郭麗虹

(江西新能源科技職業(yè)學(xué)院，江西 新余 338000)

0 引言

農(nóng)田自動(dòng)恒壓灌溉一直是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的技術(shù)難點(diǎn)，常規(guī)系統(tǒng)雖然能夠解決恒壓灌溉的問題，但仍存在灌溉方式切換不及時(shí)、程序化控制不全面、灌溉能效依然偏低等問題。本文基于西門子PLC和PID算法設(shè)計(jì)一款農(nóng)田自動(dòng)恒壓灌溉多電機(jī)控制系統(tǒng)，通過算法設(shè)置實(shí)現(xiàn)了多電機(jī)灌溉中的“工-變”頻自動(dòng)及時(shí)切換問題，在步進(jìn)順序程序的控制下，也能夠全面精準(zhǔn)地控制灌溉流程，提升農(nóng)田自動(dòng)化灌溉的能效，現(xiàn)將具體的設(shè)計(jì)思路闡述如下。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求

農(nóng)田節(jié)水自動(dòng)灌溉作業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵研究領(lǐng)域。常規(guī)模式下采用單臺電機(jī)實(shí)現(xiàn)的恒壓灌溉具有一定實(shí)用價(jià)值，但也存在易受農(nóng)田灌溉現(xiàn)場外部環(huán)境變化因素影響，引發(fā)實(shí)際灌溉水壓并不穩(wěn)定的缺陷。此外，單臺水泵電機(jī)提供的灌溉能力有限，若實(shí)際灌溉農(nóng)田面積增大，或隨季節(jié)變化引起灌溉水量需求增多，則很難滿足灌溉需求。為解決上述問題，設(shè)計(jì)一種多電機(jī)恒壓灌溉控制系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)意義。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，以PLC、變頻器、水泵電機(jī)、水流水壓模擬信號輸入輸出模塊等為硬件核心，結(jié)合農(nóng)田恒壓自動(dòng)化灌溉生產(chǎn)需求，編寫對應(yīng)的梯形圖程序和PID控制算法，以達(dá)到提升農(nóng)田自動(dòng)化恒壓灌溉水平的目標(biāo)。

2 電氣結(jié)構(gòu)及控制原理

2.1 電氣結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)如圖1所示，1#和2#為2臺水泵電機(jī)，通過PLC編程進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對2臺水泵電機(jī)的“工-變”頻自動(dòng)切換，以達(dá)到自動(dòng)節(jié)水灌溉的目的。系統(tǒng)選用西門子公司生產(chǎn)的S7-200型PLC為中央控制器，外接硬件模塊還包括：①水壓采集輸入模擬量模塊EM231，用于采集水泵水壓傳感器端的實(shí)時(shí)水壓，并與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。②水壓控制輸出模擬量模塊EM232，用于將PLC輸出水壓控制信號傳送給變頻器，控制水泵電機(jī)進(jìn)行恒壓供水灌溉。③西門子MM440型變頻器，外接1#和2#水泵控制電機(jī)，對2臺電機(jī)進(jìn)行“工-變”頻模式切換，實(shí)現(xiàn)不同場合下的恒壓灌溉。

圖1 系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)圖

2.2 控制原理

本系統(tǒng)包含如下控制部分：啟?？刂撇糠钟煽偪亻_關(guān)、啟動(dòng)開關(guān)和停止開關(guān)等元件組成；水壓信號采集輸出控制部分由輸入模擬模塊EM231和輸出模擬模塊EM232組成，分別用于采集灌溉水壓信號和輸出PLC控制水壓信號；核心控制部分選擇西門子S7-200 CPU226型PLC作為本系統(tǒng)的中央處理控制模塊；變頻控制部分選擇西門子MM440變頻器模塊。

實(shí)際控制原理及流程為：操作人員先按下啟動(dòng)開關(guān)變頻器帶動(dòng)1#水泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行灌溉作業(yè)。灌溉作業(yè)過程中，EM231實(shí)時(shí)采集水泵水壓反饋給PLC進(jìn)行PID運(yùn)算處理，若灌溉工作頻率達(dá)到50 Hz，但水壓仍顯示不足時(shí)，1#水泵電機(jī)自動(dòng)切換至工頻運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)EM232向變頻器發(fā)送信號，啟動(dòng)2#水泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，整個(gè)系統(tǒng)處于“一變一工”運(yùn)行狀態(tài)。若灌溉水壓偏高，1#水泵電機(jī)自動(dòng)停止，變頻器驅(qū)動(dòng)2#水泵電機(jī)作變頻運(yùn)行，以確保整個(gè)灌溉作業(yè)實(shí)現(xiàn)恒壓多電機(jī)自動(dòng)控制。

3 恒壓灌溉PID控制算法

本系統(tǒng)PID控制流程如圖2所示，其原理為：系統(tǒng)作業(yè)時(shí)，通過壓力傳感器實(shí)時(shí)采集2臺水泵電機(jī)的灌溉水壓，并通過EM231模塊運(yùn)算后反饋至輸入端，與預(yù)設(shè)水壓值進(jìn)行比較，得到灌溉水壓的實(shí)時(shí)變化率e，對變化率做PID運(yùn)算處理，得到優(yōu)化值Kp、Ki和Kd傳輸給變頻器，變頻器按照PID控制算法處理結(jié)果自動(dòng)調(diào)配參數(shù)，傳輸給水泵電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對灌溉水壓的精準(zhǔn)實(shí)時(shí)控制。

圖2 系統(tǒng)PID控制框圖

上述控制過程中的PID算法函數(shù)為：G(S)=Kp(1+1/T1S+TDS)，實(shí)際編程時(shí)，可應(yīng)用PLC內(nèi)部定時(shí)器中斷指令完成PID算法的定時(shí)采樣及輸出調(diào)控。為確保系統(tǒng)應(yīng)用的可拓展價(jià)值，輸出設(shè)置值為滿量程的90%，僅用比例(P)和積分(I)進(jìn)行控制，系統(tǒng)的回路增益和時(shí)間常數(shù)通過恒壓灌溉算法確定，具體值為：增益Kc=0.25，采樣時(shí)間Ts=0.3 s，積分時(shí)間Ti=25 min。

4 自動(dòng)恒壓灌溉程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用PLC步進(jìn)順序控制指令編譯程序，主程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示。整個(gè)程序由S0.0～S1.0共9步循環(huán)組成，按照“啟動(dòng)系統(tǒng)—實(shí)時(shí)檢測水壓—水壓低，1#泵切換工頻模式，2#泵切換變頻模式，雙泵工作—水壓高，1#泵停止，2#泵繼續(xù)變頻運(yùn)行，停止系統(tǒng)”的常規(guī)流程執(zhí)行。此外，若程序執(zhí)行過程中遇到蓄水池缺水問題，系統(tǒng)將自動(dòng)停機(jī)。

圖3 主程序流程圖

5 結(jié)語

基于PLC和PID控制算法設(shè)計(jì)農(nóng)田恒壓灌溉多電機(jī)控制系統(tǒng)，能夠較好地解決農(nóng)田現(xiàn)場灌溉中存在的作業(yè)水壓不穩(wěn)定、自動(dòng)化水平不高、實(shí)時(shí)作業(yè)效果檢測能力不足等問題，有助于提升農(nóng)田灌溉作業(yè)的整體質(zhì)量。