趙秋雨, 師路歡

(許昌學(xué)院 電氣與機(jī)械工程學(xué)院, 河南 許昌 461000)

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉模式不僅效率低,而且澆灌農(nóng)作物不夠充分,進(jìn)而影響作物的產(chǎn)量.另外,由于近幾年工業(yè)用水的增加和生態(tài)環(huán)境惡化,地表的水資源受到嚴(yán)重破壞,可以說在一定程度上阻礙了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1].因此在當(dāng)今提高水資源的利用率是解決農(nóng)業(yè)灌溉用水所面臨和急需解決的首要問題.為解決此類問題設(shè)計(jì)了一套農(nóng)田自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng),在農(nóng)業(yè)灌溉上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化不僅可以減少人力物力,還能做到科學(xué)有效的種田,增加作物產(chǎn)量,對(duì)未來規(guī)?；r(nóng)業(yè)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義.

1 系統(tǒng)的總體框架

根據(jù)農(nóng)業(yè)灌溉的要求,以西門子S7-200 PLC為控制核心,上位機(jī)和下位機(jī)形成一體化的控制結(jié)構(gòu),根據(jù)土壤的濕度傳感器數(shù)據(jù)和液位傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換,控制電機(jī)和水泵的工作情況實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田自動(dòng)灌溉,自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1 農(nóng)田自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 PLC的選擇

灌溉系統(tǒng)的處理器選取西門子S7-200 CN系列的CPU224 控制器,相比于CPU221和CPU222存儲(chǔ)容量擴(kuò)大了一倍,可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊,最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn),1個(gè)RS-485通訊編程口[2],擴(kuò)展的模塊可根據(jù)系統(tǒng)要求的延伸性拓展出其他功能,根據(jù)不同的使用場(chǎng)合進(jìn)行改進(jìn).

2.2 土壤濕度傳感器的選擇

傳感器是整個(gè)系統(tǒng)檢測(cè)的關(guān)鍵部分,決定著系統(tǒng)的執(zhí)行功能.土壤濕度傳感器選用了具有高性能的TDR-3型土壤水分傳感器,其優(yōu)良的性能包括具有較高的穩(wěn)定性,安裝方便且操作靈活,此外傳感器外殼的密封性也良好,可較長(zhǎng)時(shí)間的埋在土里,不受土壤的腐蝕.其采用晶體振蕩器所產(chǎn)生的高頻信號(hào),再傳輸?shù)狡叫薪饘偬结樕?產(chǎn)生的信號(hào)與返回的信號(hào)疊加,再通過測(cè)量信號(hào)的振幅來測(cè)量土壤水分含量[3].由于水的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于物料的介電常數(shù),所以介電常數(shù)會(huì)隨著土壤中水分含量的增加而增加,最后再根據(jù)土壤介電常數(shù)與土壤水分之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可測(cè)出土壤的水分含量.

2.3 液位傳感器的選擇

對(duì)于灌溉的蓄水池必須保持足夠的水量,應(yīng)達(dá)到水輪車在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶出一定的水量,因此對(duì)于蓄水池的水位要有一個(gè)可以快速獲得水位高度信號(hào)的液位傳感器,把水池的給水信號(hào)傳給水泵,帶動(dòng)水泵工作,此過程傳感器要具有一定的靈敏性.采用北京紅云四海科技股份有限公司的JZYB KO Y2防腐投入式液位變送器,該設(shè)備采納了國(guó)外先進(jìn)的隔離型發(fā)散硅敏感元件的壓阻效應(yīng),將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號(hào),再通過溫度彌補(bǔ)和線性修正,轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào),JYB系列投入式靜壓液位變送器通常適用于供排水、環(huán)保等系統(tǒng)等場(chǎng)合,并且也可用于對(duì)不同種類型的液體進(jìn)行液位的測(cè)量.由于其結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單靈活性的特點(diǎn),在使用當(dāng)中為用戶提供了極大的方便,此外Y2型的變送器還具有反相極性保護(hù)、抗干擾能力強(qiáng)、抗腐蝕性能力優(yōu)良、穩(wěn)定性高的特點(diǎn),也能夠應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的環(huán)境.

2.4 電機(jī)的選擇

直流電機(jī)在轉(zhuǎn)速n=0時(shí)需要有很大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,能夠帶動(dòng)水輪車的轉(zhuǎn)動(dòng),因此,電機(jī)采用型號(hào)為D110BLD600-24A-30S的直流無刷電機(jī),這是由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器所構(gòu)成的典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品,驅(qū)動(dòng)器的型號(hào)為BLD-4850.直流無刷電動(dòng)機(jī)的換向器是采用技術(shù)更高的半導(dǎo)體電子開關(guān)器件,相比于傳統(tǒng)的接觸式換向器和電刷其可靠性更高,機(jī)械所產(chǎn)生的噪聲更低,并且沒有轉(zhuǎn)向火花.電機(jī)的性能參數(shù)如表1所示.

蓄水池的灌水泵使用QSP噴泉專用泵,并采用QSP系列型號(hào)為QSP15-7-0.55的水泵,QSP噴泉專用泵參數(shù)如表2所示.

表1 D110BLD600-24A-30S主要參數(shù)

表2 QSP15-7-0.55參數(shù)

2.5 控制電路設(shè)計(jì)

整個(gè)灌溉系統(tǒng)中有兩個(gè)電機(jī)工作,一個(gè)是水輪車上的旋轉(zhuǎn)電機(jī),另外一個(gè)是蓄水電機(jī),旋轉(zhuǎn)電機(jī)要根據(jù)土壤濕度所反映的實(shí)時(shí)狀況變換轉(zhuǎn)速,而在此系統(tǒng)中需要設(shè)計(jì)出一個(gè)雙速調(diào)速控制電路,即高速和低速.對(duì)于水泵的工作狀態(tài)只需要一個(gè)啟?？刂齐娐芳纯?根據(jù)蓄水池的高地位變化來控制水泵的啟停[4-6].

旋轉(zhuǎn)電機(jī)的調(diào)速方式采用改變端電壓的方法進(jìn)行調(diào)速,這是直流電機(jī)調(diào)速最為常用的使用方式.再配合勵(lì)磁調(diào)節(jié),使調(diào)速范圍可以更加廣泛.電機(jī)的控制電路如圖2所示.

圖2 電機(jī)主電路圖及控制電路圖

電路由熔斷器、刀開關(guān)、電阻、電感、電機(jī)和繼電器組成.圖2的左側(cè)是一個(gè)串聯(lián)電阻的二級(jí)調(diào)速的主電路,右側(cè)是其控制電路.其工作原理如下:首先合上主電路的刀開關(guān)SB,之后合上開關(guān)SB1,KM線圈得電、主電路以及控制電路的KM常開觸點(diǎn)閉合,而控制電路上的KM常開觸點(diǎn)閉合后形成自鎖,此時(shí)電機(jī)低速旋轉(zhuǎn),同時(shí)SB1的常閉觸點(diǎn)會(huì)斷開;當(dāng)合上SB2開關(guān)時(shí),KA線圈得電,KA的常開觸點(diǎn)閉合實(shí)現(xiàn)自鎖,電機(jī)高速旋轉(zhuǎn):當(dāng)再合上SB1時(shí)重復(fù)以上操作過程,此電路實(shí)現(xiàn)高低速的過程主要依靠SB1和SB2兩個(gè)開關(guān),因此在實(shí)物連接中應(yīng)有聯(lián)動(dòng)開關(guān)的設(shè)置,以此來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的雙速調(diào)速.

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)要根據(jù)蓄水池的液位高度和土壤濕度的情況進(jìn)行判斷,分別對(duì)不同狀態(tài)下的液位和濕度值進(jìn)行判斷,從而調(diào)整水泵和電機(jī)的工作狀態(tài).系統(tǒng)流程如圖3所示.

根據(jù)系統(tǒng)的自動(dòng)灌溉控制設(shè)計(jì)程序,設(shè)備在開機(jī)時(shí),田地里的濕度傳感器啟動(dòng)工作狀態(tài)并且根據(jù)實(shí)時(shí)的情況進(jìn)行賦值,下達(dá)工作指令[7,8].由旋轉(zhuǎn)電機(jī)的調(diào)速原理圖來看,主要是對(duì)SB1和SB2兩個(gè)開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行變換,電機(jī)控制的梯形圖如圖4所示.

對(duì)于水泵的啟?？刂齐娐吠瑯邮歉鶕?jù)兩個(gè)開關(guān)的變換實(shí)現(xiàn),水泵控制梯形圖如圖5所示.

圖4 電機(jī)控制梯形圖

圖5 水泵控制梯形圖

4 組態(tài)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行

組態(tài)王6.55包括包含管理器、工程瀏覽器、組態(tài)王運(yùn)行系統(tǒng)三部分,工程管理器是實(shí)現(xiàn)功能的主要工具,可以完成搜索、新建、刪除、工程屬性、工程備份和恢復(fù)等操作.工程瀏覽器又包括Tab標(biāo)簽條、菜單欄、工具欄、工程目錄顯示區(qū)、目錄內(nèi)容顯示區(qū)等幾個(gè)部分,是和Windows界面相似的操作系統(tǒng),方便于系統(tǒng)的管理.而組態(tài)王運(yùn)行則根據(jù)開發(fā)后的軟件進(jìn)行仿真并觀察各個(gè)部分參數(shù)的變化[9,10].工程管理器界面如圖6所示.

圖6 工程管理器界面

在工程瀏覽器界面上點(diǎn)擊文件-畫面-新建,建立新的窗口,新畫面的畫面名稱命名為灌溉動(dòng)畫界面,對(duì)應(yīng)文件以pic00001存入工程文件夾內(nèi),更改背景色為淺綠色,其他不變.新建動(dòng)畫界面窗口如圖7所示.農(nóng)田自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)的動(dòng)畫界面如圖8所示.

圖7 新建動(dòng)畫界面窗口

灌溉模擬動(dòng)畫界面有水庫(kù)(代替水井或河道)、蓄水箱(蓄水池)、抽水水泵、灌溉水泵(電機(jī))、農(nóng)田和傳感器等幾個(gè)要素.全過程均為模擬的動(dòng)畫演示,其動(dòng)畫過程為當(dāng)動(dòng)畫界面打開時(shí),打開系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕,水泵啟動(dòng)使得蓄水箱的水位增加,根據(jù)液位參數(shù)的上限和下限值的設(shè)定來決定水泵的啟動(dòng)和停止,在這個(gè)過程中,參數(shù)可以隨時(shí)地改變,比如下限設(shè)定50,上限設(shè)定80等等.

對(duì)于田地的灌溉,當(dāng)按下系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕時(shí),隨著濕度值地慢慢增加,灌溉水泵(電機(jī))快速工作,這在動(dòng)畫模擬中通過水管流速來體現(xiàn).當(dāng)達(dá)到濕度的下限值時(shí),電機(jī)低速工作,即此時(shí)滿足作物生長(zhǎng)所需要的濕度環(huán)境,并且水管流速明顯減慢,并且濕度值會(huì)在所設(shè)定的濕度上下限之間來回波動(dòng),使土壤的濕度一直維持在一個(gè)利于植物生長(zhǎng)的濕度環(huán)境下.當(dāng)土壤的濕度值低于設(shè)定的濕度下限時(shí)(即不在適于作物生長(zhǎng)的條件下),則灌溉水泵(電機(jī))再次快速工作,水管流速快速流動(dòng),此演示的過程手動(dòng)設(shè)置數(shù)據(jù)的參數(shù),此外土壤的濕度在參數(shù)里也可以根據(jù)不同的場(chǎng)地隨便設(shè)置.在整個(gè)過程中,灌溉水泵(電機(jī))全程工作,但按下系統(tǒng)停止時(shí),整個(gè)系停止工作.再按下退出按鈕時(shí),退出灌溉動(dòng)畫界面.

5 結(jié)語

此系統(tǒng)將傳統(tǒng)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉上的水輪車與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合,為水輪車的工作情況添加了控制因素.大型的機(jī)械進(jìn)入田地和種植園,農(nóng)藥有先進(jìn)的噴霧器、灌溉有根據(jù)作物的生長(zhǎng)狀況設(shè)計(jì)的比較合理的灌溉裝置.在農(nóng)業(yè)灌溉上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化不僅可以減少人力物力,還能做到科學(xué)有效的種田,增加作物產(chǎn)量,對(duì)未來規(guī)模化農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義.總之未來的農(nóng)業(yè)時(shí)代一定是現(xiàn)代化技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的時(shí)代,人們將省去更多的勞動(dòng)力,農(nóng)田灌溉技術(shù)的發(fā)展也將隨著時(shí)代的進(jìn)步而有非常廣闊地發(fā)展前景.