田思慶 曹 宇 姜永成 魏 強(qiáng) 張炳權(quán)

?

基于PLC技術(shù)的智能滴灌控制系統(tǒng)

田思慶 曹 宇 姜永成 魏 強(qiáng) 張炳權(quán)

根據(jù)大棚內(nèi)作物對灌溉的需求，把毛細(xì)滴管口安裝在作物根系旁邊，設(shè)計(jì)了一套由PLC控制的智能滴灌控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以土壤濕度、光照強(qiáng)度、水溫和時(shí)間為條件，根據(jù)模糊控制規(guī)則控制水管壓力和速度進(jìn)行精細(xì)滴灌。該系統(tǒng)具有操作便利，運(yùn)行穩(wěn)定，易于維護(hù)，成本低、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。

滴灌技術(shù)作為目前最先進(jìn)的灌溉用水技術(shù)，在我國使用率偏低，所以滴灌技術(shù)在我國推廣使用具有廣泛的前景。滴灌是用專門的管道系統(tǒng)和設(shè)備將低壓水通過半徑約5mm毛管上的孔口或滴頭送到作物根部土壤中的一種灌溉方法。具備很多其他灌溉方式所不具備的特點(diǎn)。滴灌能節(jié)約用水，加速農(nóng)作物生長，尤其適合溫室大棚作物的生長。在溫室大棚作物的生長過程中，環(huán)境的溫度和濕度對作物的生長起著至關(guān)重要的作用，由于晝夜溫差大，對作物的生長不利，因此只有給作物一個(gè)合適的生長環(huán)境才能促進(jìn)作物的生長。滴灌在工作過程中用水量少，可以很好的保持溫室大棚內(nèi)的溫度，并且可以使溫室大棚內(nèi)濕度降低，給作物生長提供了一個(gè)非常好的生長環(huán)境。

智能滴灌控制系統(tǒng)

智能滴灌控制系統(tǒng)主要應(yīng)用于溫室大棚，其控制系統(tǒng)工藝流程如下圖1所示。將毛細(xì)滴管口安裝在作物的根系附近。本課題設(shè)計(jì)的系統(tǒng)裝置包括四根滴灌管道（滴灌管道的數(shù)量可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)膭h減或增加），滴灌管道上的毛細(xì)滴管口間距應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件，土壤質(zhì)地和作物品種及種植間距的不同可在0.25m到3m之間自由選擇。太陽能加熱控制系統(tǒng)，通過太陽能對灌溉水進(jìn)行加溫調(diào)控，可以快速將灌溉水調(diào)到理想的溫度，節(jié)約能源，利于作物的生長。12個(gè)土壤濕度檢測傳感器（每一壟植物滴灌管道腹肌土壤中設(shè)有3個(gè)土壤濕度傳感器），使用土壤濕度檢測傳感器的數(shù)量在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)滴灌管道的長度來進(jìn)行適當(dāng)增加和刪減，從經(jīng)濟(jì)性的角度建議可以適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行有線土壤濕度傳感器和無線土壤濕度傳感器進(jìn)行搭配使用，效果更加。4個(gè)電磁閥的作用是用來控制各個(gè)滴灌區(qū)滴灌管道水流的壓力和流量，保證滴灌的均勻和穩(wěn)定。在大棚內(nèi)安裝光照強(qiáng)度傳感器，用來檢測大棚內(nèi)的光照強(qiáng)度，在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)滴灌管道支路中的出水流量，從而改變滴灌出水速度。并在滴灌干路上安裝出水泵，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。用于儲存水及過濾雜物的儲水罐中，裝有用于檢測罐內(nèi)水位的液位開關(guān)，以及進(jìn)水閥門等。此系統(tǒng)能夠定時(shí)、定量、準(zhǔn)確的補(bǔ)給作物散失的水分，不僅可以節(jié)約水資源，而且可以可以控制滴灌速度，對作物生長有很大的幫助。

控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電氣結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)當(dāng)?shù)卮笈飪?nèi)作物的要求，本系統(tǒng)選用臺達(dá)DOP-B07S411觸 摸 屏， 臺 達(dá)PLC E2列DVP16EH00R2，模擬輸入/輸出模塊DVP04ADH2，臺達(dá)VFD002L21A變頻器，以及若干控制開關(guān)和交流接觸器等。通過RS-485總線將PLC、觸摸屏、變頻器建立通訊連接，將土壤濕度傳感器、水溫和光照度傳感器返回的模擬量信號傳入DVP04AD-SL模塊中。智能滴灌控制系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)如圖2所示，控制器DVP16EH00R2的電氣接線如圖3所示。

PLC輸入和輸出地址分配

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。

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

模糊控制規(guī)則

根據(jù)溫室大棚作物生長的規(guī)律綜合考慮該系統(tǒng)分為自動和手動2種控制方式，手動運(yùn)行可以開停滴灌控制器，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但一般在緊急條件下應(yīng)用。自動控制系統(tǒng)包含彼此之間相互聯(lián)系的四個(gè)部分。

部分一：以土壤濕度檢測信號與給定值的偏差，根據(jù)制定的滴灌管道附近的土壤濕度和光照強(qiáng)度為模糊規(guī)則，通過PLC去控制比例電磁閥的開關(guān)以及閥門開度，進(jìn)而控制滴灌壓力與速度?？刂埔?guī)則如下：

圖1　智能滴灌過程控制系統(tǒng)

圖2　智能滴灌控制系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)圖

圖3　控制器DVP16EH00R2電氣接線圖

（1）當(dāng)土壤濕度為低，光照強(qiáng)度為低時(shí)，閥門開度為半開狀態(tài)；

（2）當(dāng)土壤濕度為低，光照強(qiáng)度為中時(shí)，閥門開度為全開狀態(tài)；

（3）當(dāng)土壤濕度為低，光照強(qiáng)度為高時(shí)，閥門開度為全開狀態(tài)；

（4）當(dāng)土壤濕度為中，光照強(qiáng)度為低時(shí)，閥門開度為關(guān)閉狀態(tài)；

（5）當(dāng)土壤濕度為中，光照強(qiáng)度為中時(shí)，閥門開度為半開狀態(tài)；

（6）當(dāng)土壤濕度為中，光照強(qiáng)度為高時(shí)，閥門開度為全開狀態(tài)；

（7）當(dāng)土壤濕度為高，光照強(qiáng)度為低時(shí)，閥門開度為關(guān)閉狀態(tài)；

（8）當(dāng)土壤濕度為高，光照強(qiáng)度為中時(shí)，閥門開度為關(guān)閉狀態(tài)；

（9）當(dāng)土壤濕度為高，光照強(qiáng)度為高時(shí)，閥門開度為半開狀態(tài)。

表1　智能滴灌控制系統(tǒng)PLC輸入地址及定義

表2　智能滴灌控制系統(tǒng)PLC輸出地址及定義

部分二：綜合四路滴灌支路上比例電磁閥的開度情況去控制出水泵的轉(zhuǎn)速，以保持滴灌管道內(nèi)有充足的供水壓力。控制規(guī)則如下：

當(dāng)管路閥門全開，則電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)；

當(dāng)管路閥門全關(guān)，則電機(jī)全關(guān)閉；

當(dāng)其中一個(gè)管路閥門開的時(shí)候，電機(jī)轉(zhuǎn)速較慢運(yùn)轉(zhuǎn)。

部分三：通過儲水罐中液位開關(guān)去控制進(jìn)水閥的開閉，以保證儲水罐有足夠的水源，同時(shí)也防止了因?yàn)樵O(shè)置不當(dāng)而造成的水的浪費(fèi)?？刂埔?guī)則如下：

當(dāng)液位低于滴灌灌溉水位時(shí)，此時(shí)最少打開一個(gè)進(jìn)水閥；

當(dāng)液位高于滴灌灌溉水位是，此時(shí)關(guān)閉進(jìn)水閥。

部分四：太陽能水溫加熱控制器使灌溉水溫控制在適宜作物生長的理想溫度。控制規(guī)則如下：當(dāng)灌溉水溫低于設(shè)定的溫度下限值時(shí)，循環(huán)水泵將水送入加熱管進(jìn)行熱交換，通過循環(huán)，當(dāng)灌溉水溫度達(dá)到作物適宜的理想溫度值后，循環(huán)水泵停止工作，啟動滴灌系統(tǒng)。

軟件設(shè)計(jì)流程

圖4　控制系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)控制流程如圖4所示。

為了監(jiān)控整個(gè)滴灌控制系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)采用RS-485總線將PLC、觸摸屏和變頻器進(jìn)行通訊連接。將土壤濕度、水溫和光照度傳感器模擬量信號傳入到DVP04AD-SL模塊中，然后再通過windows操作系統(tǒng)，可以直觀的在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行操作控制，并對各種動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。該系統(tǒng)同時(shí)支持U盤導(dǎo)出，以便工作人員隨時(shí)查看各個(gè)時(shí)期的歷史數(shù)據(jù)和記錄。

本設(shè)計(jì)建立了系統(tǒng)設(shè)定界面，通過界面可以根據(jù)不同作物對陽光和水資源的不同需求，設(shè)定適合作物生長的土壤濕度、水溫和光照強(qiáng)度范圍；同時(shí)考慮到節(jié)氣不同對滴灌時(shí)間的長短需求，可以設(shè)定每天的滴灌起止時(shí)間范圍。系統(tǒng)還可以根據(jù)制定的時(shí)間范圍，通過軟件檢測系統(tǒng)中各個(gè)傳感器測量值是否超出其檢測范圍，并判斷傳感器是否損壞，管道是否發(fā)生堵塞，太能能電板是否損壞等硬件故障。

結(jié)語

基于PLC控制的智能滴灌控制系統(tǒng)，以土壤濕度、水溫、光照強(qiáng)度為條件，通過模糊控制規(guī)則，控制滴灌給水壓力和速度，以保證大棚內(nèi)農(nóng)作物的環(huán)境生長。通過上、下位機(jī)的連接通訊，系統(tǒng)可將采集的數(shù)據(jù)綜合報(bào)表、管理，還可通過下位機(jī)控制執(zhí)行元件，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

田思慶 曹 宇 姜永成 魏 強(qiáng) 張炳權(quán)

佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

田思慶（1965-）碩士生導(dǎo)師，教授；研究方向：農(nóng)業(yè)電氣化與自動化；曹宇（1991-）碩士研究生；研究方向：農(nóng)業(yè)電氣化與自動化；通訊作者：姜永成：（1976-）碩士生導(dǎo)師，副教授，工學(xué)博士；研究方向：農(nóng)業(yè)電氣化與自動化。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.11.028

佳木斯大學(xué)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)計(jì)劃項(xiàng)目（Cxtd-2013-01）；佳木斯大學(xué)研究生科技創(chuàng)新項(xiàng)目（LM2015_006）