基于PLC與HMI技術(shù)的智能滴灌控制系統(tǒng)

魏 強(qiáng)，田思慶，李 帥，張炳權(quán)

(佳木斯大學(xué) ，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

水是人類生存與發(fā)展不可缺少的重要資源，根據(jù)我國(guó)農(nóng)業(yè)部的最新調(diào)查，我國(guó)近年來(lái)平均每年的總用水量為5 500億m3，其中61.4%用于農(nóng)業(yè)灌溉，而我國(guó)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉方式對(duì)水資源的利用率僅有45%，造成了水資源的極大浪費(fèi)。滴灌技術(shù)作為最節(jié)水的灌溉方法之一，在我國(guó)的推廣程度仍然很低，我國(guó)對(duì)成本低，容易推廣使用的自動(dòng)滴灌系統(tǒng)的需求十分迫切[1]。

滴灌作為一種節(jié)水灌溉方式，具有很多其他灌溉方式所不具備的優(yōu)點(diǎn)，它不僅能節(jié)約水資源和勞動(dòng)量，同時(shí)由于它單次注水量少，因此可以保持大棚內(nèi)溫度，降低大棚內(nèi)濕度和防止病蟲(chóng)害發(fā)生。本課題設(shè)計(jì)的智能滴灌控制系統(tǒng)，綜合考慮種植區(qū)光照強(qiáng)度和植物生長(zhǎng)土壤濕度兩個(gè)因素，采用模糊控制規(guī)則，保證給予作物足夠水分生長(zhǎng)的同時(shí)，最大程度的節(jié)約水資源和減少其他能源的損耗。

1 智能滴灌控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本課題設(shè)計(jì)的智能滴灌控制系統(tǒng)主要應(yīng)用于大棚種植，其過(guò)程控制系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)有三路架設(shè)在大棚地表土壤上方帶有毛細(xì)滴灌口的滴灌管道，每一根滴灌管道負(fù)責(zé)一壟作物，管道上的毛細(xì)滴灌口的間距可根據(jù)作物生長(zhǎng)的土壤條件和作物的生長(zhǎng)特性在0.3 m到1.5 m之間選擇。每一壟植物滴灌管道附近土壤中埋設(shè)有3個(gè)土壤濕度傳感器，以用來(lái)檢測(cè)作物生長(zhǎng)的土壤濕度。在大棚內(nèi)安裝光照強(qiáng)度傳感器，用來(lái)檢測(cè)大棚內(nèi)光照強(qiáng)度。在連接滴灌支路和滴灌干路上安裝比例電磁閥，通過(guò)控制比例電磁閥的開(kāi)度，可以調(diào)節(jié)滴灌管道支路中的給水流量，從而改變滴灌速度[2]。在滴灌干路上安裝有出水泵，通過(guò)變頻器改變出水泵的轉(zhuǎn)速，以保證不同需水情況下，滴灌系統(tǒng)水流壓力的恒定。用于儲(chǔ)存水及過(guò)濾雜物的儲(chǔ)水罐中，裝有用于檢測(cè)罐內(nèi)水位的液位開(kāi)關(guān)，以及進(jìn)水閥門等。

圖1 智能滴灌過(guò)程控制系統(tǒng)

智能滴灌控制系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)主要包括西門子KTP700basic觸摸屏，西門子PLC1200，模擬量輸入/輸出拓展模塊SM1234，西門子G120變頻器以及若干控制器開(kāi)關(guān)和交流接觸器等。通過(guò)Profnet通訊方式將PLC、觸摸屏、變頻器通訊連接，土壤濕度傳感器和光照度傳感器測(cè)量的模擬量信號(hào)連接到SM1234模塊中。系統(tǒng)中部分?jǐn)?shù)字量及模擬量輸入如表1所示，數(shù)字量及模擬量輸出如表2所示。控制器PLC1200電氣接線如圖3所示。

圖2 智能滴灌控制系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)圖

PLC輸入地址定義I0．0電源開(kāi)關(guān)I0．1液位高位開(kāi)關(guān)I0．2液位中位開(kāi)關(guān)I0．3液位低位開(kāi)關(guān)ID0土壤濕度傳感器1ID4土壤濕度傳感器2ID8土壤濕度傳感器3ID12土壤濕度傳感器4ID16土壤濕度傳感器5

2 智能滴灌控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 智能滴灌控制系統(tǒng)控制規(guī)則

本課題設(shè)計(jì)的智能滴灌控制系統(tǒng)主要由3個(gè)控制部分組成。其中，第一部分綜合某一滴灌管道附近的土壤濕度和光照強(qiáng)度兩個(gè)信號(hào)控制該滴灌支路比例電磁閥的開(kāi)度；第二部分綜合三路滴灌支路上比例電磁閥的開(kāi)度狀況控制出水泵的轉(zhuǎn)速；第三部分通過(guò)儲(chǔ)水罐中液位開(kāi)關(guān)和出水泵轉(zhuǎn)速控制進(jìn)水閥的開(kāi)閉。本系統(tǒng)設(shè)有可相互轉(zhuǎn)換的手動(dòng)和自動(dòng)控制方式，其中自動(dòng)控制方式流程如圖4所示。

表2 智能滴灌控制系統(tǒng)PLC輸出地址及含義

圖3 控制器PLC1200電氣接線

圖4 系統(tǒng)自動(dòng)控制方式流程圖

第一控制部分,根據(jù)專家和操作人員的經(jīng)驗(yàn)在人機(jī)界面中設(shè)定好適宜作物生長(zhǎng)的土壤濕度范圍和光照強(qiáng)度范圍。模糊控制規(guī)則中以土壤濕度和光照強(qiáng)度兩個(gè)參數(shù)為輸入量，比例電磁閥的開(kāi)度為輸出量。制定模糊控制規(guī)則調(diào)節(jié)比例電磁閥的開(kāi)度以改變滴灌支路的給水流量，從而調(diào)節(jié)滴灌速度。設(shè)定的模糊控制規(guī)則輸入范圍[低，中，高],分別對(duì)應(yīng)：“低于設(shè)定土壤濕度(光照強(qiáng)度)下限”；“處于土壤濕度(光照強(qiáng)度)下限與上限之間”；“高于土壤濕度(光照強(qiáng)度)上限”。輸出范圍[關(guān)閉，半開(kāi)，全開(kāi)]，對(duì)應(yīng)比例電磁閥3個(gè)狀態(tài)。根據(jù)土壤濕度和光照強(qiáng)度狀況控制比例電磁閥開(kāi)合程度模糊控制規(guī)則如表3。

表3 濕度、光照強(qiáng)度控制比例電磁閥開(kāi)度模糊控制規(guī)則表

該系統(tǒng)第二控制部分是通過(guò)三路比例電磁閥開(kāi)度去控制出水泵轉(zhuǎn)速，以保持管道內(nèi)的有充足的水壓進(jìn)行滴灌。其中，該模糊控制規(guī)則的3個(gè)輸入分別為：管路1電磁閥開(kāi)度,管路2電磁閥開(kāi)度，管路3電磁閥開(kāi)度，其中定義的輸入范圍[0，0.5，1],分別對(duì)應(yīng)比例電磁閥的3個(gè)開(kāi)度[關(guān)閉，半開(kāi)，全開(kāi)]；輸出為出水泵轉(zhuǎn)速，輸出范圍為[0,200,400,600,800,1 000] r/min。滴灌支路電磁閥控制電機(jī)轉(zhuǎn)速規(guī)則如表4。

該系統(tǒng)第三控制部分結(jié)合液位低、中、高和出水泵轉(zhuǎn)速控制進(jìn)水電磁閥個(gè)數(shù)，以防止滴灌供水不足和水過(guò)量溢出。該模糊控制規(guī)則中兩個(gè)輸入量分別為出水泵轉(zhuǎn)速和液位出水泵轉(zhuǎn)速的輸入范圍分別對(duì)應(yīng)[0,200,400,600,800,1 000] r/min，液位的輸入范圍[L,M,H]分別對(duì)應(yīng)：[低于液位下限，處于液位上限和下限之間，高于液位上限]。輸出量為電磁閥的開(kāi)啟個(gè)數(shù)，輸出范圍[1,2,3]對(duì)應(yīng)[開(kāi)啟一個(gè)進(jìn)水閥，開(kāi)啟兩個(gè)進(jìn)水閥，開(kāi)啟3個(gè)進(jìn)水閥]，具體控制規(guī)則如表5。

表4 滴灌支路電磁閥開(kāi)度控制電機(jī)轉(zhuǎn)速規(guī)則表

表5 液位和出水泵轉(zhuǎn)速控制進(jìn)水閥開(kāi)啟個(gè)數(shù) 個(gè)

3.2 智能滴灌系統(tǒng)軟件

本課題設(shè)計(jì)的智能滴灌控制系統(tǒng)采用西門子公司新推出的PortolV13軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)編程，該軟件可以同時(shí)對(duì)PLC、HMI、變頻器設(shè)備程序進(jìn)行編寫(xiě)設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)顯示界面主要包括：手動(dòng)控制界面、主參數(shù)顯示界面、系統(tǒng)故障報(bào)警界面、歷史數(shù)據(jù)報(bào)表界面和實(shí)時(shí)曲線界面[3]。

手動(dòng)控制界面中設(shè)定了比例電磁閥、出水泵及進(jìn)水閥的開(kāi)關(guān)控制按鈕，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)之前可以通過(guò)手動(dòng)控制界面的控制開(kāi)關(guān)按鈕，來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)各個(gè)執(zhí)行部件是否能運(yùn)行正常。并且在系統(tǒng)自動(dòng)控制流程出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以通過(guò)手動(dòng)按鈕來(lái)控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件，及時(shí)阻止不正常運(yùn)行，防止出現(xiàn)較大的損失。

主參數(shù)顯示界面主要根據(jù)土壤濕度傳感器和光照強(qiáng)度傳感器在線顯示大棚作物的土壤濕度和大棚內(nèi)的光照強(qiáng)度，以利于操作人員隨時(shí)了解大棚內(nèi)土壤濕度和光照強(qiáng)度，并且通過(guò)字體顏色的不同表征土壤干燥程度和光照強(qiáng)度，以便操作人員采取措施。主參數(shù)顯示界面如圖5所示。

圖5 智能滴灌控制系統(tǒng)主參數(shù)顯示界面

歷史數(shù)據(jù)報(bào)表界面可以把采集到的土壤濕度、光照強(qiáng)度、比例電磁閥的開(kāi)合程度，以及出水泵的轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，并生成歷史數(shù)據(jù)報(bào)表.該系統(tǒng)同時(shí)支持U盤導(dǎo)出，工作人員可以通過(guò)輸入時(shí)間范圍方便地查詢各個(gè)時(shí)期的歷史數(shù)據(jù)，為日后系統(tǒng)優(yōu)化以及農(nóng)業(yè)研究提供了寶貴的數(shù)據(jù)資源[4]。

在報(bào)警界面中，系統(tǒng)通過(guò)定期時(shí)間掃描監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中各個(gè)傳感器測(cè)量值是否超出其檢測(cè)范圍,判定傳感器是否損壞，以及管道是否發(fā)生堵塞，以及無(wú)法正常對(duì)大棚內(nèi)作物進(jìn)行正常灌溉等故障。

參數(shù)設(shè)定界面可以根據(jù)不同作物對(duì)陽(yáng)光和水資源的需求不同，設(shè)定適合作物生長(zhǎng)的土壤濕度和光照強(qiáng)度范圍，以利于植物的正常生,同時(shí)考慮到節(jié)氣不同對(duì)滴灌時(shí)間長(zhǎng)度要求也不同，而設(shè)定了每天滴灌起止時(shí)間范圍。具體參數(shù)設(shè)定界面如圖6所示。

圖6 智能滴灌控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定界面

4 結(jié) 論

基于 PLC和HMI 的智能滴灌控制系統(tǒng)使用效果良好，設(shè)計(jì)程序通過(guò)對(duì)大棚內(nèi)作物生長(zhǎng)土壤濕度、光照強(qiáng)度變化，智能的對(duì)農(nóng)作物滴灌量和滴灌時(shí)間的進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大棚內(nèi)作物滴灌的智能化和自動(dòng)化，減少了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也有效地節(jié)約了水資源和其他損耗類資源[5]。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本低，可靠地硬件和完善的程序保證了系統(tǒng)的可靠性， 設(shè)定滴灌時(shí)間控制保證減少了對(duì)滴管設(shè)備的和電力資源的損耗，并且調(diào)試維護(hù)簡(jiǎn)單，具有廣闊的應(yīng)用前景和使用價(jià)值。

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