農田自動恒壓灌溉多電機控制系統的設計

郭麗虹

(江西新能源科技職業學院，江西 新余 338000)

0 引言

農田自動恒壓灌溉一直是農業生產中的技術難點，常規系統雖然能夠解決恒壓灌溉的問題，但仍存在灌溉方式切換不及時、程序化控制不全面、灌溉能效依然偏低等問題。本文基于西門子PLC和PID算法設計一款農田自動恒壓灌溉多電機控制系統，通過算法設置實現了多電機灌溉中的“工-變”頻自動及時切換問題，在步進順序程序的控制下，也能夠全面精準地控制灌溉流程，提升農田自動化灌溉的能效，現將具體的設計思路闡述如下。

1 系統設計需求

農田節水自動灌溉作業是現代農業生產的關鍵研究領域。常規模式下采用單臺電機實現的恒壓灌溉具有一定實用價值，但也存在易受農田灌溉現場外部環境變化因素影響，引發實際灌溉水壓并不穩定的缺陷。此外，單臺水泵電機提供的灌溉能力有限，若實際灌溉農田面積增大，或隨季節變化引起灌溉水量需求增多，則很難滿足灌溉需求。為解決上述問題，設計一種多電機恒壓灌溉控制系統具有現實意義。本文所設計的系統，以PLC、變頻器、水泵電機、水流水壓模擬信號輸入輸出模塊等為硬件核心，結合農田恒壓自動化灌溉生產需求，編寫對應的梯形圖程序和PID控制算法，以達到提升農田自動化恒壓灌溉水平的目標。

2 電氣結構及控制原理

2.1 電氣結構

系統電氣結構如圖1所示，1#和2#為2臺水泵電機，通過PLC編程進行控制，實現對2臺水泵電機的“工-變”頻自動切換，以達到自動節水灌溉的目的。系統選用西門子公司生產的S7-200型PLC為中央控制器，外接硬件模塊還包括：①水壓采集輸入模擬量模塊EM231，用于采集水泵水壓傳感器端的實時水壓，并與PLC進行數據交換。②水壓控制輸出模擬量模塊EM232，用于將PLC輸出水壓控制信號傳送給變頻器，控制水泵電機進行恒壓供水灌溉。③西門子MM440型變頻器，外接1#和2#水泵控制電機，對2臺電機進行“工-變”頻模式切換，實現不同場合下的恒壓灌溉。

圖1 系統電氣結構圖

2.2 控制原理

本系統包含如下控制部分：啟?？刂撇糠钟煽偪亻_關、啟動開關和停止開關等元件組成；水壓信號采集輸出控制部分由輸入模擬模塊EM231和輸出模擬模塊EM232組成，分別用于采集灌溉水壓信號和輸出PLC控制水壓信號；核心控制部分選擇西門子S7-200 CPU226型PLC作為本系統的中央處理控制模塊；變頻控制部分選擇西門子MM440變頻器模塊。

實際控制原理及流程為：操作人員先按下啟動開關變頻器帶動1#水泵電機運轉進行灌溉作業。灌溉作業過程中，EM231實時采集水泵水壓反饋給PLC進行PID運算處理，若灌溉工作頻率達到50 Hz，但水壓仍顯示不足時，1#水泵電機自動切換至工頻運行狀態，同時EM232向變頻器發送信號，啟動2#水泵電機運轉，整個系統處于“一變一工”運行狀態。若灌溉水壓偏高，1#水泵電機自動停止，變頻器驅動2#水泵電機作變頻運行，以確保整個灌溉作業實現恒壓多電機自動控制。

3 恒壓灌溉PID控制算法

本系統PID控制流程如圖2所示，其原理為：系統作業時，通過壓力傳感器實時采集2臺水泵電機的灌溉水壓，并通過EM231模塊運算后反饋至輸入端，與預設水壓值進行比較，得到灌溉水壓的實時變化率e，對變化率做PID運算處理，得到優化值Kp、Ki和Kd傳輸給變頻器，變頻器按照PID控制算法處理結果自動調配參數，傳輸給水泵電機，實現對灌溉水壓的精準實時控制。

圖2 系統PID控制框圖

上述控制過程中的PID算法函數為：G(S)=Kp(1+1/T1S+TDS)，實際編程時，可應用PLC內部定時器中斷指令完成PID算法的定時采樣及輸出調控。為確保系統應用的可拓展價值，輸出設置值為滿量程的90%，僅用比例(P)和積分(I)進行控制，系統的回路增益和時間常數通過恒壓灌溉算法確定，具體值為：增益Kc=0.25，采樣時間Ts=0.3 s，積分時間Ti=25 min。

4 自動恒壓灌溉程序設計

本系統采用PLC步進順序控制指令編譯程序，主程序設計流程如圖3所示。整個程序由S0.0～S1.0共9步循環組成，按照“啟動系統—實時檢測水壓—水壓低，1#泵切換工頻模式，2#泵切換變頻模式，雙泵工作—水壓高，1#泵停止，2#泵繼續變頻運行，停止系統”的常規流程執行。此外，若程序執行過程中遇到蓄水池缺水問題，系統將自動停機。

圖3 主程序流程圖

5 結語

基于PLC和PID控制算法設計農田恒壓灌溉多電機控制系統，能夠較好地解決農田現場灌溉中存在的作業水壓不穩定、自動化水平不高、實時作業效果檢測能力不足等問題，有助于提升農田灌溉作業的整體質量。