河北農業(yè)大學機電工程學院　張夢

?

基于MCGS的智能滴灌系統(tǒng)設計

河北農業(yè)大學機電工程學院張夢

摘要：我國是用水大國，落后的管理灌溉方式會造成水資源的浪費，開發(fā)節(jié)水新科技十分必要和迫切。MCGS組態(tài)軟件操作簡單，界面友好，可內置控制策略，在自動化領域有著廣泛的應用。通過圖形直接對滴灌現(xiàn)場進行實時監(jiān)控，生成數(shù)據(jù)報表，實時報警，進行數(shù)據(jù)查詢及打印，同時具有生成趨勢曲線的功能，實現(xiàn)滴灌的科學管理。

關鍵詞：MCGS；智能灌溉；界面

項目：保定市科技局項目，15ZG012，基于智能化機井電表的農村灌溉用電管理研究。

引言

智能灌溉系統(tǒng)可以自動測量土壤的濕度、類型、肥力等，再根據(jù)所種植物的種類，自動開啟或關閉滴灌，從而優(yōu)化用水量和施肥量。與傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)相比，智能灌溉系統(tǒng)的成本差不多，灌溉水利用系數(shù)由原來的0.6提高到0.9，可節(jié)水16%到30%。設計合理實用的灌溉智能化監(jiān)控系統(tǒng)，優(yōu)化人機界面，讓種植人員上機就可操作，使之成為俗稱的“傻瓜型”系統(tǒng)，對系統(tǒng)的應用推廣是非常必要的。

1　灌溉管理現(xiàn)狀及存在的問題

我國是用水大國，落后的管理灌溉方式造成水資源的浪費，有關數(shù)據(jù)顯示，我國水資源的70%都用于農業(yè)，農業(yè)用水量達到40Gm3［1-2］。我國農業(yè)比較常見的灌溉方式是機井灌溉，相應的設施也不健全，效率低下，這就導致地下水資源的過度開發(fā)和不合理使用，對灌溉的管理不科學，不成體系。因此，在我國農業(yè)實行灌水自動化，開發(fā)節(jié)水新科技十分必要和迫切，而技術的核心便是如何使得灌溉用水量被精準地計算和控制［3-4］。工控MCGS組態(tài)軟件操作簡單，界面友好，在自動化領域有著廣泛的應用［5-6］。

自20世紀40年代以來，法國、美國、荷蘭、以色列等發(fā)達國家開始研究自動灌溉，并得到很大發(fā)展，取得一系列的成果，有些產品得到了很大程度上的應用。灌溉控制方式從最初的水力控制、機械控制發(fā)展到自動控制、計算機程序控制，并向智能化、自適應化發(fā)展。

2　監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)設計

2.1監(jiān)控總體設計

智能灌溉系統(tǒng)內置了控制策略，控制各個執(zhí)行機構的輸出，實現(xiàn)對各個灌溉分站的分散控制。而面對用戶的核心內容就是人機界面的可視化、友好化的設計與實現(xiàn)。由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分主要包括：計算機、通訊模塊、滴灌設施、溫度傳感器、濕度傳感器等［7］。軟件部分包括：在MCGS環(huán)境下開發(fā)的灌溉監(jiān)控軟件；并將各測量點溫度、濕度轉換成電流信號，經過處理送到數(shù)據(jù)庫中，對其處理運算，得到所需要的數(shù)據(jù)報表、數(shù)據(jù)曲線、報警信息及歷史報表等。

2.2工程建立流程

根據(jù)不同植物的生長環(huán)境需求，采用KCET0，即作物系數(shù)-參考作物需水量法，設計了滴灌智能化控制系統(tǒng)［8］。滴灌水肥一體化技術具有節(jié)水節(jié)肥、節(jié)省勞力、便于規(guī)?；詣庸芾?，并且能提高經濟效益，水肥高效耦合的優(yōu)勢。設計了有效便捷的控制系統(tǒng)，由溫度傳感器和濕度傳感器分別檢測土壤環(huán)境溫濕度。每個區(qū)域分別設置不同個數(shù)的水泵的啟動、停止控制。利用MCGS開發(fā)環(huán)境和 Microsoft Access數(shù)據(jù)庫，對上位機管理軟件進行框架設計和主要功能開發(fā)。本系統(tǒng)在實驗室進行實驗，對實驗數(shù)據(jù)進行分析。

圖1　工程建立流程

3　模塊功能實現(xiàn)

設計對作物需水信息進行實時采集、監(jiān)測與控制的硬件設備；智能控制器是這個控制系統(tǒng)的主體部分，采用PLC完成生產現(xiàn)場的模擬和開關數(shù)據(jù)采集，根據(jù)內置的控制策略，控制各個執(zhí)行機構的輸出，實現(xiàn)對各個灌溉分站的分散控制。

設計合理實用的作物需水信息控制方法是智能灌溉控制的核心。智能灌溉系統(tǒng)是根據(jù)外界環(huán)境的變化，將與植物需水相關的參數(shù)（溫度、相對濕度、降雨量、風力等）傳送到上位機，結合KCET0，即先利用多種影響因素數(shù)據(jù)計算出參考作物需水量（ET0），再根據(jù)作物需水系數(shù)（KC）對其進行修正，進而得到實際作物需水量（ET），經調節(jié)器進行PI運算后，發(fā)出指令給相關執(zhí)行機構實施灌溉的一種自動化滴灌方式。

ET=KC·ET0

式中，ET0：參考作物需水量；KC：綜合作物系數(shù)。

智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)是否實用通過可視化、友好化的人機界面的設計實現(xiàn)。上位機采用MCGS為發(fā)開軟件，在MCGS開發(fā)界面、構造數(shù)據(jù)庫、定義外部設備、從控制對象中采集數(shù)據(jù)、并存儲到Microsoft Access后臺數(shù)據(jù)庫中，集數(shù)據(jù)采集存儲、數(shù)據(jù)傳輸、實時顯示、數(shù)據(jù)報表、趨勢曲線、實時監(jiān)控、參數(shù)設置、系統(tǒng)管理、打印等功能于一體［9］。

圖2　實時控制界面

實時監(jiān)控模塊可以直接通過圖形直接對灌溉現(xiàn)場進行實時監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)有手動自動工作狀態(tài)、執(zhí)行機構運行狀態(tài)，并且下達和傳輸控制參數(shù)，同時可遠程控制水泵、閥門等。

數(shù)據(jù)管理模塊把采集到的多個智能控制器的數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫中。MCGS中，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)表的拷貝、存盤數(shù)據(jù)提取以及生成進行實時數(shù)據(jù)顯示等功能，可根據(jù)生成的數(shù)據(jù)報表（實時數(shù)據(jù)報表、歷史數(shù)據(jù)報表），進行數(shù)據(jù)查詢及打印，同時具有生成趨勢曲線（實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線）的功能。

圖3　數(shù)據(jù)顯示界面

4　結語

滴灌監(jiān)控系統(tǒng)集中管理，實用精準的上位機軟件，實現(xiàn)對滴灌控制設備各種信號的監(jiān)測和處理。設置環(huán)境參數(shù)限值，提供報警功能，避免了干旱或過量灌溉等問題，實現(xiàn)了安全管理。運行穩(wěn)定，具有良好的通用性，界面操作簡單，結果顯示直觀，易學易用，數(shù)據(jù)查詢速度快。以動畫顯示、流程控制、實時曲線、歷史曲線、報表輸出和報警處理等多種方式向用戶提供解決實際的智能滴灌管理方案。

參考文獻：

［1］高美晶.基于組態(tài)王的灌溉井群遠程監(jiān)控系統(tǒng)上位機設計與實現(xiàn)［D］.東北農業(yè)大學，2014.

［2］張慧，胡志剛.基于觸摸屏的植物灌溉PLC控制系統(tǒng)設計［J］.機械工程與自動化，2014，06∶168-170.

［3］李偉.基于PLC技術的自動化灌溉施肥系統(tǒng)的設計 ［J］.農機化研究，2011，09∶107-109.

［4］陳智芳，王景雷，劉祖貴，宋妮.基于WebGIS的多指標灌溉信息管理系統(tǒng)［J］.中國農業(yè)科學，2013，09∶1781-1789.

［5］吳崢.基于MCGS組態(tài)軟件與PLC的自動供水系統(tǒng)設計與實現(xiàn) ［D］.廈門大學，2013.

［6］胡金山，王熙.基于PLC、MCGS組態(tài)技術的北方寒地溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計［J］.江蘇農業(yè)科學，2015，10∶510-512.

［7］張家源，朱燕琴，張建華.工控MCGS組態(tài)軟件在農業(yè)灌溉信息化管理工程中的應用 ［J］.甘肅農業(yè)大學學報，2007，05∶138-142.

［8］彭曉云.農田節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)的設計［D］.河北農業(yè)大學，2014.

［9］牟淑杰.MCGS和PLC在智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)中的應用研究［J］.安徽農業(yè)科學，2011，07∶4258+4275.