基于PLC的太陽能滴灌系統設計

廣東理工學院 李梓勇 閑宇祺

本文設計了一個太陽能滴灌系統，其控制方式采用PLC控制，其能源由太陽能電池提供。該系統工作流程為土壤溫濕度傳感器采集土壤的溫度和濕度兩個模擬量，再經過AD轉換成PLC能識別的數字量信號，最終通過PLC的比較指令控制閥門的開關達到滴灌效果。通過設計后仿真，仿真結果滿足題目要求。

地球上的資源分為可再生資源和不可再生資源，如今，全世界面臨著資源枯竭，能源緊張等問題。造成這一現象的主要原因是社會對資源能源的需求巨大，若繼續這樣無節制地使用，資源能源將制約人類社會的發展，由此我們需要利用可再生能源和減少資源的浪費。

本次設計太陽能滴灌系統從兩個方面進行，一是對太陽能的利用，二是利用滴灌技術減少水資源的浪費。太陽能被稱為清潔能源，是因為它在進行能源轉換時不會產生污染，在現階段的運用已有太陽能發電、太陽能熱水器等。

在全球淡水資源的消耗中，農業用水約占70%，如何節約農業用水就顯得格外重要。運用滴灌技術既能節約資源，還能帶來不錯的經濟效益和良性的生態效益。

本設計是設計一個太陽能滴灌系統，整個系統的能源由太陽能電池提供，驅動整個系統裝置。通過土壤溫濕度傳感器將土壤濕度和環境溫度反饋給PLC，PLC按照設定好的應用指令進行運算后，通過控制閥門達到自動滴灌的效果。

1 系統組成

1.1 太陽能部分

太陽能滴灌系統的供電由太陽能提供，而太陽能發電電壓不穩定，容易受天氣的影響等。太陽能發電屬于直流電，交流電設備無法使用等。結合上述情況，設計了一個有太陽能電池板、穩壓器、電池、輔助能源、逆變器等的太陽能系統。如圖1所示。

圖1 太陽能部分結構

太陽能電池板：其發電原理是利用了半導體材料的光電效應，能夠在光照下吸收特定波長段內光的能量，并將之用來激發自由電子和空穴對，自由電子和空穴的定向擴散運動會產生電動勢和電能。太陽能發電后的電能可以直接給用電設備供電，也可以儲存在蓄電池里面。

穩壓器：保護整個系統的正常運行，提供穩定電壓等功能。

電池：用于儲存太陽能電池板發電的電能，在雨天或夜晚等沒有光照情況下為PLC供電等。

輔助能源：為了避免長期的陰雨天造成蓄電池電量用完而無法控制滴灌系統等情況，設置一個緊急情況時可接入其他能源的接口，以保證滴灌系統的正常運行。

逆變器：可將直流電轉換成交流電的逆變器，也可轉換成相應所需的交流電壓。

1.2 滴灌部分

滴灌部分可分為PLC和水閥電動機兩個結構。本設計的PLC工作內容有接收傳感器傳輸過來的模擬量信號，再經過FX2N-2AD模塊的AD轉換，把模擬量信號轉換成數字量信號存儲在PLC的數據寄存器（D）中，再進行設定好的比較程序，根據不同情況，做出相應的輸出。當PLC做出打開水閥指令時，水閥電動機正轉，閥門打開，配套用水系統的水才能通過閥門進行滴灌，當PLC做出關閉水閥指令時，水閥電動機反轉，閥門關閉，配套用水系統的水無法通過閥門進行滴灌。

FX2N-2AD模擬量輸入模塊接線方式如圖2所示。FX2N-2AD模擬量輸入模塊有兩個輸入通道CH1、CH2，用于將外部兩點輸入的模擬信號轉換成12位數字量信號，然后傳送到可編程控制器的基本單元中。

圖2 FX2N-2AD模擬量輸入模塊的接線方式

根據設計要求，我們需要一個能正反轉的電動機。其接線圖如圖3所示。

圖3 正反轉電動機

PLC輸入分配關系如表1所示。

表1 PLC輸入分配表

PLC輸出分配關系如表2所示。

表2 PLC輸出分配表

2 太陽能滴灌系統軟件設計

太陽能滴灌系統流程圖如圖4所示。根據設計要求，我們需要通過土壤溫濕度傳感器采集土壤的溫度和濕度兩個模擬量，采用FX2N-2AD模擬量輸入模塊就能滿足設計需求。程序中的X3表示啟動按鈕，X4表示停止按鈕，X0表示打開CH1通道，X1表示打開CH2通道。我們設置CH1通道采集的是濕度值，CH2采集的是溫度值。

圖4 太陽能滴灌系統流程圖

當按下X3啟動按鈕后，系統啟動，再按下X0時，CH1通道打開，PLC讀取FX2N-2AD模擬量輸入模塊所轉換的的濕度值（數字量），并將其存儲在D100當中。部分程序如圖5所示。

圖5 PLC部分程序

結語：本文設計了一個太陽能滴灌系統，實現了由太陽能供電，驅動整個系統裝置。通過土壤溫濕度傳感器將土壤濕度和環境溫度反饋給PLC，PLC按照設定好的應用指令進行運算后，通過控制閥門達到自動滴灌的效果。相信隨著科技進步，會有更高級更智能的太陽能滴灌系統被制造出來。