寒地水稻水層管理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：系統(tǒng)通過(guò)上位機(jī)利用無(wú)線通信方式對(duì)水稻生長(zhǎng)環(huán)境包括溫度、濕度、露點(diǎn)、雨量、太陽(yáng)輻射、光合有效輻射、水面蒸發(fā)、水溫、水量、水深、泥溫等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析，并通過(guò)下位機(jī)可編程控制器（PLC）控制執(zhí)行設(shè)備，實(shí)現(xiàn)寒地水稻在不同生長(zhǎng)期對(duì)水層管理的需求。初步試驗(yàn)表明系統(tǒng)的自動(dòng)控制過(guò)程穩(wěn)定，為今后水稻生長(zhǎng)全過(guò)程的自動(dòng)節(jié)水灌溉控制提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：生長(zhǎng)環(huán)境；水層管理；可編程控制器（PLC）；無(wú)線通信

中圖分類(lèi)號(hào)：S274.2；S511 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）11-2657-04

寒地水稻是我國(guó)北方地區(qū)大面積種植的作物，種植技術(shù)日趨成熟。寒地水稻的整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程可分為大棚育秧和田間生長(zhǎng)兩個(gè)階段。隨著數(shù)字化大農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的數(shù)字化和信息化手段應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品加工等領(lǐng)域[1]。其中，對(duì)于農(nóng)田灌溉的監(jiān)控還處于早期的人工監(jiān)控階段，工作效率較低且成本高。

可編程控制器（簡(jiǎn)稱(chēng)PLC）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良、抗干擾性能好、可靠性高和易于功能擴(kuò)展等諸多優(yōu)點(diǎn)[2]，在機(jī)械、化工、電力、石油天然氣等行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用，成為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的最主要的控制手段[3]。同時(shí)，利用PLC所具有的串行通信和計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信功能，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)多臺(tái)PLC控制裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程集中監(jiān)控[4]。因此，本研究借鑒PLC在工業(yè)生產(chǎn)中的成功經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，對(duì)農(nóng)田作物的生長(zhǎng)和灌溉狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以提高農(nóng)田水稻生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)組成及功能

寒地水稻水層管理控制系統(tǒng)組成如圖1所示。水層管理系統(tǒng)以PLC作為控制核心，PC機(jī)作為上位機(jī)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)對(duì)格田作物生長(zhǎng)環(huán)境、執(zhí)行裝置等信息進(jìn)行定期的數(shù)據(jù)收集和存儲(chǔ)。將PLC與電動(dòng)執(zhí)行器、水位傳感器和無(wú)線傳輸模塊等設(shè)備相連，共同構(gòu)成系統(tǒng)的基本RTU單元，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)農(nóng)田水層進(jìn)行智能化管理和監(jiān)控。上位機(jī)與下位機(jī)可以構(gòu)成主從式一點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)或者一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。在上位機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)控制終端PLC之間采用異步串行通信協(xié)議，以半雙工輪詢方式通過(guò)無(wú)線數(shù)傳模塊與PLC通信。其中，無(wú)線數(shù)傳模塊采用透明方式工作，只起數(shù)據(jù)傳輸作用，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)采用同一頻率，通信時(shí)站點(diǎn)的識(shí)別是通過(guò)對(duì)PLC進(jìn)行不同地址編號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

寒地水稻水層管理控制系統(tǒng)的主要功能是按照農(nóng)作物的不同生長(zhǎng)期，根據(jù)外界環(huán)境變化的影響自動(dòng)完成秧苗供水控制，達(dá)到按需供水的目的，從而有效提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和水的利用率。

1.1 電動(dòng)執(zhí)行器

電動(dòng)執(zhí)行器是控制系統(tǒng)終端的執(zhí)行設(shè)備，為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和操作，系統(tǒng)采用電動(dòng)蝶閥完成對(duì)格田的給排水。通過(guò)與控制器相連的觸摸屏，操作人員可以對(duì)格田閥門(mén)進(jìn)行手動(dòng)操作，同時(shí)在觸摸屏上也可以設(shè)置格田所需水位高低，控制器可以根據(jù)設(shè)置水位參數(shù)自動(dòng)完成閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉以達(dá)到作物所需的用水量。電動(dòng)蝶閥除本身能夠電動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉外，還具有開(kāi)啟和關(guān)閉的位置信號(hào)，上位機(jī)可以通過(guò)與控制器PLC的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田作物給水和排水的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

由于工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件較差，為保證工作的可靠性和安全性，電動(dòng)蝶閥執(zhí)行器采用24 V直流電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)執(zhí)行器端子接線如圖2。通過(guò)端子1和2輸入給電動(dòng)機(jī)+24 V或-24 V的電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉。當(dāng)電動(dòng)蝶閥開(kāi)啟到位或關(guān)閉到位時(shí)，通過(guò)閥門(mén)內(nèi)部限位開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)，通過(guò)端子4、端子5和端子6輸出閥門(mén)的開(kāi)關(guān)位置信號(hào)供PLC使用。

1.2 超聲波水位計(jì)

1.3 UT620通信轉(zhuǎn)換模塊

UT620是為T(mén)CP/IP到RS-232/422/485之間完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的通訊接口轉(zhuǎn)換器，UT620型轉(zhuǎn)換模塊外部端子接線如圖4。UT620內(nèi)建的RTOS（實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）及完整的TCP/IP通訊協(xié)議，可使UT-620不只提供可靠穩(wěn)定的操作平臺(tái)，更可使原有系統(tǒng)簡(jiǎn)便快速地經(jīng)由Internet進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。UT620可通過(guò)配套軟件在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，最后可生成多個(gè)虛擬串口，來(lái)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)與RS485通信方式之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳輸。

2 PLC控制器軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的PLC采用的是三菱FX2N系列的可編程控制器。三菱FX2N系列可根據(jù)具體情況定制特殊功能的產(chǎn)品，如溫度控制模塊、位置控制模塊、模擬量輸入輸出模塊等[5，6]。它具有體積小、工作可靠性高、高性價(jià)比的優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)外很多監(jiān)控系統(tǒng)中都有廣泛的應(yīng)用。

2.1 主程序設(shè)計(jì)

PLC作為整個(gè)控制系統(tǒng)的底層單元，對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理具有重要作用，PLC編程軟件為GX Developer，為了方便現(xiàn)場(chǎng)人員使用操作，利用觸摸屏作為現(xiàn)場(chǎng)操作界面。PLC的主程序流程如圖5。下位機(jī)控制器通過(guò)FX2N-4AD模擬量采集模塊進(jìn)行水位數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)格田內(nèi)水位和明渠內(nèi)水位與設(shè)定水位上、下限值的邏輯控制關(guān)系，自動(dòng)完成水稻生長(zhǎng)過(guò)程中的水層控制。同時(shí)，通過(guò)流量的采集能夠監(jiān)測(cè)整個(gè)生長(zhǎng)期中水稻的全年用水量，為下季水稻生產(chǎn)合理配置用水量起到參考作用。

2.2 通信協(xié)議

系統(tǒng)采用FX2N與計(jì)算機(jī)鏈路格式1方式，即主從站協(xié)議通信方式，因此只對(duì)數(shù)據(jù)寄存器D進(jìn)行字讀和字寫(xiě)操作。通訊格式：數(shù)據(jù)長(zhǎng)度8位，停止位1位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，傳輸速率9 600 bps。

1）主站讀從站數(shù)據(jù)格式。主站讀從站數(shù)據(jù)格式如圖6所示，橫線上方表示主站發(fā)送的數(shù)據(jù)，橫線下方表示從站發(fā)送的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送順序從左到右。其中，站號(hào)用2字符十六進(jìn)制數(shù)，范圍1-F，對(duì)應(yīng)十進(jìn)制1-15，即表示可帶15個(gè)從站；當(dāng)站號(hào)為0時(shí)，表示PLC做主站。PC號(hào)固定為FF，頭元件只能是數(shù)據(jù)寄存器D，用5個(gè)字符表示，如D0100。元件數(shù)用2位十六進(jìn)制的字符表示，如0A，表示十個(gè)字元件。指定元件數(shù)據(jù)，一個(gè)元件數(shù)據(jù)用4個(gè)十六進(jìn)制的字符表示，如AB96，錯(cuò)誤碼暫未使用。

2）主站向從站寫(xiě)數(shù)據(jù)格式。主站向從站傳送信息如圖7所示，傳送格式中字符含義同主站讀從站數(shù)據(jù)格式相似。

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上位機(jī)選用華研工業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)，配備不間斷電源實(shí)現(xiàn)短時(shí)間掉電保護(hù)功能，并提供大屏幕顯示系統(tǒng)的所有監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。上位機(jī)軟件選用DELPHY7編程軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，提供友好的畫(huà)面顯示，上位機(jī)軟件主界面（圖8）中主界面（1）為格田水層管理控制界面，主界面（2）為水稻生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)界面，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)上位機(jī)分析處理能夠?qū)崿F(xiàn)多種數(shù)據(jù)報(bào)表、數(shù)據(jù)歷史查詢、溫度趨勢(shì)曲線、報(bào)警記錄、遠(yuǎn)程控制管理等功能，有效提高了生產(chǎn)工作效率，實(shí)現(xiàn)工業(yè)級(jí)的全自動(dòng)智能化監(jiān)控。

4 小結(jié)

水層管理自動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸對(duì)水稻格田的主要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，在上位機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，能夠按照水稻不同生長(zhǎng)期對(duì)格田的水層進(jìn)行科學(xué)管理和調(diào)配，也可以通過(guò)上位機(jī)對(duì)水稻生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如水溫、土壤溫濕度、雨量蒸發(fā)量等氣象數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在水稻的全生育期對(duì)水稻進(jìn)行按期、按需自動(dòng)高效合理的灌溉控制，從而達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化管理新模式。同時(shí)，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理功能，經(jīng)半年多的實(shí)際運(yùn)行，其性能穩(wěn)定、運(yùn)行可靠、人機(jī)界面友好、易操作，使用維護(hù)方便，具有很好的可擴(kuò)展性和較高的實(shí)用價(jià)值。

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