淑杰.MCGS和PLC在智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,39(7):4 258,4 275.

[2] 張 力,張 凱,張杰武. 新型滴灌系統(tǒng)及附屬設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用[J]. 中國(guó)農(nóng)村水利水電,2013,(4):62-63.

[3] 于 輝,紀(jì)建偉,李征明,等. 北方溫室微環(huán)境在線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程,2012,12(2):12-15.

[4] 孫文志. PLC在大棚自動(dòng)生產(chǎn)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用與實(shí)踐[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2011,39(1):471-472.

[5] 朱海龍,吳開華,趙偉杰. 模糊控制在太陽(yáng)能自動(dòng)灌溉系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 機(jī)電工程,2012,11,29(11):1 310-1 313.