微潤灌溉技術自動控制的研究

程 巖，王新坤， 朱燕翔，楊玉超

(江蘇大學流體機械工程技術研究中心 ，江蘇 鎮江 212013)

微潤灌溉將半透膜技術原理引入灌溉領域，其工作壓力比較小，因此特別適用于溫室大棚及丘陵山區等地的作物灌溉，并且運營成本比較低，節水效果非常明顯，在相對缺水比較嚴重的地區應用比較廣泛。由于偏遠山區勞動力稀少，因而實現微潤灌溉自動控制具有十分重要的作用[1,2]。

本文選用可編程邏輯控制器[3-5]，控制電磁閥來對水箱進行適時加水。由于微潤帶在不同的工作壓力下，向外滲水量不同，因而根據作物對水的需求量，控制水箱內液位與微潤帶之間的高度，形成壓力差作為系統的工作壓力。因為工作周期較長，系統的執行元件選用電磁閥，根據控制器發出的命令，將水箱液位高度控制在設定范圍，使得實際工作壓力在微潤帶所需工作壓力基礎上作微小的波動，則微潤帶的滲水量即可滿足作物的需水量，在節約用水的基礎上，對作物的灌溉更加合理。

圖1 系統結構

1 控制系統設計

1.1 系統硬件

該系統如圖1所示，系統主要由可編程邏輯控制器、水箱、進水閥、出水閥和液位傳感器組成。出水閥為普通球閥，連接微潤帶，實現向微潤帶24 h不間斷地供水。進水閥選用電磁閥，當閥門通電時，電磁線圈會產生較大的電磁力，電磁力把閥門的關閉件從閥座上提起，此時閥門便打開，向水箱供水；斷電時，電磁力就會消失，電磁閥內部的彈簧會把關閉件壓在閥座上，則閥門關閉，停止向水箱供水。在系統工作時，出水閥不受控制器控制，控制器只控制進水閥。水箱上下限值根據作物對水位的需求設定，當水位低于設定值的下限，打開進水閥，向水箱中供水；當水位高于設定值的上限，關閉進水閥，停止向水箱中供水。循環往復，可以實現水箱在設定的高度范圍內，使灌溉更加具有理論依據。液位傳感器為檢測裝置，檢測水箱液位的實時高度，傳感器輸出為4～20 mA的電流模擬信號，測量范圍為1～1000 mm。

控制器選用可編程邏輯控制器，是系統的核心部分。實現對整個系統信號的采集、數據的轉換、數據傳輸與處理。當液位傳感器檢測到水箱液位時，向控制器發出電流信號，控制器中的A/D轉換模塊對采集到的模擬信號進行轉換，得到直觀的數字信號，并將數字信號傳輸給控制器的內部寄存器，對比水箱液位實際值與設定值的大小，通過比較的結果，向進水閥發出開閉信號，進而控制水箱液位的高度。

1.2 系統工作原理[6,7]

該系統為一個閉環控制系統，控制方框圖如圖2所示。

圖2 控制系統方框圖

控制器選用可編程邏輯控制器，即PLC，是系統核心元件。電磁閥為執行元件，負責對水箱加水。被控對象為水箱，用來存儲水源。液位傳感器是檢測裝置，也是系統的反饋環節，將實際水位的高度實時反饋給控制器。整個系統形成一個完整的閉合回路。

系統開始運行時，水箱中液位低于設定值下限，液位傳感器檢測到液位值，將壓力信號轉換成電流信號，再將電流信號反饋給控制器PLC，控制器PLC通過其擴展模塊將信號轉換為數字量，比較當前液位值與設定值下限，觸發PLC輸出線圈，使電磁閥打開，電磁閥便開始向水箱中加水，水箱液位不停地上升。當水箱液位值高于設定值上限時，液位傳感器將檢測信號反饋給控制器，控制器的輸出線圈斷開，電磁閥將不再通電，電磁閥門關閉，水箱液位由于出水閥的流出不停地降低，直到低于液位設定值的下限，控制器再次觸發輸出線圈，打開電磁閥門。周而復始，系統液位將控制在設定值的上下限范圍內，達到灌溉作物的效果。

2 控制系統模型建立

建立被控對象的數學模型通常分為2種，一種是機理法，另一種是試驗法。試驗法是以試驗為基礎尋找出模型的輸入輸出關系，得出輸入輸出的模型表達式。通常在輸入輸出之間的關系不易分析或者無法分析的情況下，采用試驗法。試驗法得出的模型結果比較直觀，同時也是在實際的基礎上得到，正確性得到保證，有較強的說服力。而機理法則是分析模型的關系，得出系統的模型。因此，只有當對系統的過程非常了解的情況下，才可以使用機理法求解系統模型。

2.1 系統模型的建立[8]

在本系統中，采用電磁閥的開閉來控制水箱液位，系統整個過程十分清晰，選用機理法便可以求解系統模型[9]。該系統為一個非線性控制系統，其輸入輸出的關系如圖3所示。

圖3 控制系統模型

系統中，電磁閥的工作狀態只有2種：打開與閉合。用數字形式表示，當電磁閥打開時，電磁閥輸出y=1；當電磁閥關閉時，電磁閥輸出y=0。當液位處于上升階段時，只需要比較當前水位值與設定值上限的大小，即電磁閥一直處于打開狀態，直到液位值超過設定值上限，電磁閥立即關閉，而設定值下限值不予考慮；當液位處于下降階段時，只需要比較當前水位值與設定值下限的大小，即電磁閥一直處于關閉狀態，直到液位值低于設定值下限，電磁閥立即關閉，而設定值上限值不予考慮。系統的工作過程十分清晰。

2.2 控制模型的數學表示

為了更簡潔、清晰地描述系統控制模型，用變量h表示液位高度，h1表示設定值下限，h2表示設定值的上限，y表示電磁閥的輸出狀態，z表示液位的狀態，即液位是處于上升狀態還是處于下降狀態。

假定當液位處于上升階段時z=1，當液位處于下降狀態時z=0，于是，可根據液位的狀態來描述系統的模型。

(1)液位處于上升階段，即z=1：

(2)液位處于下降階段，即z=0：

3 系統軟件的設計

系統的軟件通常包括編程環境、具體算法實現、程序調試以及與上位機通訊。

3.1 編程軟件

系統編程軟件采用信捷XCPPro軟件，該軟件包括梯形圖語言與命令語言，且2種語言可以相互交換。并且可實現利用 C 語言來編寫功能塊的功能，編輯好的功能塊可以在程序中隨意調用，保密性好，適用性強，同時也減小了編程的工作量。同時還支持多種通訊方式，如基本的 Modbus 通訊、CANBUS 通訊、自由格式通訊等。

3.2 系統主要流程

系統流程如圖4所示。PLC上電時，先對液位值進行采集，再輸入設定值h1與h2。在整個過程中，出水閥不受控制器的控制，出水閥一直是常開狀態，所以當進水閥關閉時，液位在不停地下降，而由于出水閥的出水流量小于進水閥的進水流量，當進水閥與出水閥同時工作時，水箱里的液位高度是不斷上升的。再對變量進行初始化，讓y=1，z=1，即水箱中液位處于上升階段，電磁閥打開，向水箱加水，水箱中液位在慢慢上升，直到液位高度超過h2，即設定值的上限。此時z=0，y=0，電磁閥門關閉，進水閥門不再向水箱供水，而出水閥門一直打開，則水箱中液位一直位于下降狀態，一直下降到設定值的下限值，電磁閥再次打開，向水箱加水，液位再次處于上升階段。循環往復，水箱中液位高度將一直處于設定值的范圍。

圖4 算法設計流程

3.3 系統主要程序

由圖4可以得知，液位值與設定值的比較在PLC編程語言中很容易表示，但是當液位處于上升階段或是下降階段時，由于控制器并沒有如此強大的識別功能可以自動檢測出液位當前狀態，因此，可以采用2種方法：①用比較指令：每隔一段時間采集一個液位值，比較2個值的大小判斷液位的狀態；②對設定值加入脈沖信號，即利用設定值的上升沿與下降沿來判斷液位的狀態。本文采用第2種方法，對水箱液位高度進行控制，控制程序如圖5所示。圖5中，D0、D68、D70為數據寄存器，分別代表實時液位值、設計液位上限、設計液位下限；M2、M5、M7為輔助繼電器；Y1為輸出線圈，與電磁閥相連，代表電磁閥的狀態。控制程序中，采用了比較指令。首先比較實時液位值與設計液位上限，當實時液位值超過設計液位值時，輔助繼電器M2接通，Y1處于復位狀態，即電磁閥一直處于關閉狀態，水箱液位一直下降；當水箱實時液位值下降到低于設計液位下限時，輔助繼電器M7接通，Y1處于置位狀態，電磁閥一直處于開啟狀態，水箱液位一直上升，直到實時液位值再次高過設計液位上限，電磁閥關閉，周而復始，水箱液位值一直處于設計范圍內。

圖5 程序控制圖

3.4 PLC與上位機通信[10]

系統軟件部分包括上位監控軟件,下位PLC控制軟件。上位監控選用組態王軟件編寫，組態王可以提供比較成熟的人機交互平臺，不僅可以對系統一些參數進行設置，同時還可以觀測現場的實時數據和歷史數據，對某些相對重要的參數進行監控。而且，組態王與信捷PLC都支持Modbus 串口通訊。

組態王與PLC的通訊，將PLC 編程口與計算機的RS232串口進行連接， PLC 的通訊參數與組態王相應參數設置一致，PLC 參數設置需要使用說明書中的通訊參數，波特率為192 00 B/s，數據長度為8位，停止長度為1 位，奇偶校驗位為偶校驗，同時要與組態王的串口設置一致，在組態王通訊模式中，選擇Modbus RTU串口通訊。組態王與PLC通訊參數設置如圖6所示。

圖6 組態王參數設置

4 試驗與結論

根據灌溉的需求，設定水位上限值為1 489 mm，下限值為1 509 mm，水箱放置在距離地面1 m高的水平架子上。編輯組態畫面，監控水箱液位的實際值。運行PLC控制程序，并與組態進行通訊，得出水箱液位值如圖7所示。圖7中，紅線為設定值上限，藍線為設定值下限，綠線為水箱液位的實際值。從圖7中可以看出，水箱液位高度一直在設定值范圍內，說明了系統模型與控制程序都正確，也驗證了系統的穩定性與可靠性。用控制器PLC來控制水箱液位，可以很好地將水箱液位控制在設定范圍內。將該設備應用在微潤灌溉系統中，不僅可以解決勞動力問題，還可以根據壓力水頭的理論值通過微潤帶對作物進行滲水，使灌溉效果更加合理化。微潤灌溉的自動控制，大大提高了生產效率，節約了勞動力，具有較高的應用與推廣前景。

圖7 水箱液位高度

[1] 余瑩瑩,朱 艷,范敬蘭,等. 微潤灌溉技術在徐州地區應用前景分析[J]. 江蘇建筑職業技術學院學報,2014,(3):24-26.

[2] 張立坤,竇超銀,李光永,等. 微潤灌溉技術在大棚娃娃菜種植中的應用[J]. 中國農村水利水電,2013,(4):53-55,60.

[3] 秦 健,國海東,譚雪峰. 基于組態王的液位PLC控制系統的設計[J]. 吉林化工學院學報,2006,(1):56-58.

[4] 張登峰. 基于PLC和組態王的泵站監控系統設計[D]. 呼和浩特：內蒙古農業大學,2012.

[5] 王守長,顏鋼鋒.基于PLC的堿溶液濃度與液位控制系統[J].機電工程,2007,(8):33-35.

[6] 吳懷宇，廖家平. 自動控制原理[M]． 武漢: 華中科技大學出版社，2007．

[7] 周雪琴，張洪才. 控制工程導論[M]. 西安：西北工業大學出版社, 2010.

[8] 劉來福. 數學建模方法與分析[M]. 北京：機械工業出版社,2005-06.

[9] 駱志恩. 基于可編程邏輯控制器的酸液液位控制系統[J]. 信息技術,2013,(4):92-94.

[10] 馬文艷. 面向PLC的組態軟件系統的研究與實現[D]. 西安：西北工業大學,2007.