基于Lab Windows/CVI和PLC的供水系統(tǒng)設計綜述

齊浩 佟維妍 郭明志 屠思銀

摘 要 農(nóng)業(yè)灌溉是影響農(nóng)作物產(chǎn)量的重要因素，而傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)普遍存在自動化程度低、可靠性差等問題。本文設計了一種基于Lab Windows/CVI和PLC的供水系統(tǒng)，根據(jù)土壤濕度傳感器采集土壤濕度信息，利用PID控制算法對變頻器的輸出頻率進行調(diào)節(jié)，進而對水泵供水量進行控制，實現(xiàn)智能灌溉。

關(guān)鍵詞 Lab Windows/CVI;PLC控制;PID;變頻器

引言

傳統(tǒng)的人工灌溉采用水泵直接從地下井抽水，對耕地進行飽和式灌溉，水資源浪費嚴重[1-2]。滴灌、噴灌系統(tǒng)采用接觸器控制，水泵直接啟動，產(chǎn)生諧波對電網(wǎng)有影響，啟動瞬間會形成水錘，對管網(wǎng)有損傷[3]。為了實現(xiàn)灌溉的方便性與穩(wěn)定性，本文設計了一種基于Lab Windows/CVI和PLC的供水系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的總體設計

本系統(tǒng)使用一臺變頻器對4臺水泵進行控制，M1與M2電機為日常供水機組，遵循著“先啟先停”的原則，實現(xiàn)對電機的合理利用與保護。M3電機為備用電機，用于應急或者檢修時使用。M4電機為滴灌供水電機，在滴灌節(jié)能運行時，M4電機采用變頻運行方式。

2 硬件設計

系統(tǒng)的硬件設計包括控制器、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)、人機交互。利用西門子S7-200系列的PLC作為下位機控制器。CPU模塊采用了224XP，并擴展了EM235模擬量模塊。傳感器使用的是AT8671型土壤濕度傳感器，西門子440系列變頻器和水泵為執(zhí)行單元。人機交互單元的工控機選用了研華430系列工控機。

3 軟件設計

3.1 PLC程序設計

本系統(tǒng)有手動控制和制動控制兩種控制方式，下位機軟件控制流程圖如圖1所示。手動控制是直接控制任意一臺電機的啟動與變頻輸出，應用于特殊情況設備的控制或設備的調(diào)試中。

自動模式的工作方式，將檢測值與設定值進行比較，若偏差△S=0時，PID輸出不變，說明土壤濕度符合植物生長需求。若△S<0時，說明土壤水分過多，灌溉系統(tǒng)停止工作。若△S>0時，說明作物正處于缺水的狀態(tài)，需要進行大面積的灌溉。水泵按先起先停的原則進行運行，以提高水泵的使用壽命。為防止變頻器與水泵切換過于頻繁，設定了一個額定值區(qū)間為SMAX——SMIN，若土壤濕度實測值大于SMAX，且變頻器輸出頻率小于20Hz，則水泵停止工作。若土壤濕度實測值小于SMIN，且變頻器輸出頻率大于50Hz，則水泵M1、M2進行雙工頻運行。當水泵運行超過24h時，系統(tǒng)將自動切換另一臺水泵運行。

3.2 Lab Windows/CVI上位機程序設計

上位機開發(fā)采用了NI公司推出的Lab Windows/CVi軟件。用戶操作頁面的結(jié)構(gòu)主要由登錄界面、控制方式選擇界面、人工操作界面、自動控制界面等四部分組成。“人工控制”界面，如圖2。16個按鍵可分別控制接觸器的吸合與斷開，從而改變水泵的工作狀態(tài)。還可以控制變頻器輸出頻率，從而控制電機的轉(zhuǎn)速，急停按鈕可在緊急情況下對設備進行急停。串口部分可與下位機調(diào)試通信。“自動控制”界面，如圖3。可以對供水系統(tǒng)的三種工作方式進行切換，方式一為正常運行方式，方式二為檢修方式，方式三為節(jié)能方式，便于操作人員的使用。

4 結(jié)束語

本文針對農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)，設計了基于Lab Windows/CVI和PLC的供水系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用了PLC與變頻器，根據(jù)壓力，利用PID算法，調(diào)節(jié)供水量，使用Lab Windows/CVI編寫用戶操作界面，簡化了操作過程，使農(nóng)業(yè)供水的自動化程度得到提高。

參考文獻

[1] 鄭慧珍等.PLC控制的恒壓供水系統(tǒng)的設計與應用[J]. 漳州職業(yè)技術(shù)學報，2018，20（2）：44-48.

[2] 吳楠.探究節(jié)水措施在農(nóng)業(yè)水利灌溉中的應用價值[J].水利電力，2019，（10）：192.

[3] 周衛(wèi)平.國外灌溉節(jié)水技術(shù)的進展及啟示[J].節(jié)水灌溉，1997，（4）： 18-26.