基于PLC S7-300的農田節能綠色灌溉系統設計

池雄飛，張科強，張寧芳

（1.鄂爾多斯職業學院，內蒙古自治區 鄂爾多斯 017000；2.鄂爾多斯市云東農林牧產業投資集團，內蒙古自治區 鄂爾多斯 017000）

中國老齡化全國委員會（CNCA）統計，到2020年中國60歲及以上的公民人數達到2.49×108人，約占中國總人口的17.4%，而在中國農村地區，人口老齡化現象尤為突出，絕大多數青年人都到了城市工作、生活，老年人成為農村地區的主要勞動力，勢必要求農業逐步實現現代化。近年來，因拉尼娜（LANINA）現象導致內蒙古包頭農村地區干旱嚴重，加之農村地區勞動力缺乏，粗放式的農田灌溉系統具有跑水、漏水、溢水和高耗能等缺陷，本文設計了一套基于PLC S7-300的農田節能綠色灌溉系統，有效提升了農村地區設備的自動化程度，改變了粗放式、高耗能、環保差的灌溉模式。

1 控制系統設計要求

控制系統設計灌溉面積約為7 000 m2，從節能性、實用性和方便性角度設計了變頻泵控制農田灌溉系統。該系統結合液位二位式控制和壓力PID控制方法。系統設備、元件使用不銹鋼材質和PPR（三丙聚丙烯）管，該管材是目前最流行供水管，具有無毒無害、強度高、質量輕、不結垢、使用壽命長和食品級材料的特點[1]，保證了綠色和環保性能。

為使灌溉田有100%的灌溉率，系統將田地分為6行1列，每塊小田約為1 170 m2，并每2塊小田中間有一圍堰，每塊小田的側面圍堰都有一個電動閥門控制進水狀態，在灌溉時，首先打開第1個小田電動閥閥門，關閉其他6塊小田的閥門，只有第1塊小田灌溉完成后才能啟動第2塊小田的電動閥門并自動關閉第1塊小田的閥門，以此方式將6塊小田依次完成灌溉，為了使系統節能、環保，在每個小田的地勢高處設定一個水位開閉閥傳感器，判定該小田是否完成灌溉，在水位到達該閥時，該檢測閥閉合，將信號狀態反饋給PLC，自動關閉該小田的進水閥門，開啟第2塊小田的灌溉，直到將整個田地灌溉完成，自動停止整個控制系統。

2 系統設計

2.1 PLC硬件系統設計

根據系統設計要求和成本考量，硬件系統采用Siemens S7-300中端PLC，CPU（控制器）：313C-2DP，DI16/D016；SM331（模擬量輸入模塊）：AI8*13bit；SM332(模擬量輸出模塊)：4*12bit；POWER模 塊（MW明 緯 開 關 電 源AC-DC,220/24V）：150W。詳細硬件配置如表1所示。

表1 硬件系統配置Tab.1 Hardware system configuration

控制系統啟動后首先先監測田井或水庫中水泵深度，水位高于水泵0.50 m時控制器發送指令啟動變頻器，利用變頻器啟動水泵開始將水泵入水箱，并打開水箱出水電動閥門，當水箱高度高于1.50 m時，PLC控制器停止變頻器將水泵轉為待機狀態，當水箱水位低于0.90 m時PLC控制器重新啟動變頻器，水泵由待機狀態轉為工作狀態，給水箱注水直到水位再次達到1.50 m，變頻泵再次進入待機狀態。當變頻泵為水箱注水時，系統設計水箱進水管道壓力PID控制，且壓力設定值為0.25 MPa，當水泵達到設計管道壓力時，水泵以0.25 MPa的壓力工作，灌溉系統采用PLC二位式控制和PID控制，可有效節約能源，改變以前粗放式的灌溉模式。

水箱充水后，PLC控制器將打開水箱出水電動閥，通過PPR主管道給田地供水，此時第1塊小田進水電動閥打開，其他5塊小田進水閥門關閉，當第1塊小田水位傳感器閉合時，該小田已灌溉完畢，PLC控制器關閉第1塊小田進水電動閥，并打開第2塊小田電動閥門為第2塊小田灌溉，直到將所有小田灌溉完畢后，自動停止系統。

為了方便灌溉農田，可以通過程序設計調整優先級，打開任意1塊小田或同時打開幾塊小田進水閥灌溉田地，為了提升灌溉效率或壓力，可以在水箱出水口增加1臺出水泵，控制出水壓力，解決同時灌溉幾塊小田的問題。

2.2 PLC軟件程序設計

PLC軟件程序采用STEP7 v5.6版本編程，考慮使用者的實際操作能力，可采用自動/手動控制2種模式，自動控制模式出現故障時可切換到手動模式控制，能單獨對某個閥門開閉或設備啟停。程序設計I/0分配表如表2所示。

表2 系統I/0分配Tab.2 System I/0 allocation

水箱進水二位式控制方法，首先水箱液位傳感器監測水箱液位高度L，控制器調用庫standard library中TI S7 converting blocks FC105塊采集傳感器液位高度L[2]，利用CMP指令比較L和0.90的大小，當L≤0.90 m，變頻泵以0.25 MPa壓力進水，再利用CMP指令比較L和1.50的大小，當L≥1.50 m，變頻泵轉為待機狀態，PLC控制器依據液位高度L啟停變頻泵，從而控制變頻器的工作狀態。

當變頻泵為水箱注水時，PLC控制變頻器以0.25 MPa壓力工作，PLC調用庫standard library中PIDcontrol blocks[3]，控制塊為FB41，并用該塊輸出到FC106塊，控制變頻器以0，25 MPa的恒定壓力輸出[4]。

3 系統成本分析

對2017年—2019年內蒙古包頭地區普通農田漫灌成本數據統計，對比包頭地區普通農田漫灌方式和本系統灌溉方式進行數據統計分析，分析結果如表3所示：

表3 包頭地區普通農田漫灌和本系統灌溉數據Tab.3 General farmland flood irrigation and irrigation data of this system in Baotou

通過對比分析農田漫灌方式和本系統灌溉方式可得出，應用本系統可有效地解決農田粗放式、高耗能、底環保的灌溉模式。

4 結語

針對農村地區勞動力缺乏、人口老齡化嚴重、內蒙古包頭地區干旱少雨等問題，設計了一套基于PLCS7-300的農田綠色自動化灌溉系統，介紹了系統硬件設計方法、軟件編程思路和成本分析，結果表明該系統有效解決了高耗能、粗放式的農田灌溉模式，解決了農村地區勞動力問題，提升了農村地區灌溉系統自動化技術。