計算機與PLC一體化控制系統在節水灌溉中的應用與實現

陳鑫鋼

摘 要：隨著我國經濟技術的發展，農業以及現代化事業都飛速進步，節水灌溉自動化也是發展的必然產物，節水灌溉自動化技術的應用與實現對我國農業發展具有不可估量的作用。近幾年來，水資源日趨緊張，不止中國，世界范圍內各個國家都在探索和研究有效的節水方式。為了解決水資源不足的問題，提高灌溉和節水效率，對計算機與PLC一體化控制系統在節水灌溉中的應用與實現問題進行了探析。

關鍵詞：計算機；PLC；控制系統；節水灌溉

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.06.161

1 我國農業灌溉情況及“PLC”的概念

從我國整體用水程度上看，農業灌溉是用水較多的地方，農業用水量在我國總用水量中所占的比例很高。農業是我國生產、生活的重要支撐，所以要保障其用水。但目前農業灌溉效率不高，致使水的利用率較低。由此來看，解決農業節水灌溉的問題是目前的首要任務。只有合理利用水資源，才能緩解水資源的緊張狀況，農業灌溉作為用水大戶也是最有節水潛力的領域。可就實際情況來看，農業節水灌溉用水浪費的主要問題體現為農田分布范圍太廣，不同植物的用水需求也各不相同。應用傳統大面積的溝渠灌溉技術不僅浪費了農田使用面積，還不利于節水，容易造成浪費。

PLC，即可編程序控制器（Programmable controller）。該控制器是以微處理機為基礎，結合了計算機、自動控制以及通信3方面技術設計的一種新型工業自動控制裝置，目前主要被應用于我國工業生產中，其在生產過程中的程序控制和過程控制都具有顯著的優點。可以說，PLC是針對工業生產環境而言最適合的數字運行控制系統。PLC控制系統具體表現為模塊化結構，其組合方便、故障率低，能夠在多種工業化模式中應用。PLC控制系統的控制過程采用可編程序的存儲器存儲生產及相關的信息指令，通過數字或模擬的輸入/輸出，達到控制機械及設備運轉的目的。如果將計算機與PLC一體化控制系統引入農業節水灌溉問題的解決中，則可提高農業灌溉的用水率，達到節水的效果。

2 計算機與PLC一體化控制系統的應用

計算機與PLC控制的節水灌溉系統應具備下列功能：①應用模塊化結構設計，多個控制系統由一臺計算機控制，實現一機多控功能，即一臺計算機同時控制多個操作終端，并且下位機部分也可不受影響獨立工作。②監控系統完善。計算機顯示器能夠監控灌溉系統關鍵部分信息，包括電磁閥、水泵等的工作情況，能監測采集雨量、壓力、濕度、空氣溫度、土質濕度、光照度等信息，超過標準值時能報警示意。③監控灌溉過程。計算機顯示器能夠展示灌溉進程畫面，自動標注灌溉完成區域和未完成區域。④信息管理功能。能根據實際信息進行數據及信息管理，自動生成灌溉進程中的相關信息及參數，計算并生成業主水量、水費、電量、電費等數據。⑤可選擇灌溉方式。灌溉過程中，既可以根據植物特性自動灌溉，又可以根據人工設定的控制指令、科學的參數達成灌溉指令。⑥時間和順序可任意調換。根據灌溉區域及范圍可以任意編組，灌溉時間隨意，控制指令相關數據可以通過上位機或下位機設定。⑦可調整性。不同的土質、不同的植物生長環境及需水需求不同，可根據其特性隨時調整，保障灌溉的科學性。同時，系統設有超壓報警裝置，水量達到標準值或者降雨時系統自動停止灌溉，系統發生故障時會有聲音或者光學警報，方便技術人員修理。

3 計算機與PLC一體化控制系統的實現

3.1 一體化控制系統的構想與設計

計算機（上位機）由PC多媒體計算機構成，上位機內部設有監視及控制程序，中文Windows窗口平臺為操控系統的顯示主界面。其中，監控程序由C語言或C++高級編程語言編寫實現。下位機由PLC組成，內部設定了PLC控制程序，上位機和下位機之間通過RS232數據串口達成通訊目的。執行機構部分主要包括設備和機械可控制部分，包括灌溉水泵啟動器、電磁閥等。傳感器部分則由各類傳感器組成，包括溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、光敏傳感器等。在設計思想上，要保障整個控制系統的可靠性和實用性，采用了上位機和下位機分散獨立控制的設計思想，以上位機和下位機可獨立控制作為基本設計原則。在實際應用中，上位機與下位機能夠通過編程語言對其獨立編程，可不經過上位機控制由下位機去控制完成灌溉，傳感器采集的溫度、濕度等信息數據由下位機反饋給計算機，計算機對反饋數據進行分析處理起到應有的作用，參與下位機的控制過程。這種設計可由2部分分別獨立控制完成灌溉，有效避免了上位機故障產生的嚴重后果。如果兩者不能獨立控制，則上位機故障系統癱瘓，停止灌溉，將造成嚴重損失。總體結構設計上可采用開放式結構系統設計，由用戶農田實際特點決定控制系統的配置，即用戶可選擇“一臺控制單臺”或“一臺控制多臺”。如果預算不夠，也可直接選用PLC控制系統控制執行終端，不使用計算機，既節約了成本，又解決了問題。

3.2 一體化控制系統信息傳遞的實現

計算機與PLC之間雖可獨立控制工作，但作為一體的系統設計，兩者之間要實現通訊功能。一般依靠PLC廠商提供的通信模塊，因為國際發展還沒有統一的PLC通訊標準，不同的PLC生產商都有自己的協議要遵循，無法統一標準。因此，用戶應根據實際的PLC類型選用適宜的通信模塊，可由廠商提供。本文在設計中選用的是日本生產的FP1型可編程控制器。這個型號的控制器通常采用FP1-C16型、FP1-C24型、FP1-C40型控制單元。另外，還需要采用RS232-C和具有時鐘功能的FP1-C24C型、FP1-C40C型控制單元。FP1型可編程控制器可經過RS232/RS422適配器達到與計算機通訊的目的。串口通信的另一種方式就是FP1中的RS232數據串口與PC機直接通信。

參考文獻

[1]陳維榕，王虎，彭志良，等.基于物聯網的果園水肥一體控制系統的開發與應用[J].貴州農業科學，2016（08）：140-143.