夏春風(fēng) ，秦昌友 ，吳 凡 ，甄軍華

（蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215008）

0 引言

眾所周知，傳統(tǒng)人工稻田灌溉存在操作時(shí)間隨意、灌溉水量不精確等問題，其大量漫灌或飽和灌溉后將多余水量排出的方式，不但水資源利用率低[1]，而且稻田中的農(nóng)藥化肥也會(huì)隨之流失，使農(nóng)作物的產(chǎn)量大大降低[2]。觸摸屏與PLC 組合是現(xiàn)代精確控制的一種新方法。本文根據(jù)稻田灌溉控制要求，采用變頻恒壓灌溉方式，借助土壤濕度和水壓傳感器、威綸TK6071IP 觸摸屏和三菱FX3U 型PLC，通過PLC 程序和觸摸屏人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)稻田灌溉控制系統(tǒng)精確控制[3]，達(dá)到精準(zhǔn)灌溉和節(jié)水的目的，在提高農(nóng)作物產(chǎn)量的同時(shí)，節(jié)省大量的電能與水資源。

觸摸屏性能穩(wěn)定，操作編程方便，是目前最簡(jiǎn)單、方便、自然的一種人機(jī)交互方式[4-5]，其可代替鼠標(biāo)和鍵盤來處理、監(jiān)控、管理和應(yīng)對(duì)隨時(shí)可能變化的信息[6]。本文使用的是威綸TK6071IP 觸摸屏，其分辨率為800*480，支持RS485、RS232 通信，具有操作簡(jiǎn)便、產(chǎn)品輕巧、品質(zhì)保證、價(jià)格優(yōu)惠等特點(diǎn)。使用的EasyBuilder Pro 人機(jī)界面組態(tài)軟件是一款帶中文操作且能用圖標(biāo)代替文本創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言，不僅功能強(qiáng)大，而且簡(jiǎn)單易學(xué)[7]，用戶可以用最快的速度掌握其設(shè)計(jì)方法，并設(shè)計(jì)出一流的人機(jī)交互作品。

1 稻田節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)人機(jī)界面控制要求

稻田節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的控制要求是：先由濕度傳感器檢測(cè)土壤濕度，并在觸摸屏的人機(jī)界面上顯示。同時(shí)濕度傳感器將采集到的數(shù)據(jù)信息傳送到PLC 中，與PLC 預(yù)設(shè)置的適合農(nóng)作物生長(zhǎng)的土壤最佳濕度數(shù)據(jù)對(duì)比，然后由PLC 做出判斷，確定是否需要灌溉以及需要灌溉的水量，并將需要灌溉的水量輸出給變頻器，由變頻器控制水泵機(jī)組進(jìn)行灌溉，整個(gè)控制過程使用觸摸屏人機(jī)界面進(jìn)行監(jiān)控。

根據(jù)稻田節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)控制要求，結(jié)合PLC程序的輸入輸出點(diǎn)分配表，稻田節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)觸摸屏人機(jī)界面元件設(shè)計(jì)如表1 所示。

表1 稻田節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)觸摸屏人機(jī)界面元件表

2 稻田節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)

稻田節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計(jì)時(shí)，需對(duì)觸摸屏程序進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置[8]，即雙擊EasyBuilder Pro 軟件，在文件菜單中選擇“新建文件”，觸摸屏型號(hào)選擇“TK6071IP（800*480）”，顯示模式選擇“水平”，點(diǎn)確定后進(jìn)入“系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置”界面，點(diǎn)擊“新增”，配套PLC 類型選擇“FX3U/FX3G”，接口類型選擇“RS-485 4W”，COM 口設(shè)置與計(jì)算機(jī)主機(jī)連接口一致選擇“COM2”，PLC 預(yù)設(shè)站號(hào)選擇“1”，最后點(diǎn)擊確定，完成PLC和觸摸屏參數(shù)設(shè)置。

完成觸摸屏程序系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置后，需進(jìn)行稻田節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控、水泵運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、故障報(bào)警監(jiān)控和數(shù)據(jù)查詢等觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計(jì)。觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計(jì)主要包括文字、按鈕、指示燈、時(shí)間設(shè)置、水泵管網(wǎng)流動(dòng)塊設(shè)計(jì)等。因篇幅有限，本文主要闡述稻田節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控界面和水泵運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控界面的詳細(xì)設(shè)計(jì)過程。

2.1 稻田節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

監(jiān)控人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)要以用戶為中心，其是用戶接收信息的橋梁[9-10]。為了便于顯示和操作，灌溉控制系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控界面主要包含控制面板、數(shù)據(jù)查詢、水泵機(jī)組、故障報(bào)警、手動(dòng)/自動(dòng)切換及時(shí)間顯示等模塊，其主要有監(jiān)控界面文字設(shè)計(jì)、按鈕設(shè)計(jì)和時(shí)間顯示設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)步驟，設(shè)計(jì)完成的稻田節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖1所示。

圖1 灌溉控制系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控界面

2.1.1 文字設(shè)計(jì)

為方便操作，先對(duì)觸摸屏監(jiān)控界面進(jìn)行文字設(shè)計(jì)，即點(diǎn)擊“文字”，在出現(xiàn)的“文字”界面中按美學(xué)和喜好設(shè)置相應(yīng)的字體、顏色和文字內(nèi)容，并將其按功能放在適當(dāng)?shù)奈恢?。觸摸屏監(jiān)控界面文字主要有“灌溉控制系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控”和“手動(dòng)/自動(dòng)切換”。其中，“灌溉控制系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控”字體選“宋體”，顏色選“紅色”，字號(hào)選“28”，對(duì)齊選“置中對(duì)齊”，圖片圖案勾選“內(nèi)部”且內(nèi)部圖案顏色選“綠色”。“手動(dòng)/自動(dòng)切換”字體選“宋體”，顏色選“黑色”，字號(hào)選“16”，對(duì)齊選“置中對(duì)齊”。

2.1.2 按鈕設(shè)計(jì)

監(jiān)控界面需設(shè)計(jì)的按鈕有：手動(dòng)與自動(dòng)切換模式、返回及控制面板、數(shù)據(jù)查詢、水泵機(jī)組、故障報(bào)警等控制按鈕。手動(dòng)與自動(dòng)切換模式按鈕設(shè)計(jì)步驟為：點(diǎn)擊“位狀態(tài)設(shè)置”，出現(xiàn)“新增位狀態(tài)設(shè)置元件”界面，在出現(xiàn)的界面中選“一般屬性”界面，PLC 名稱選擇“FX3U”、地址選擇“X0”、開關(guān)類型選擇“切換開關(guān)”；在“圖片”界面中點(diǎn)擊圖庫，在向量圖庫中點(diǎn)擊“Button”，選擇“矩形按鈕類型”點(diǎn)擊確定，再將按鈕狀態(tài)“0”的背景色選為綠色，在“標(biāo)簽”中設(shè)置字體為“宋體”，顏色選擇“黑色”，對(duì)齊選擇“置中對(duì)齊”，在內(nèi)容中輸入“手動(dòng)模式”；將按鈕狀態(tài)“1”的背景色選為黃色，在“標(biāo)簽”中設(shè)置字體為“宋體”，顏色選擇“黑色”，對(duì)齊選擇“置中對(duì)齊”，在內(nèi)容中輸入“自動(dòng)模式”；點(diǎn)擊確定，將出現(xiàn)的光標(biāo)放到“手動(dòng)/自動(dòng)切換”文字右邊。

其余按鈕及后面界面按鈕設(shè)計(jì)可采用復(fù)制粘貼方法進(jìn)行，即先復(fù)制“手動(dòng)模式”按鈕，再在界面選定的地方粘貼一下，接著根據(jù)表1 分別修改“位狀態(tài)設(shè)置元件”地址和界面各狀態(tài)背景顏色、標(biāo)簽內(nèi)容等。

2.1.3 時(shí)間顯示設(shè)計(jì)

監(jiān)控界面日期和時(shí)間顯示可直接調(diào)用觸摸屏的系統(tǒng)時(shí)間，讓其在觸摸屏界面上直接顯示，設(shè)計(jì)步驟是：在“元件”菜單點(diǎn)擊“時(shí)間相關(guān)”，在“時(shí)間相關(guān)”下點(diǎn)擊“日期/時(shí)間”，在出現(xiàn)的新增日期/時(shí)間元件界面上的“日期”處勾選“啟用”，格式選擇“YYYY-MM-DD”；在“時(shí)間”處勾選“啟用”，格式選擇“HH:MM:SS”，采用默認(rèn)24 小時(shí)制?！白煮w”處選擇“宋體”，顏色選擇“白色”，字號(hào)選“16”，對(duì)齊選“置中對(duì)齊”，圖片背景選“黑色”，其他忽略，然后點(diǎn)“確定”，將出現(xiàn)的光標(biāo)放到右上角即可。

2.2 水泵機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

水泵機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控界面主要有：水泵壓力值與土壤濕度值顯示、水泵M1 與水泵M2 的啟動(dòng)停止按鈕、水泵運(yùn)行指示燈、土壤濕度報(bào)警指示燈和水泵機(jī)組管網(wǎng)界面。設(shè)計(jì)完成的水泵機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控界面如圖2 所示。

圖2 水泵機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控界面

圖2 界面中的水泵機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、水泵M1、水泵M2、管網(wǎng)、水泵壓力值（MPa）、土壤濕度值（%）、土壤濕度報(bào)警指示燈、水泵M1 工作指示燈和水泵M2 工作指示燈等文字按2.1.1 文字設(shè)計(jì)中的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。啟動(dòng)水泵M1、停止水泵M1、啟動(dòng)水泵M2、停止水泵M2 和返回等按鈕設(shè)計(jì)采用類似2.1.2按鈕設(shè)計(jì)方法中的復(fù)制粘貼方法，再根據(jù)表1 分別修改“位狀態(tài)設(shè)置元件”地址和界面各狀態(tài)背景顏色、標(biāo)簽內(nèi)容等，在此不再贅述。下面主要闡述監(jiān)控界面數(shù)值顯示、水泵管網(wǎng)流動(dòng)塊、報(bào)警指示燈和工作指示燈的設(shè)計(jì)。

2.2.1 數(shù)值顯示設(shè)計(jì)

水泵機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控界面數(shù)值顯示主要有水泵壓力值和土壤濕度值，水泵壓力值設(shè)計(jì)步驟為：點(diǎn)擊“數(shù)值”，出現(xiàn)“新增數(shù)值元件”界面，在出現(xiàn)的界面中選“一般屬性”界面，PLC 名稱選擇“FX3U”、地址選“D0”；在“數(shù)值輸入”界面中模式選“觸控”，鍵盤選“使用彈出鍵盤”；在“數(shù)值格式”界面中顯示資料格式選“16-bit Unsigned”，數(shù)字位數(shù)選小數(shù)點(diǎn)之后3 位；在“圖片”界面中點(diǎn)擊圖庫，在向量圖庫中點(diǎn)擊“System Frame”，選擇一個(gè)合適的數(shù)值元件類型；在“字體”界面選“宋體”，字號(hào)選“16”，顏色選“黑色”，對(duì)齊選“置中對(duì)齊”，點(diǎn)擊確定，將出現(xiàn)的光標(biāo)放到“水泵壓力值”文字右邊。

土壤濕度值設(shè)計(jì)步驟為：復(fù)制水泵壓力值數(shù)值，將其放到“土壤濕度值”文字右邊，并在其數(shù)值上右擊鼠標(biāo)，點(diǎn)擊“屬性”，將地址修改為“D1”，其余均不變，點(diǎn)擊確定即可。

2.2.2 水泵管網(wǎng)流動(dòng)塊設(shè)計(jì)

水泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)的水流狀態(tài)可直觀地用觸摸屏流動(dòng)塊進(jìn)行顯示。首先從“對(duì)象元件庫”選中水泵樣式，然后將其拖到界面左邊水泵M1 和水泵M2 文字處放好。然后利用觸摸屏中的流動(dòng)塊來形象地表示水流流動(dòng)，流動(dòng)塊設(shè)計(jì)步驟是：在“元件”菜單中點(diǎn)擊“動(dòng)畫”，在“動(dòng)畫”下選擇“流動(dòng)塊”，然后通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊，根據(jù)水泵M1、水泵M2 和管網(wǎng)來規(guī)劃流動(dòng)塊的路徑，規(guī)劃好路徑后點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵進(jìn)行確認(rèn)。最后對(duì)流動(dòng)進(jìn)行屬性設(shè)置，即點(diǎn)擊“常用”菜單，將這個(gè)元件選擇“置于底層”，流動(dòng)塊添加完成。在流動(dòng)塊上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“屬性”，在出現(xiàn)的“流動(dòng)塊元件屬性”界面的“外觀”屬性設(shè)置流動(dòng)塊的外觀，即導(dǎo)管的寬度選“30”，外框?qū)挾冗x“2”，外框顏色選“黑色”，背景顏色選“紅色”?；瑝K的類型選“矩形”，顏色選默認(rèn)值“15”，長(zhǎng)度選“26”，間隔選“4”，顏色選“灰色”。在“一般屬性”界面的流動(dòng)速度處選擇“25”即可。

2.2.3 報(bào)警指示燈設(shè)計(jì)

監(jiān)控界面土壤濕度報(bào)警指示燈設(shè)計(jì)步驟為：點(diǎn)擊“位狀態(tài)指示燈”，出現(xiàn)“新增位狀態(tài)指示燈元件”界面，在出現(xiàn)的界面中選“一般屬性”，PLC 名稱選擇“FX3U”，地址選“HL3”；在“圖片”界面中點(diǎn)擊圖庫，在向量圖庫中點(diǎn)擊“System Lamp”，選擇“警燈指示燈”點(diǎn)擊確定；再將指示燈狀態(tài)“0”的背景色選為紅色，按鈕狀態(tài)“1”的背景色選為黃色，點(diǎn)擊確定；將出現(xiàn)的光標(biāo)放到“土壤濕度報(bào)警指示燈”文字上方。

2.2.4 水泵工作指示燈設(shè)計(jì)

水泵工作指示燈有2 個(gè)，分別為水泵M1 和水泵M2 工作指示燈。水泵M1 工作指示燈設(shè)計(jì)步驟為：點(diǎn)擊“位狀態(tài)指示燈”，出現(xiàn)“新增位狀態(tài)指示燈元件”界面，在出現(xiàn)的界面中選“一般屬性”界面，PLC名稱選擇“FX3U”、地址選“Y1”；在“圖片”界面中點(diǎn)擊圖庫，在向量圖庫中點(diǎn)擊“System Lamp”，選擇圓柱形指示燈點(diǎn)擊確定；再將指示燈狀態(tài)“0”的背景色選為藍(lán)色，按鈕狀態(tài)“1”的背景色選為紅色；點(diǎn)擊確定，將出現(xiàn)的光標(biāo)放到“水泵M1 工作指示燈”文字上方。

水泵M2 工作指示燈設(shè)計(jì)采用復(fù)制粘貼方法，即先復(fù)制已設(shè)計(jì)好的水泵M1 工作指示燈，在“水泵M2工作指示燈”文字上方粘貼一下，再雙擊粘貼的工作指示燈，在“一般屬性”界面將地址修改為“Y2”，其余參數(shù)設(shè)置均不變。

3 稻田節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)調(diào)試

稻田節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計(jì)完成后，就開始先仿真后實(shí)物的綜合調(diào)試。調(diào)試時(shí)，將事先編寫好的PLC 程序下載到PLC 設(shè)備中，進(jìn)行PLC 程序和觸摸屏程序的聯(lián)合調(diào)試。其中土壤濕度和水泵壓力的調(diào)試采用仿真軟件進(jìn)行，當(dāng)所測(cè)得的土壤濕度值低于系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，水泵M1 運(yùn)行，此時(shí)若水泵壓力值高于設(shè)定值，則水泵M2 不啟動(dòng)。如果所測(cè)得的土壤濕度值高于系統(tǒng)設(shè)定值，說明灌溉已完成，則水泵M1 停止工作。仿真調(diào)試結(jié)束，程序符合系統(tǒng)要求。

實(shí)物調(diào)試時(shí)，先連接并安裝好稻田節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)小型實(shí)物，并打開控制系統(tǒng)上的觸摸屏、PLC控制開關(guān)及觸摸屏人機(jī)界面程序；接著點(diǎn)擊程序“工具”條的“編譯”，點(diǎn)擊“開始編譯”，顯示編譯成功后關(guān)閉編譯界面；然后點(diǎn)擊“工具”條的“下載”，選擇“USB 下載”，點(diǎn)擊“下載”，程序下載完成后觸摸屏界面上就會(huì)出現(xiàn)圖1 所示的界面，最后關(guān)閉下載界面。通過切換界面，分別出現(xiàn)圖2 等界面。

在調(diào)試過程中，可能出現(xiàn)如接口的選擇問題、參數(shù)的設(shè)置問題、程序的設(shè)計(jì)問題等，根據(jù)相關(guān)提示，逐一解決即可。試驗(yàn)結(jié)果表明，控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單，可以提高灌溉節(jié)水率，具有廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語

將威綸觸摸屏與三菱PLC 有機(jī)結(jié)合用來控制稻田節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，具有效率高、操作簡(jiǎn)單、形象直觀等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合采用變頻恒壓的灌溉方式，可節(jié)省20%~40%的電能，并達(dá)到精準(zhǔn)灌溉和節(jié)水的目的，它與傳統(tǒng)灌溉方式相比，并不需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)控與測(cè)試，只需修改程序即可改變灌溉量。同時(shí)，通過修改PLC 程序和觸摸屏人機(jī)界面程序，該方案還可移植到不同農(nóng)作物的灌溉控制系統(tǒng)中，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。