程 巖，王新坤， 朱燕翔，楊玉超

(江蘇大學(xué)流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心 ，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

微潤灌溉將半透膜技術(shù)原理引入灌溉領(lǐng)域，其工作壓力比較小，因此特別適用于溫室大棚及丘陵山區(qū)等地的作物灌溉，并且運(yùn)營成本比較低，節(jié)水效果非常明顯，在相對缺水比較嚴(yán)重的地區(qū)應(yīng)用比較廣泛。由于偏遠(yuǎn)山區(qū)勞動力稀少，因而實(shí)現(xiàn)微潤灌溉自動控制具有十分重要的作用[1,2]。

本文選用可編程邏輯控制器[3-5]，控制電磁閥來對水箱進(jìn)行適時(shí)加水。由于微潤帶在不同的工作壓力下，向外滲水量不同，因而根據(jù)作物對水的需求量，控制水箱內(nèi)液位與微潤帶之間的高度，形成壓力差作為系統(tǒng)的工作壓力。因?yàn)楣ぷ髦芷谳^長，系統(tǒng)的執(zhí)行元件選用電磁閥，根據(jù)控制器發(fā)出的命令，將水箱液位高度控制在設(shè)定范圍，使得實(shí)際工作壓力在微潤帶所需工作壓力基礎(chǔ)上作微小的波動，則微潤帶的滲水量即可滿足作物的需水量，在節(jié)約用水的基礎(chǔ)上，對作物的灌溉更加合理。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件

該系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)主要由可編程邏輯控制器、水箱、進(jìn)水閥、出水閥和液位傳感器組成。出水閥為普通球閥，連接微潤帶，實(shí)現(xiàn)向微潤帶24 h不間斷地供水。進(jìn)水閥選用電磁閥，當(dāng)閥門通電時(shí)，電磁線圈會產(chǎn)生較大的電磁力，電磁力把閥門的關(guān)閉件從閥座上提起，此時(shí)閥門便打開，向水箱供水；斷電時(shí)，電磁力就會消失，電磁閥內(nèi)部的彈簧會把關(guān)閉件壓在閥座上，則閥門關(guān)閉，停止向水箱供水。在系統(tǒng)工作時(shí)，出水閥不受控制器控制，控制器只控制進(jìn)水閥。水箱上下限值根據(jù)作物對水位的需求設(shè)定，當(dāng)水位低于設(shè)定值的下限，打開進(jìn)水閥，向水箱中供水；當(dāng)水位高于設(shè)定值的上限，關(guān)閉進(jìn)水閥，停止向水箱中供水。循環(huán)往復(fù)，可以實(shí)現(xiàn)水箱在設(shè)定的高度范圍內(nèi)，使灌溉更加具有理論依據(jù)。液位傳感器為檢測裝置，檢測水箱液位的實(shí)時(shí)高度，傳感器輸出為4～20 mA的電流模擬信號，測量范圍為1～1000 mm。

控制器選用可編程邏輯控制器，是系統(tǒng)的核心部分。實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)信號的采集、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸與處理。當(dāng)液位傳感器檢測到水箱液位時(shí)，向控制器發(fā)出電流信號，控制器中的A/D轉(zhuǎn)換模塊對采集到的模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到直觀的數(shù)字信號，并將數(shù)字信號傳輸給控制器的內(nèi)部寄存器，對比水箱液位實(shí)際值與設(shè)定值的大小，通過比較的結(jié)果，向進(jìn)水閥發(fā)出開閉信號，進(jìn)而控制水箱液位的高度。

1.2 系統(tǒng)工作原理[6,7]

該系統(tǒng)為一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制方框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)方框圖

控制器選用可編程邏輯控制器，即PLC，是系統(tǒng)核心元件。電磁閥為執(zhí)行元件，負(fù)責(zé)對水箱加水。被控對象為水箱，用來存儲水源。液位傳感器是檢測裝置，也是系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)，將實(shí)際水位的高度實(shí)時(shí)反饋給控制器。整個(gè)系統(tǒng)形成一個(gè)完整的閉合回路。

系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，水箱中液位低于設(shè)定值下限，液位傳感器檢測到液位值，將壓力信號轉(zhuǎn)換成電流信號，再將電流信號反饋給控制器PLC，控制器PLC通過其擴(kuò)展模塊將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，比較當(dāng)前液位值與設(shè)定值下限，觸發(fā)PLC輸出線圈，使電磁閥打開，電磁閥便開始向水箱中加水，水箱液位不停地上升。當(dāng)水箱液位值高于設(shè)定值上限時(shí)，液位傳感器將檢測信號反饋給控制器，控制器的輸出線圈斷開，電磁閥將不再通電，電磁閥門關(guān)閉，水箱液位由于出水閥的流出不停地降低，直到低于液位設(shè)定值的下限，控制器再次觸發(fā)輸出線圈，打開電磁閥門。周而復(fù)始，系統(tǒng)液位將控制在設(shè)定值的上下限范圍內(nèi)，達(dá)到灌溉作物的效果。

2 控制系統(tǒng)模型建立

建立被控對象的數(shù)學(xué)模型通常分為2種，一種是機(jī)理法，另一種是試驗(yàn)法。試驗(yàn)法是以試驗(yàn)為基礎(chǔ)尋找出模型的輸入輸出關(guān)系，得出輸入輸出的模型表達(dá)式。通常在輸入輸出之間的關(guān)系不易分析或者無法分析的情況下，采用試驗(yàn)法。試驗(yàn)法得出的模型結(jié)果比較直觀，同時(shí)也是在實(shí)際的基礎(chǔ)上得到，正確性得到保證，有較強(qiáng)的說服力。而機(jī)理法則是分析模型的關(guān)系，得出系統(tǒng)的模型。因此，只有當(dāng)對系統(tǒng)的過程非常了解的情況下，才可以使用機(jī)理法求解系統(tǒng)模型。

2.1 系統(tǒng)模型的建立[8]

在本系統(tǒng)中，采用電磁閥的開閉來控制水箱液位，系統(tǒng)整個(gè)過程十分清晰，選用機(jī)理法便可以求解系統(tǒng)模型[9]。該系統(tǒng)為一個(gè)非線性控制系統(tǒng)，其輸入輸出的關(guān)系如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)模型

系統(tǒng)中，電磁閥的工作狀態(tài)只有2種：打開與閉合。用數(shù)字形式表示，當(dāng)電磁閥打開時(shí)，電磁閥輸出y=1；當(dāng)電磁閥關(guān)閉時(shí)，電磁閥輸出y=0。當(dāng)液位處于上升階段時(shí)，只需要比較當(dāng)前水位值與設(shè)定值上限的大小，即電磁閥一直處于打開狀態(tài)，直到液位值超過設(shè)定值上限，電磁閥立即關(guān)閉，而設(shè)定值下限值不予考慮；當(dāng)液位處于下降階段時(shí)，只需要比較當(dāng)前水位值與設(shè)定值下限的大小，即電磁閥一直處于關(guān)閉狀態(tài)，直到液位值低于設(shè)定值下限，電磁閥立即關(guān)閉，而設(shè)定值上限值不予考慮。系統(tǒng)的工作過程十分清晰。

2.2 控制模型的數(shù)學(xué)表示

為了更簡潔、清晰地描述系統(tǒng)控制模型，用變量h表示液位高度，h1表示設(shè)定值下限，h2表示設(shè)定值的上限，y表示電磁閥的輸出狀態(tài)，z表示液位的狀態(tài)，即液位是處于上升狀態(tài)還是處于下降狀態(tài)。

假定當(dāng)液位處于上升階段時(shí)z=1，當(dāng)液位處于下降狀態(tài)時(shí)z=0，于是，可根據(jù)液位的狀態(tài)來描述系統(tǒng)的模型。

(1)液位處于上升階段，即z=1：

(2)液位處于下降階段，即z=0：

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件通常包括編程環(huán)境、具體算法實(shí)現(xiàn)、程序調(diào)試以及與上位機(jī)通訊。

3.1 編程軟件

系統(tǒng)編程軟件采用信捷XCPPro軟件，該軟件包括梯形圖語言與命令語言，且2種語言可以相互交換。并且可實(shí)現(xiàn)利用 C 語言來編寫功能塊的功能，編輯好的功能塊可以在程序中隨意調(diào)用，保密性好，適用性強(qiáng)，同時(shí)也減小了編程的工作量。同時(shí)還支持多種通訊方式，如基本的 Modbus 通訊、CANBUS 通訊、自由格式通訊等。

3.2 系統(tǒng)主要流程

系統(tǒng)流程如圖4所示。PLC上電時(shí)，先對液位值進(jìn)行采集，再輸入設(shè)定值h1與h2。在整個(gè)過程中，出水閥不受控制器的控制，出水閥一直是常開狀態(tài)，所以當(dāng)進(jìn)水閥關(guān)閉時(shí)，液位在不停地下降，而由于出水閥的出水流量小于進(jìn)水閥的進(jìn)水流量，當(dāng)進(jìn)水閥與出水閥同時(shí)工作時(shí)，水箱里的液位高度是不斷上升的。再對變量進(jìn)行初始化，讓y=1，z=1，即水箱中液位處于上升階段，電磁閥打開，向水箱加水，水箱中液位在慢慢上升，直到液位高度超過h2，即設(shè)定值的上限。此時(shí)z=0，y=0，電磁閥門關(guān)閉，進(jìn)水閥門不再向水箱供水，而出水閥門一直打開，則水箱中液位一直位于下降狀態(tài)，一直下降到設(shè)定值的下限值，電磁閥再次打開，向水箱加水，液位再次處于上升階段。循環(huán)往復(fù)，水箱中液位高度將一直處于設(shè)定值的范圍。

圖4 算法設(shè)計(jì)流程

3.3 系統(tǒng)主要程序

由圖4可以得知，液位值與設(shè)定值的比較在PLC編程語言中很容易表示，但是當(dāng)液位處于上升階段或是下降階段時(shí)，由于控制器并沒有如此強(qiáng)大的識別功能可以自動檢測出液位當(dāng)前狀態(tài)，因此，可以采用2種方法：①用比較指令：每隔一段時(shí)間采集一個(gè)液位值，比較2個(gè)值的大小判斷液位的狀態(tài)；②對設(shè)定值加入脈沖信號，即利用設(shè)定值的上升沿與下降沿來判斷液位的狀態(tài)。本文采用第2種方法，對水箱液位高度進(jìn)行控制，控制程序如圖5所示。圖5中，D0、D68、D70為數(shù)據(jù)寄存器，分別代表實(shí)時(shí)液位值、設(shè)計(jì)液位上限、設(shè)計(jì)液位下限；M2、M5、M7為輔助繼電器；Y1為輸出線圈，與電磁閥相連，代表電磁閥的狀態(tài)。控制程序中，采用了比較指令。首先比較實(shí)時(shí)液位值與設(shè)計(jì)液位上限，當(dāng)實(shí)時(shí)液位值超過設(shè)計(jì)液位值時(shí)，輔助繼電器M2接通，Y1處于復(fù)位狀態(tài)，即電磁閥一直處于關(guān)閉狀態(tài)，水箱液位一直下降；當(dāng)水箱實(shí)時(shí)液位值下降到低于設(shè)計(jì)液位下限時(shí)，輔助繼電器M7接通，Y1處于置位狀態(tài)，電磁閥一直處于開啟狀態(tài)，水箱液位一直上升，直到實(shí)時(shí)液位值再次高過設(shè)計(jì)液位上限，電磁閥關(guān)閉，周而復(fù)始，水箱液位值一直處于設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

圖5 程序控制圖

3.4 PLC與上位機(jī)通信[10]

系統(tǒng)軟件部分包括上位監(jiān)控軟件,下位PLC控制軟件。上位監(jiān)控選用組態(tài)王軟件編寫，組態(tài)王可以提供比較成熟的人機(jī)交互平臺，不僅可以對系統(tǒng)一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)還可以觀測現(xiàn)場的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，對某些相對重要的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。而且，組態(tài)王與信捷PLC都支持Modbus 串口通訊。

組態(tài)王與PLC的通訊，將PLC 編程口與計(jì)算機(jī)的RS232串口進(jìn)行連接， PLC 的通訊參數(shù)與組態(tài)王相應(yīng)參數(shù)設(shè)置一致，PLC 參數(shù)設(shè)置需要使用說明書中的通訊參數(shù)，波特率為192 00 B/s，數(shù)據(jù)長度為8位，停止長度為1 位，奇偶校驗(yàn)位為偶校驗(yàn)，同時(shí)要與組態(tài)王的串口設(shè)置一致，在組態(tài)王通訊模式中，選擇Modbus RTU串口通訊。組態(tài)王與PLC通訊參數(shù)設(shè)置如圖6所示。

圖6 組態(tài)王參數(shù)設(shè)置

4 試驗(yàn)與結(jié)論

根據(jù)灌溉的需求，設(shè)定水位上限值為1 489 mm，下限值為1 509 mm，水箱放置在距離地面1 m高的水平架子上。編輯組態(tài)畫面，監(jiān)控水箱液位的實(shí)際值。運(yùn)行PLC控制程序，并與組態(tài)進(jìn)行通訊，得出水箱液位值如圖7所示。圖7中，紅線為設(shè)定值上限，藍(lán)線為設(shè)定值下限，綠線為水箱液位的實(shí)際值。從圖7中可以看出，水箱液位高度一直在設(shè)定值范圍內(nèi)，說明了系統(tǒng)模型與控制程序都正確，也驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。用控制器PLC來控制水箱液位，可以很好地將水箱液位控制在設(shè)定范圍內(nèi)。將該設(shè)備應(yīng)用在微潤灌溉系統(tǒng)中，不僅可以解決勞動力問題，還可以根據(jù)壓力水頭的理論值通過微潤帶對作物進(jìn)行滲水，使灌溉效果更加合理化。微潤灌溉的自動控制，大大提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了勞動力，具有較高的應(yīng)用與推廣前景。

圖7 水箱液位高度

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