基于PLC控制技術(shù)的農(nóng)業(yè)自動(dòng)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)_第1頁(yè)
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1、基于PLC控制技術(shù)的農(nóng)業(yè)自動(dòng)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要:  水是一切生命過(guò)程中不可替代的基本要素,水資源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)資源。我國(guó)是世界上13個(gè)貧水國(guó)之一,人均水資源占有量2300立方米,只有世界人均水平的1/4,居世界第109位。而且時(shí)空分布很不均勻,南多北少,東多西少;夏秋多,冬春少;占國(guó)土面積50以上的華北、西北、東北地區(qū)的水資源量?jī)H占全國(guó)總量的20左右。近年來(lái),隨著人口增加、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化水平的提高,水資源供需矛盾日益尖銳,農(nóng)業(yè)干旱缺水和水資源短缺已成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要制約因素,而且加劇了生態(tài)環(huán)境的惡化。   按現(xiàn)狀用水量

2、統(tǒng)計(jì),全國(guó)中等干旱年缺水358億立方米,其中農(nóng)業(yè)灌溉缺水300億立方米。20世紀(jì)90年代以來(lái),我國(guó)農(nóng)業(yè)年均受旱面積達(dá)2000萬(wàn)公頃以上,全國(guó)660多個(gè)城市中有一半以上發(fā)生水危機(jī),北方河流斷流的問(wèn)題日益突出,缺水已從北方蔓延到南方的許多地區(qū)。由于地表水資源不足導(dǎo)致地下水超采,全國(guó)區(qū)域性地下水降落漏斗面積已達(dá)8.2萬(wàn)平方公里。   發(fā)達(dá)國(guó)家的農(nóng)業(yè)用水比重一般為總用水量的50左右。目前,我國(guó)農(nóng)業(yè)用水比重已從1980年的88下降到目前的70左右,今后還會(huì)繼續(xù)下降,農(nóng)業(yè)干旱缺水的局面不可逆轉(zhuǎn)。北方地區(qū)水資源開(kāi)發(fā)利用程度已經(jīng)很高,開(kāi)源的潛力不大。南方還有一些開(kāi)發(fā)潛力,但主要集

3、中在西南地區(qū)。   我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉用水量大,灌溉效率低下和用水浪費(fèi)的問(wèn)題普遍存在。目前全國(guó)灌溉水利用率約為43,單方水糧食生產(chǎn)率只有10公斤左右,大大低于發(fā)達(dá)國(guó)家灌溉水利用率70-80%、單方水糧食生產(chǎn)率2.0公斤以上的水平。通過(guò)采用現(xiàn)代節(jié)水灌溉技術(shù)改造傳統(tǒng)灌溉農(nóng)業(yè),實(shí)現(xiàn)適時(shí)適量的“精細(xì)灌溉”,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。在灌溉系統(tǒng)合理地推廣自動(dòng)化控制,不僅可以提高資源利用率,緩解水資源日趨緊張的矛盾,還可以增加農(nóng)作物的產(chǎn)量,降低農(nóng)產(chǎn)品的成本。本次設(shè)計(jì)是采用PLC控制多路不同的土壤濕度,澆灌的開(kāi)啟和停止完全由土壤的濕度信號(hào)控制,能使土壤的濕度值保持在作物生長(zhǎng)

4、所需要的最佳范圍之內(nèi)。這樣既有利于作物的生長(zhǎng),又能節(jié)約寶貴的水資源。關(guān)鍵詞:自動(dòng)澆灌; PLC; 濕度傳感器;農(nóng)業(yè)自動(dòng)灌溉系統(tǒng)1 自動(dòng)澆灌系統(tǒng)簡(jiǎn)介系統(tǒng)采用自行研制的濕度傳感器監(jiān)測(cè)土壤的濕度情況,當(dāng)土壤濕度低于所要求的值后,自動(dòng)開(kāi)啟水泵電機(jī)和電磁閥,對(duì)該土壤澆水,當(dāng)濕度達(dá)到所要求的值后,停止?jié)菜闈M足不同作物或同種作物在不同生長(zhǎng)期對(duì)土壤濕度要求的不同,本系統(tǒng)采用PLC多路控制,在PLC的程序中設(shè)定相應(yīng)的比較值(上下限),以便每一路均可設(shè)定不同的濕度控制范圍。工作中把傳感器的當(dāng)前信號(hào)與程序的設(shè)定值進(jìn)行比較,根據(jù)比較的結(jié)果決定土壤是否需要澆水,若當(dāng)前信號(hào)達(dá)到設(shè)定的下限值,則開(kāi)啟澆灌系統(tǒng)對(duì)作物進(jìn)行灌

5、溉;當(dāng)土壤濕度達(dá)到設(shè)定的上限值,則關(guān)閉澆灌系統(tǒng)。2 電氣原理圖1  自動(dòng)澆灌裝置電源圖圖1中輸入電壓是AC220V??諝忾_(kāi)關(guān)選用DC47-60 C5。是一種即有手動(dòng)開(kāi)關(guān)作用又能自動(dòng)進(jìn)行欠電壓、失電壓、過(guò)載和短路保護(hù)的開(kāi)關(guān)。KHDY1開(kāi)關(guān)電源具有兩路輸出,一路是DC24V,為PLC供電;另一路是DC5V,為濕度傳感器電路和水位自動(dòng)控制電路提供電源。KHDY2開(kāi)關(guān)電源輸出DC24V,為電磁閥和繼電器提供電源。兩個(gè)開(kāi)關(guān)電源均為50W。圖2   PLC控制接線圖圖2中 PLC(可編程邏輯控制器)1采用的是TAIAN GENIE,型號(hào)為10HR-D。電源電壓為直流24V,本

6、身帶有LCD顯示屏及按鍵操作盤(pán),可方便地編輯程序及修改程序。具有6個(gè)開(kāi)關(guān)輸入點(diǎn),2個(gè)類比輸入點(diǎn),4個(gè)RELAY繼電器輸出點(diǎn)。當(dāng)主令開(kāi)關(guān)SA1打到自動(dòng)工作方式,然后再按下SB3按鈕,此裝置進(jìn)入自動(dòng)工作狀態(tài)。當(dāng)主令開(kāi)關(guān)SA1置于手動(dòng)工作方式下,然后再按下SB1按鈕,此裝置1路工作。按下SB2按鈕,此裝置2路工作。當(dāng)水箱的水位下降到下限時(shí),水位控制器控制繼電器J3閉合,通過(guò)PLC的邏輯控制控制水泵電機(jī)停止工作,保護(hù)了水泵電機(jī),同時(shí)控制面板上蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲、報(bào)警指示燈閃亮,提示為水箱加水。SB4是緊急停止按鈕,當(dāng)它按下時(shí)PLC停止工作,并且報(bào)警指示燈亮。在輸入電路中串入FU1保險(xiǎn)進(jìn)行保護(hù),在輸出電路

7、中串入FU2保險(xiǎn)進(jìn)行保護(hù)。濕度檢測(cè)裝置是我們自行研制的2。此電路用了比較器電路、R-S觸發(fā)器電路、門(mén)電路、輸出電路等。把濕度信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬電信號(hào)送入到PLC的類比輸入端A1、A2,與PLC的上下限比較,以確定是否需要澆灌。水泵電機(jī)采用直流電機(jī),控制直流電機(jī)的電樞電壓,就能控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速,而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速就能控制水泵的出水量,再結(jié)合軟件控制,使電機(jī)間歇運(yùn)轉(zhuǎn),正好達(dá)到滴灌。3       PLC原理圖3  PLC梯形圖上圖是PLC梯形圖。3有用功能塊:時(shí)間繼電器  T1  狀態(tài)ON  延時(shí)

8、5S時(shí)間繼電器  T2  狀態(tài)ON  延時(shí)15S時(shí)間繼電器  T3  狀態(tài)ON  延時(shí)5S時(shí)間繼電器  T4  狀態(tài)ON  延時(shí)15S比較器       G1   1路    參考值 <=3.5比較器       G2   1路    參考值 >=0.5比較器 

9、60;     G3  2路    參考值 <=3比較器       G4  2路    參考值 >=0.5中間繼電器 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 MA輸出繼電器 Q1 Q2 Q3 Q4輸入點(diǎn):I1 I2 I3 I4 I5 I6(A1 A2)輸出點(diǎn): Q1 Q2 Q3 Q4當(dāng)主令開(kāi)關(guān)打到自動(dòng)狀態(tài)時(shí),輸入點(diǎn)I1閉合,按下自動(dòng)按鈕SB3,輸入點(diǎn)I4閉合,中間繼電器M9輸出為1并自鎖,

10、系統(tǒng)處于自動(dòng)狀態(tài)。第一路濕度傳感器的輸出信號(hào)已接入PLC的模擬輸入端A1,作為當(dāng)前值,G1為上限類比比較器,其參考值可以根據(jù)要求隨意定;G2為下限類比比較器,其參考值可以根據(jù)要求隨意定。當(dāng)A1>=G1時(shí),繼電器M2輸出為0,繼電器M4輸出為0,輸出繼電器Q1為0,1號(hào)水閥YV1關(guān)閉。時(shí)間繼電器T1、T2輸出為0,繼電器M3輸出為0,輸出繼電器Q3為0,水泵關(guān)閉。當(dāng)A1<=G2時(shí),繼電器M2輸出為1,繼電器M4輸出為1,輸出繼電器Q1為1,1號(hào)水閥YV1打開(kāi)。時(shí)間繼電器T1為1并延時(shí)5秒后斷開(kāi)M3,水泵打水5秒鐘;T2延時(shí)15秒后斷開(kāi)T1,T2也輸出為0,T1又為1并延時(shí)5秒后斷開(kāi)M

11、3,水泵打水5秒鐘;T2延時(shí)15秒后斷開(kāi)T1,T2也輸出為0,T1又為1,就這樣周而復(fù)始,使水泵打水5秒、停15秒。(時(shí)間繼電器所控時(shí)間可按要求隨意定)。第二路濕度傳感器的輸出信號(hào)已接入PLC的模擬輸入端A2,作為當(dāng)前值,G3為上限類比比較器,其參考值可以根據(jù)要求隨意定;G4為下限類比比較器,其參考值可以根據(jù)要求隨意定。工作原理與第一路相同。當(dāng)水位下降到下限時(shí),輸入點(diǎn)I6為1,中間繼電器MA為1,斷開(kāi)輸出繼電器Q3,水泵停止工作,并接通輸出繼電器Q4,使蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警,達(dá)到保護(hù)的目的。4  發(fā)展前景當(dāng)前國(guó)內(nèi)的澆灌系統(tǒng)多采用時(shí)間控制,澆水量完全由時(shí)間決定,不能精確控制土壤的濕度。有

12、些澆灌系統(tǒng)雖然也采用濕度控制,但沒(méi)有根據(jù)土壤不同的濕度要求實(shí)現(xiàn)多路控制和每一路的自由調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)采用PLC控制多路不同土壤,澆灌的開(kāi)啟和停止完全由土壤的濕度信號(hào)控制,能使土壤的濕度值保持在作物生長(zhǎng)所需要的最佳范圍之內(nèi)。這樣既有利于作物的生長(zhǎng),又能節(jié)約寶貴的水資源。本系統(tǒng)可用于農(nóng)場(chǎng)大片田地的澆灌管理,也可用于家庭名貴花草的養(yǎng)護(hù),只需選擇合適的傳感器和調(diào)整PLC程序中濕度的設(shè)定值即可。本系統(tǒng)由于成本低,適用的范圍寬,其推廣應(yīng)用的前景是比較樂(lè)觀的。參考文獻(xiàn):1陸秀令,李可生,馬莉.PLC在自動(dòng)剪切線上的應(yīng)用J.機(jī)床電器2003(4).2唐德清.實(shí)用555汽車閃光器N.電子報(bào),1994-11-27(2

13、).3丁煒,魏孔平.可編程控制器在工業(yè)控制中的應(yīng)用M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004:59-85.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(xiàng)目。浙江托普儀器是國(guó)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(shí)力,和自主研發(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(jì)算機(jī)技術(shù)、GIS信息技術(shù),以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),竭誠(chéng)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

14、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(gè)層次延伸,涵蓋了感知系統(tǒng)(環(huán)境監(jiān)測(cè)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(tái)。)托普物聯(lián)網(wǎng)模塊化智能集成系統(tǒng)托普物聯(lián)網(wǎng)依據(jù)自身研發(fā)優(yōu)勢(shì),開(kāi)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(cè)系統(tǒng)。它依據(jù)各類傳感設(shè)備可以完成整個(gè)園區(qū)或完成對(duì)異地園區(qū)所需數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)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(gè)園區(qū)或遠(yuǎn)程控制異地園區(qū)進(jìn)行自動(dòng)灌溉、自動(dòng)降溫、自動(dòng)開(kāi)啟風(fēng)機(jī),自動(dòng)補(bǔ)光及遮陽(yáng),自動(dòng)卷簾,自動(dòng)開(kāi)窗關(guān)窗,自動(dòng)液體肥料施肥、自動(dòng)噴藥等各類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的自動(dòng)控制。3、視頻監(jiān)控模塊:即實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。主要是通過(guò)監(jiān)控中心實(shí)時(shí)得到植物生長(zhǎng)信息,在監(jiān)控中心或異地互聯(lián)網(wǎng)上既可隨時(shí)看到作物的實(shí)時(shí)生長(zhǎng)狀況。4、預(yù)警模塊:即遠(yuǎn)程植保預(yù)警系統(tǒng)??梢酝ㄟ^(guò)聲光報(bào)警、短信報(bào)警、語(yǔ)音報(bào)警等方式進(jìn)行預(yù)警。5、溯源模塊:即農(nóng)

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