一種無線多點探測網絡和PLC的智慧農業灌溉系統設計方法

李金鋮，徐智勇，羅 輝，吳晗平

(1. 武漢工程大學 光電信息與能源工程學院，湖北 武漢 430205；2. 武漢工程大學 光電子系統技術研究所，湖北 武漢 430205)

0 引言

我國是農業大國，農業是國民經濟命脈，農業現代化是當今農業的發展方向。灌溉作業是農業生產的基礎和關鍵。而目前大多數農田灌溉都是靠人工操作，導致灌溉效率低下，浪費了大量水資源[1-2]。智能灌溉系統的設計具有重要的實用價值，但目前的智能灌溉系統多基于時間控制，存在水源浪費和澆灌不均等缺點。為了提升效率，降低成本，讓灌溉作業走向智能化、高效化、安全化，本文設計基于 PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）和無線多點探測網絡的智慧農業灌溉控制系統[3-4]。可以實現精準灌溉，提高生產效率，節約水資源。

1 設計思路

構建一個智慧農業灌溉系統，滿足農田灌溉基本要求的基礎上，提高系統的效率和精度。根據無線液位傳感器組成的多點探測網絡對水位信息進行采集與反饋。當水位達到恒壓水位設定值下限時，系統控制變頻水泵電動機開始變速運作，使水位達到預期值；當水位超過預期值時，系統控制水泵電動機停止或降速，來維持農田恒壓水位的實現[5]。水泵電機需要變頻調節以減少能量的損耗，且恒定水位的調節精度控制在 1～5mm之間。

2 系統構成與工作原理

2.1 系統構成

智慧農業灌溉系統構成圖如圖1所示。智慧農業灌溉系統由設備執行層及遠程監控層組成。設備執行層主要是由無線多點探測網絡、變頻器、水泵電機、電磁閥、擴展單元等組成通過Modbus總線或Profibus-dp總線連接[6]。遠程監控層的建立是通過上位機軟件監控整個灌溉流程，便于操作人員對生產灌溉的監測和控制。

圖1 智慧農業灌溉系統構成圖Fig.1 Composition diagram of smart agricultural irrigation system

2.2 工作原理

智慧農業灌溉系統是以PLC為核心處理器，變頻器進行 PID（比例積分微分，Proportion Integration Differentiation）處理運算，無線多點探測網絡作為信息采集與反饋器件，繼電器與接觸器分別作為開關和提供對電路保護，三臺電機作為動能裝置，最后通過上位機組態進行觀測與操控。

2.2.1 控制原理

在系統的控制過程中，無線多點探測網絡測量到的實時信號與水位設定值有偏差時，控制系統根據液位變送器傳感器得到的信息發送一個電信號到變頻器上，變頻器將輸入的信號進行處理運算在輸出一個數字信號，數字信號經過變頻器的驅動回路產生一個相應的頻率，再通過頻率來控制電機的轉速實現變頻驅動。變頻器對電機的控制就是對水泵注水速度的控制使其能夠根據不同情況來改變供水量。當水量達到一個程度時，系統會輸出一個反饋信號，信號再傳遞到變頻器PID調節器上，經過PID處理運算并輸出一定的反饋信號給執行器件，控制電機轉速[7]。這樣一個閉環調節控制可以維持農田水位在一個恒定的小范圍內，最終使水位保持恒定。智慧農業灌溉系統的控制原理圖如圖2所示。

圖2 變頻灌溉系統控制原理框圖Fig.2 Control principle block diagram of variable frequency irrigation system

2.2.2 變頻原理

灌溉系統主要是由PLC作為控制器、變頻器作為處理器、水泵電機作為執行器件和無線液位傳感器作為信息采集裝置組成。變頻灌溉系統控制原理框圖如圖3所示，其中1#為變頻電機，2#為工頻電機，3#為備用工頻電機。

圖3 系統控制原理框圖Fig.3 System control principle block diagram

農田水位降低至設定值，無線多點探測網絡采集信息轉換成電信號送入PLC內，通過A/D模塊變換成數字信號，再經過變頻器的PID計算處理后輸出一個控制量，再一次通過D/A轉換成電信號來控制變頻水泵的轉速，進而控制進水量來維持農田水位恒定[8]。此時變頻電機變頻運轉，工頻電機停止。

當農田流失水量過大或變頻水泵電機達到頻率上限，變頻電機工頻運轉并且2#工頻電機開始運轉，以此維持農田水位。

當農田水位升高并且在水位設定值誤差范圍內時，工頻電機停止運轉。而當農田水位大于水位設定值時，無線液位傳感器及時將水位信息傳達給PLC，經過A/D模塊處理成數字信號，再經過變頻器內PID調節器，最終控制變頻電機變頻運轉，維持農田水位恒定。

但出于安全防護，3#電機作為一臺備用水泵電機，當2#工頻水泵電機出現故障時，3#電機馬上可以替代運行。

2.2.3 無線傳感原理

無線多點探測網絡是由大量部署在監測區域內的具有感知、計算和無線通信能力的傳感器節點通過自組織方式構成的網絡。它綜合了微電子技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等先進技術，能夠根據環境自主完成監測、目標發現、識別與跟蹤等任務[9-10]。

本設計采用了無線多點探測網絡結構。每一個節點分布在固定的位置，直接向PLC發送信號同時接受來自PLC的查詢。是由多個無線液位傳感器與數據收發模塊構成，多點無線液位傳感器對農田液位信息進行收集，經過處理器/儲存器運算處理，由無線收發單元進行信息反饋[11]。無線液位傳感器網絡節點結構圖，如圖4所示。

圖4 無線液位傳感器網絡節點結構圖Fig.4 Wireless liquid level sensor network node structure diagram

3 系統硬件設計

系統硬件設計是智慧農業灌溉系統設計的基礎，主要由2個單元組成，包括系統硬件選型和系統主電路設計。硬件選型要求PLC可以高效率處理反饋信息，變頻器控制運算靈敏度高。硬件電路系統要求成功實現液位傳感器采集水位信息傳送給PLC的A/D模塊，在變頻器中進行處理運算，輸出一個變頻控制量來控制變頻水泵電機的運轉速度。

3.1 主要硬件選型

3.1.1 PLC選型

PLC作為核心處理器，其數字輸入端外接電路或讀入程序，給整個灌溉系統控制啟動或停止的命令；輸出端輸出一組經過處理運算的控制信號到中間繼電器或接觸器[12]。

目前，可編程序控制器的產品很多，不同廠家生產的PLC以及同一廠家生產的不同型號PLC其結構各不相同，但其基本結構和基本工作原理大致相同。本設計選用臺達DVP24ES2-PLC作為系統主要元器件，臺達DVP系列PLC具有可靠性高、控制功能強、組成靈活、操作方便等特點，具備較強的環境適應性和較高的抗干擾能力，適合農業灌溉的環境要求。

3.1.2 變頻器選型

變頻器的作用是將輸入變頻器的電流進行PID處理運算來改變頻率。本系統中輸入變頻器的是三相交流電，經過變頻器處理輸出變頻的交流電，交流電再經過繼電器與接觸器傳送到變頻電機上，隨著變頻器輸出的交流電頻率的不同，變頻電機的轉速也將隨之變化，最終實現變頻灌溉供水。

選用VFD-PU01變頻器與水泵電機相匹配。VFD-PU01變頻器采用交-直-交變頻變壓方式，變頻調速很容易實現電機的正反轉。VFD-PU01變頻器具備節能的優點，節電率可以達到25%-70%，控制精度可達0.5 mm。圖5為VFD-PU01變頻器控制電路的控制框圖。

圖5 VFD-PU01變頻器控制電路控制框圖Fig.5 Control block diagram of VFD-PU01 inverter control circuit

3.2 主電路設計

智慧農業灌溉系統的主電路主要由DVP24ES2-PLC，06XA-E2型號A/D模塊，VFD-PU01變頻器和無線多點探測網絡構成，如圖6所示。

圖6 智慧農業灌溉系統主電路圖Fig.6 Main circuit diagram of smart agricultural irrigation system

DVP24ES2-PLC通過程序控制輸出脈沖，在經過繼電器和接觸器的保護下連接到電機和變頻器上，變頻器再連接變頻電機對其進行變頻控制，A/D模塊主要用于接收液位傳感器傳導的信號。在經過變換傳送到 VFD變頻器內進而通過改變頻率來改變變頻電動機的轉速。變頻器控制變頻電機的電路圖如圖7所示。

圖7 變頻器控制變頻電機電路圖Fig.7 Inverter control variable frequency motor circuit diagram

L1、L2、L3 為三相電源接口；中間繼電器為三臺水泵提供熱過載保護；交流接觸器則是起到開關作用，控制電路通斷來控制電機的啟停。

4 系統軟件設計

灌溉系統的軟件設計是智慧農業灌溉的功能主體，主要包括系統程序流程和梯形圖程序設計。要求確定系統的運行邏輯以及完善的梯形圖程序，來確保智慧農業灌溉系統的功能要求得到實現。軟件設計程序流程圖如圖8所示。

圖8 軟件設計程序流程圖Fig.8 Software design program flow chart

本研究中變頻恒壓水位系統有兩種控制方式，一種是手動控制，另一種是自動控制。

4.1 手動控制

如圖 9所示，可以通過按鈕選擇手動控制，進而可以對每個水泵進行單獨控制，使水泵按照要求隨意切換。其中1#為變頻水泵電機，2#和3#為工頻水泵電機。

圖9 手動控制流程圖Fig.9 Manual control flow chart

4.2 自動控制

選擇自動控制方式運行。在1#變頻水泵、2#工頻水泵都無故障的情況下，自動控制啟動，1#水泵開始變頻運行；如果系統檢測到水位下降時，1#水泵轉為工頻，增加注水量；如果系統依舊檢測到水位下降，說明1臺水泵工頻運行無法維持水位恒壓，此時將啟動2#工頻水泵，兩臺水泵同時注水維持水位恒壓；當系統檢測到超過恒壓水位設定值，1#水泵變頻，2#水泵停止。如此循環往復形成一個閉環系統，自動控制系統主要是通過變頻器運算處理液位變送器的反饋信號，來決定水泵電動機的運行狀態或停止。

若在自動控制方式下，2#工頻水泵電機出現故障，3#備用水泵電機代替2#水泵電機進行正常運作。自動控制流程圖如圖10所示。

圖10 自動控制流程圖Fig.10 Automatic control flow chart

4.3 梯形圖設計

A/D模塊DVP06XA-E2中的寄存器設定如圖11所示。采用2號寄存器中的模式6（H0006），電流輸入（4-+20 mA），3號、4號與5號寄存器均不使用；輸出采用 6號寄存器中的模式 2（H0002），電流輸出（4-+20 mA），同時關閉 7號寄存器。

圖11 寄存器參數設定梯形圖Fig.11 Register parameter setting ladder diagram

如圖12所示，M1000表示運行監視常開接點（A接點），第一行表示讀取 D9900此位置所存儲的模擬量數據，D0表示液位傳感器反饋回來的液位反饋值。第3、4、5行就是將讀取到的模擬量位置進行轉移。第7行則是進行運算，因為多點探測網絡的量程是0-1 m，所以除以32 000將模擬量化為一個數值所對應的距離。第8行則是通過D2、D4來計算實時液位D6。

圖12 源程序梯形圖Fig.12 Source program ladder diagram

如圖13所示，第一行計算1CM所對應的數字量，第2行可以進行手動設定恒壓水位設定值D408（液位設定）。其中D24表示為液位PID設定值。

圖13 液位設定梯形圖Fig.13 Liquid level setting ladder diagram

對PID運算參數進行設定如圖14所示，第1行定義了PID采樣時間為1S，第2行確定PID為自動控制方向，定義輸出上限為10 V，定義輸出下限為0 V。其中M1002表示啟始正向脈沖。

圖14 PID參數設定梯形圖Fig.14 PID parameter setting ladder diagram

PID運行如圖15所示，D420為PID運算中的P值，D422為PID運算中的I值。故第1行為比例給定，第2行為積分給定。M1表示運行指示，第3行就是PID運算，其中D24表示液位PID設定值，D0代表液位反饋值，D30則表示PID結果，第4行則是將液位PID結果寫入D9904中。

圖15 PID運行梯形圖Fig.15 PID running ladder diagram

如圖16所示為系統控制程序，其中X0表示電機1過載，X1表示電機2過載，X2表示電機3過載，M2表示系統啟動，M3表示系統停止，M5表示報警。Y0、Y1、Y2分別表示電機1、2、3啟動，Y3表示變頻器啟動。

圖16 系統控制梯形圖Fig.16 System control ladder diagram

5 系統驗證

在PLC實訓操作臺上進行智慧農業灌溉系統的調試與測試，要求灌溉系統可以實現變頻調節農田水位，并且具備高靈敏度，高效率的特點。

5.1 硬件連接

依據智慧農業灌溉系統的主電路圖將實驗室操作臺上的相關元器件連接起來，主要接口連接如表1、表2所示。

表1 變頻器連線接口Tab.1 Inverter connection interface

表2 PLC A/D模塊連線接口Tab.2 PLC A/D module connection interface

實際連接效果如圖17所示，電路正常運行。

圖17 實物連線圖Fig.17 Physical connection diagram

5.2 軟件仿真

進行軟件編程之前要準備好編程軟件WPLSoft 2.45，WPLSoft 2.45是臺達PLC的編程軟件，另外需要安裝好組態王6.53，進行模擬操作。

編寫過程如下，打開WPLSoft 2.45，打開菜單欄中“文件—新建”，會彈出“機種設置”的窗口，在“程序標題”中輸入名稱“智慧農業”，在機種里選擇所需要的機種，在通信設置中可以選擇傳輸方式。本文選擇的是ES2，COM0。點擊“確定”，就回到主窗口中，開始編寫梯形圖程序。

編寫程序可以在工具欄中找到相應的輸入、輸出的符號，點擊就可以添加到程序窗口中，也可以雙擊藍色方塊，就可以以指令模式輸入程序。如圖18所示。

圖18 程序編寫界面Fig.18 Programming interface

編寫完一個簡單的程序后，依次點擊菜單欄中的“編譯—梯形圖=>指令”，軟件就會自動編譯程序。編譯完成后，依次點擊菜單中的“通信—PC<=>PLC”，確定后將程序下載到PLC中，就可以進行調試了。

打開組態王 6.53，新建文件，輸入名稱“智慧農業”，輸入工程名“灌溉系統”。進入后設置COM1的數據口為 7，點擊“數據詞典”設定需要的數據名稱及其寄存器，如圖19所示。

圖19 數據詞典設置界面Fig.19 Data dictionary setting interface

設置完數據后，點擊新建“畫面”，操作界面如圖20所示。

圖20 操作界面Fig.20 Operation interface

在經過硬件連接與軟件仿真后，系統可以根據多點探測網絡的反饋信息進行變頻調節水位。當農田水位達到水位設定值下限時，控制系統控制變頻水泵電動機開始變速運作，使水位達到預期值；當水位或水壓超過預期值時，控制系統控制水泵電動機停止或降速，來維持農田水位保持一個固定值，且水位精度在1 mm。

6 結論

在智慧農業變頻灌溉系統構建中，主要解決了兩個問題：一是PLC對變頻器的控制，增強了系統的靈敏度與安全性；二是上位機組態可以實時監測變頻灌溉系統的運行，具有即時性。控制系統簡單易操作，有通用性強、靈敏度高和經濟實惠等特點。變頻灌溉系統很好地克服了傳統澆灌控制方式的缺點，具有其實用價值和應用前景。