基于PLC的棉花灌溉控制系統(tǒng)的研究

李建軍

(塔里木大學機械電氣化工程學院， 新疆 阿拉爾 843300)

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基于PLC的棉花灌溉控制系統(tǒng)的研究

李建軍

(塔里木大學機械電氣化工程學院， 新疆 阿拉爾 843300)

通過對農(nóng)業(yè)灌溉控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀的介紹，本文利用可編程控制器、變頻裝置以及模擬模塊實現(xiàn)對棉花等農(nóng)作物噴灌檢測控制。論文通過系統(tǒng)的硬件結構設計和軟件編程研究了基于PID算法的溫、濕度檢測；并對上位機和可編程控制器通信后對現(xiàn)場棉花灌溉的自動控制進行了研究。

PID； 控制系統(tǒng)； 節(jié)水

我國是水資源缺水大國，農(nóng)業(yè)灌溉智能化、自動化程度不高，目前主要應用于國家、省市的實驗田和農(nóng)業(yè)技術研究中心中，例如國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術研究中心研制了“遠程手機無線灌溉控制系統(tǒng)”[1]，但距離大面積推廣還有一段距離，因此對農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的研究具有必要性。

南疆地處沙漠地帶，干旱少雨，水資源缺乏。棉花等農(nóng)作物缺水嚴重，設計一套適合南疆地區(qū)的棉花節(jié)水控制系統(tǒng)對節(jié)約水資源具有重要的意義。節(jié)水控制系統(tǒng)早期是繼電器控制，繼電器控制特點是控制系統(tǒng)簡單、便于操作，但智能性低；單片機控制系統(tǒng)應用也較多，控制精度高，但穩(wěn)定性差[2-3]。由于南疆地處偏遠，工業(yè)化程度低，當自控控制設備出現(xiàn)故障時，由于維修不及時，可能會對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成重大損失，因此控制設備的可靠性是需要重點考慮的。另外，不同灌溉方式和不同的控制方法對覆膜棉田以及其他農(nóng)作物的土壤溫度的影響也不同[6-7]，本文研究的控制系統(tǒng)是以PLC為核心，由于PLC的特點是可靠性高、故障率低、編程簡單以及維護方便，因此成為本論文研究的控制系統(tǒng)的核心器件，控制系統(tǒng)通過PLC和變頻器相結合，根據(jù)檢測的棉花溫、濕度信號從而控制水泵的轉速達到控制水量的作用，來節(jié)約用水量。

1 系統(tǒng)概述

1.1 控制系統(tǒng)構成

論文研究的控制系統(tǒng)主要由可編程控制器(PLC)、變頻器、模擬擴展模塊以及檢測系統(tǒng)、電機等幾部分組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示.

1.2 控制過程

首先，對棉花灌溉地的溫濕度參數(shù)測量，參數(shù)測量是由檢測系統(tǒng)完成，然后把現(xiàn)場檢測的數(shù)據(jù)傳送到模擬模塊中，通過A/D轉換把現(xiàn)場的模擬量轉換成數(shù)字量，經(jīng)PLC智能運算后把運算結果送到變頻裝置，進而啟動和停止電機控制噴灌。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

2 硬件選擇

2.1 主機

本系統(tǒng)選S7——200 CPU 224XP型主機，通過關閉編輯程序的可選功能來獲取更多的程序存儲區(qū)。CPU 224XP支持集成的模擬量I/O和兩個通訊端口，存儲卡具有轉換、比較以及編程選擇。主機主要輸入和輸出口如表1所示。

表1 PLC模塊端口分配

2.2 變頻器裝置

變頻器選擇西門子MM420，標準的模擬設定值的端口為AIN+/ AIN -，電壓值為0-10V，相當于頻率設定值的 0-50 Hz。電動機起動時數(shù)字端子DIN 1為高電平，反之，電動機停車端子 DIN 1是低電平。另外，可手動用BOP/AOP 上的OFF按鈕控制停機，按下OFF 按鈕(持續(xù)2 秒鐘)；或按兩次OFF(停車)按鈕即可停機。當電動機反轉時輸出端子DIN2設定值為高電平。

變頻器MM420的所有控制方式選擇基于V/f 控制特性[4]。不同的控制關系適用于各種不同的應用對象，其中線性 V/f 控制，可用于可變轉矩和恒定轉矩的負載如帶式運輸機和正排量泵類控制；帶磁通電流控制(FCC)V/f 控制，可用于提高電動機的效率和改善其動態(tài)響應特性，變轉矩負載如風機和水泵，本設計系統(tǒng)使用后一種控制方式。

系統(tǒng)中變頻器外部接線圖1所示和參數(shù)選擇如圖2和表2所示。

圖2 變頻器外部接線圖

2.3 模擬量擴展模塊

S7--200 CPU 224XP型主機本身模擬量功能，為了完成系統(tǒng)的模擬量控制必須外加模擬量模塊EM235。EM235有4路模擬量輸入和1路模擬量輸出功能。本系統(tǒng)選擇輸入雙極性電壓EM235模塊和土壤溫度傳感器 PTWD-3A配合， 結合DL2 電流變送器輸出4～20 mA信號，以及0～2. 5 V雨量傳感器信號送給可編程程序控制器有PID功能指令模擬模塊EM235。為了讓棉花能夠在適宜的濕度環(huán)境下生長，并能適時判斷土壤的溫濕度，所以選擇較高精度的土壤溫濕度傳感器尤其重要，本設計選擇PTWD-3A型土壤溫度傳感器，此傳感器是不銹鋼材質(zhì)有防腐功能，傳感器的感應部分是Pt-100鉑電阻元件組成測量精度高，能夠很好的檢測棉花生長的土壤溫濕度。

表2 變頻器參數(shù)設定

3 下位機軟件的設計

3.1 軟件設計

軟件設計智能算法多樣[5]，本設計用PID算法，PID算法精度高，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。程序設計包括主程序和子程序，主程序開始后進行PLC掃描，讀取檢測到的溫度等數(shù)據(jù)，然后調(diào)用定時子程序，比較檢測數(shù)據(jù)和設定值，子程序結束后返回主程序繼續(xù)執(zhí)行。其中中斷子程序流程圖如圖3所示。

3.2 PID功能指令

STEP 7--Micro/WIN 4.0是用于S7--200的32位編程軟件包，軟件支持最新西門子CPU增強功能的新軟件工具和改進過的軟件工具，本系統(tǒng)中使用 PID自動整定控制面板、PLC內(nèi)置位控向導、數(shù)據(jù)歸檔向導和配方向導編程。

在STEP7 MicroWIN環(huán)境下點擊“新建項目” 按鈕，選擇文件(File)和 新建(New)菜單命令，按Ctrl+N快捷鍵組合。在菜單“文件”下單擊“新建”，開始新建一個程序，在程序編輯器中輸入指令，最后從指令樹拖放選擇的指令編程。按“控制接線圖”連接PLC外圍電路；點擊屬性對話框，在彈出的對話框中選擇“PC/PPI通信方式”，設置PC/PPI屬性如圖4所示。

圖3 子程序流程圖

3.3 系統(tǒng)控制過程

按照I/O端口分配表或接線圖完成PLC與變頻器和各個模塊之間的接線，打開編寫的控制程序，進行編譯，有錯誤時根據(jù)提示信息修改，直至無誤，用PC/PPI通訊編程電纜連接計算機串口與PLC通訊口，打開PLC主機電源開關，下載程序至PLC中，下載完畢后將PLC的“RUN/STOP”開關撥至“RUN”狀態(tài)。

模擬量模塊輸入端從溫度變送器端采集土壤溫度信號，經(jīng)過程序運算后由模擬量輸出端輸出控制信號至驅動端控制線圈等電器設備，進而控制水泵等設備。程序運行后，溫度變送端采集的物體溫度信號作為過程變量，經(jīng)程序PID運算后，由模擬量輸出端輸出控制信號至驅動端控制設備，對受控對象進行噴灑。初始化程序如下

LD SM0.1

MOVB 100, SMB34

ATCH AD_DA_PID:INT0, 10

ENI

圖4 PC/PPI屬性設置

程序初始化時啟動定時中斷，設定定時中斷的時間為100 ms。

3.4 系統(tǒng)輸出模塊程序

模擬量的標準電信號是A0～Am，和4～20 mA電流信號對應，通過模數(shù)和數(shù)模轉換后得數(shù)值為D0～Dm(6 400～32 000)，則標準電信號A為

A=(D-D0)×(Am-A0)/(Dm-D0)+A0

(1)

同理可得通過數(shù)模轉換后數(shù)字量D方程為

D=(A-A0)×(Dm-D0)/(Am-A0)+D0

(2)

本系統(tǒng)使用溫度傳感器，當溫度達到滿量程100 ℃時，溫度傳感器的輸出電流是20mA，AIW0的數(shù)值是32 000。可見，每毫安對應的A/D值為32000/20，由此可得出AIW0的數(shù)值轉換為實際溫度各個點的連續(xù)值。

本系統(tǒng)使用主機和模擬量擴展模塊EM235，傳感器測量的溫度范圍是0～100度，測量溫測量模擬量輸入AIW和模擬量輸出AQW輸出程序以及溫度測量主程序。其中模擬量輸入通道AC0信號范圍0. 0～1. 0，模擬量輸出通道VD5輸入范圍0.0～1.0。

4 結論

論文以PLC為主機采用PID法對棉花農(nóng)作物的噴灌系統(tǒng)進行控制，使系統(tǒng)基本上達到控制要求。具體得出結論如下：

4.1 該系統(tǒng)對棉花作物噴灌控制系統(tǒng)進行了研究；

4.2 本系統(tǒng)能通過土壤濕度，土壤溫度對棉花能農(nóng)作物溫濕度測量來控制澆灌的水量和時間，具有一定的智能；

4.3 基于PID算法的PLC對控制穩(wěn)定性好，精度高，能夠實現(xiàn)節(jié)水目的。

本文設計的系統(tǒng)雖然實現(xiàn)了上述功能，但仍有下一步工作可以開展

4.3.1 經(jīng)過PLC與PC的通信，可以設計上位機軟件系統(tǒng)在線檢測功能，實現(xiàn)現(xiàn)場溫濕度等參數(shù)在上位機上顯示，通過上位機上的數(shù)值向噴灌區(qū)PLC發(fā)出控制指令，來控制棉花農(nóng)作物的噴灌。

4.3.2 控制系統(tǒng)的安裝位置、管道的布置應該深入研究，這些都對灌溉的成本有著重要的影響。

[1] 孫剛,鄭文剛,趙春江,等.基于Mobus協(xié)議的無線灌溉控制系統(tǒng)研究[J].節(jié)水灌溉,2008,(4):54-5.

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Research of Cotton Irrigation Control System Based on PLC

Li Jianjun

(College of Mechanic and Electrical Engineering, Tarim University, Alar, Xinjiang 843300 )

Research on the status of agricultural irrigation control system introduced, the paper used programmable controller, frequency and analog devices, and modules to achieve the detection of cotton and other crops sprinkler control. This paper studied the temperature and humidity detection by hardware design and software programming system based on PID algorithm, realized cotton irrigation automatic control after the host computer and programmable controllers communicate.

PID; control system; water saving

2014-05-15基金項目：塔里木大學校長基金(TDZKSS201321)作者簡介：李建軍(1972-)，男，講師，工程師，研究方向為農(nóng)業(yè)控制技術和可再生能源發(fā)電技術。 E-mail:lijianjuntd@163.com

1009-0568(2015)01-0107-04

TM571.61

B

10.3969/j.issn.1009-0568.2015.01.019