基于PLC的全自動灌溉控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、基于PLC的全自動灌溉控制系統(tǒng)的設(shè)計摘要介紹了可編程序控制器(PLC)在節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)中的應(yīng)用,系統(tǒng)具有手動灌溉模式,能根據(jù)用戶要求設(shè)定各灌區(qū)的灌溉順序和灌溉時間;同時系統(tǒng)具有自動灌溉模式,通過內(nèi)置程序把濕度傳感器測定的土壤濕度信號輸入到PLC,與土壤最佳含水量對比,進(jìn)一步控制電機和電磁閥的啟閉;為了減小水泵電機的啟動電流,減輕對電網(wǎng)形成的沖擊,減小能耗,系統(tǒng)啟動采用Y/󰀁啟動。關(guān)鍵詞󰀂PLC;節(jié)水灌溉;土壤濕度;Y/󰀁啟動; 自動灌溉控制系統(tǒng)當(dāng)前,隨著電氣信息技術(shù)在節(jié)水灌溉工程中的應(yīng)用,發(fā)達(dá)國家如美國、以色列、荷蘭、加拿大、澳大利亞等成功開發(fā)

2、了一系列用途廣泛、功能極強的灌溉控制器。而我國在開發(fā)自動灌溉控制系統(tǒng)方面與發(fā)達(dá)國家差距較大,還處于研制、試用階段,隨著水資源的日趨緊張及信息技術(shù)的發(fā)展,開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)不僅具有廣闊的市場前景,而且具有巨大的社會效益1,2。本文以PLC為核心,選用C40C型可編程控制器來開發(fā)了一套灌溉控制系統(tǒng),所開發(fā)的控制系統(tǒng)能手動設(shè)置對各輪灌區(qū)定時灌溉,也可以通過土壤濕度傳感器與控制器形成全自動閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時為了減少水泵電機啟動電流,減輕對電網(wǎng)形成的沖擊,減小能耗,水泵電機采用Y/󰀁啟動。1󰀂PLC輸入/輸出點分配及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖本文所選用的C40C可編

3、程序控制器輸入24點(X0X23),輸出16點(Y0Y15),帶有RS232口及日歷/時鐘功能,供電電源為24V直流或100240V交流,同時可以控制4路A/D、4路D/A。系統(tǒng)可以方便地擴展輸入/輸出口,系統(tǒng)中除濕度傳感器為模擬信號外,其它輸入/輸出信號均為開關(guān)量,PLC各個輸入/輸出點分配情況見表1。根據(jù)灌溉控制系統(tǒng)的要求,系統(tǒng)由PLC控制器C40C,直流24V電源,起/停按鈕,數(shù)據(jù)采集器件包括土壤濕度傳感器、雨量傳感器和各類按鈕,執(zhí)行輸出器件包括電磁閥,帶動水泵的電機,報警裝置為報警指示閃爍燈或報警電鈴,同時當(dāng)系統(tǒng)處于某個工作狀態(tài)時對應(yīng)的指示燈亮,如果在大規(guī)模的灌區(qū)中,要實現(xiàn)集中化管理,

4、可以通過PLC的RS232口與管理機通信,控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖見圖1。2󰀂控制系統(tǒng)各部分功能及設(shè)計控制系統(tǒng)包括電機Y/󰀁啟動,手動控制模式,自動控制模式。因本系統(tǒng)除了濕度傳感器和雨量傳感器輸入為模擬量外,其他輸入/輸出均為數(shù)字量,編程控制器本身的抗干擾能力能滿足要求。PLC的容量包括I/O點數(shù)、用戶存儲器的容量。系統(tǒng)采用FP1可編程控制器專用編程軟件編制梯形圖。2.1󰀂電機Y/󰀁啟動系統(tǒng)要求當(dāng)按下啟動按鈕時,首先電動機運行, 帶動水泵抽水。同時系統(tǒng)中電機采用Y/󰀁啟動,啟動時繼電器KMY接通。2s后KMY斷開,繼電器

5、KM󰀁接通,即完成Y/󰀁啟動,控制梯形圖見圖2。.2.2手動灌溉模式系統(tǒng)具有手動設(shè)定各電磁閥的開啟時間和開啟順序的功能,當(dāng)某個電磁閥閉合時相應(yīng)的指示燈亮。當(dāng)雨量傳感器有信號,即下雨時,將停止灌溉,同時雨量報警器報警,本灌溉系統(tǒng)要求為一號灌區(qū)灌溉10min,打開2號灌區(qū)電磁閥灌水5min,然后打開3號灌區(qū)電磁閥灌水15min,最后停止灌溉。所設(shè)計的控制梯形圖見圖3。圖3󰀂手動灌溉模式梯形圖.3󰀂自動灌溉模式本灌溉控制器能根據(jù)土壤濕度傳感器得到的土壤濕度信號,與設(shè)定的適于作物生長的土壤濕度進(jìn)行比較,然后決定是否灌溉,自動進(jìn)行電機與各電

6、磁閥的起閉。在本系統(tǒng)中選用2000YZ型土壤負(fù)壓傳感器來測量土壤濕度,測量范圍為負(fù)壓值0-85kPa,基本上在植物的需水范圍,一般說來,當(dāng)土壤吸力大于-70kPa值,土壤就需要灌水,否則會影響植物的生長,該壓阻傳感器輸出為0-50mv;測量深度為200mm2000mm,地面以下部分根據(jù)需要而定,總精度為 2%左右;使用環(huán)境為0500!。在小麥拔節(jié)抽穗期土壤最佳含水量用土壤負(fù)壓表示為-50kPa-60kPa,即當(dāng)土壤負(fù)壓小于-60kPa時,打開灌水閥門對作物進(jìn)行灌溉4。在該系統(tǒng)中把濕度傳感器得到的土壤濕度信號放入PLC的數(shù)據(jù)寄存器DT0中,把所設(shè)定的土壤濕度上限值(-50kPa)放入D

7、T4,下限值(-60kPa)放入DT2,同時當(dāng)土壤缺水或適宜時,相應(yīng)的指示燈亮,所對應(yīng)的拔節(jié)抽穗期自動灌溉程序見圖4。3󰀂結(jié)語本文以C40C可編程序控制器為核心來構(gòu)建節(jié)水灌溉控制系統(tǒng),系統(tǒng)具有手動設(shè)定功能,能根據(jù)用戶要求設(shè)定對某一灌區(qū)的灌水時間;系統(tǒng)還具有全自動灌溉功能,能根據(jù)土壤濕度傳感器得到的土壤濕度信號與土壤的最佳濕度值對比,自動做出灌溉計劃;系統(tǒng)采用Y/󰀁變換啟動水泵電機來減少啟動電流,減輕對電網(wǎng)形成的沖擊,減小能耗。附錄托普物聯(lián)網(wǎng)托普物聯(lián)網(wǎng)是浙江托普儀器有限公司旗下的重要項目。浙江托普儀器是國內(nèi)領(lǐng)先的農(nóng)業(yè)儀器研發(fā)生產(chǎn)商，依據(jù)自身在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研發(fā)實力，和

8、自主研發(fā)的配套設(shè)備，在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域嶄露頭角！托普物聯(lián)網(wǎng)以客戶需求為源頭，結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技、通信技術(shù)、計算機技術(shù)、GIS信息技術(shù)，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，竭誠為傳統(tǒng)行業(yè)提供信息化、智能化的產(chǎn)品與端到端的解決方案。主要有：大田種植智能解決方案、畜牧養(yǎng)殖管理解決方案、食品安全溯源解決方案、食用菌種植智能化管理解決方案、水產(chǎn)養(yǎng)殖管理解決方案、溫室大棚智能控制解決方案等。托普物聯(lián)網(wǎng)三大系統(tǒng)產(chǎn)品我們知道物聯(lián)網(wǎng)主要包括三大層次，即感知層、傳輸層和應(yīng)用層。因此托普物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品主要以這三個層次延伸，涵蓋了感知系統(tǒng)（環(huán)境監(jiān)測傳感設(shè)備）、傳輸系統(tǒng)（數(shù)據(jù)傳輸處理網(wǎng)絡(luò)）、應(yīng)用系統(tǒng)（終端智能控制平臺。）托普物聯(lián)網(wǎng)模塊化智能集成系

9、統(tǒng)托普物聯(lián)網(wǎng)依據(jù)自身研發(fā)優(yōu)勢，開發(fā)了多種模塊化智能集成系統(tǒng)。1、傳感模塊：即環(huán)境傳感監(jiān)測系統(tǒng)。它依據(jù)各類傳感設(shè)備可以完成整個園區(qū)或完成對異地園區(qū)所需數(shù)據(jù)監(jiān)測的功能。2、終端模塊：即終端智能控制系統(tǒng)。它可以完成整個園區(qū)或遠(yuǎn)程控制異地園區(qū)進(jìn)行自動灌溉、自動降溫、自動開啟風(fēng)機，自動補光及遮陽，自動卷簾，自動開窗關(guān)窗，自動液體肥料施肥、自動噴藥等各類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的自動控制。3、視頻監(jiān)控模塊：即實時視頻監(jiān)控系統(tǒng)。主要是通過監(jiān)控中心實時得到植物生長信息，在監(jiān)控中心或異地互聯(lián)網(wǎng)上既可隨時看到作物的實時生長狀況。4、預(yù)警模塊：即遠(yuǎn)程植保預(yù)警系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^聲光報警、短信報警、語音報警等方式進(jìn)行預(yù)警。5、溯源模塊

10、：即農(nóng)產(chǎn)品安全溯源系統(tǒng)。該系統(tǒng)對農(nóng)產(chǎn)品從種植準(zhǔn)備階段、種植和培育階段、生長階段、收獲階段等對作物生長環(huán)境、噴藥施肥情況、病蟲害狀況等實施實時信息自動記錄，有據(jù)可查，在儲藏、運輸、銷售階段采用二維碼或者RFID射頻技術(shù)對各個階段數(shù)據(jù)記錄，這樣就能實現(xiàn)消費者拿到農(nóng)產(chǎn)品時通過終端設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)就能查看到各類信息，才能放心食用。6、作業(yè)模塊：即中央控制室?？赏ㄟ^總控室對整個區(qū)域情況進(jìn)行監(jiān)測，包括各個區(qū)域采集點參數(shù)、控制作業(yè)狀態(tài)、實時視頻圖像、施肥噴藥狀況、報警信息等。參考文獻(xiàn)1󰀂張󰀂兵,袁壽其,成󰀂立.國內(nèi)外節(jié)水灌溉自動化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望.排灌機械,2003(2):37󰀁41.2󰀂張󰀂兵.智能化節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究D.鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué),2003.3󰀂常斗南,李全利,張學(xué)武.可編程序控制器原理󰀁應(yīng)用󰀁試驗M.北京:機械工業(yè)出版社,2002.4󰀂RenatoSilviodaFrotaRibeiro.Fuzzylogicbasedaut