農(nóng)田自動灌溉控制系統(tǒng)的設(shè)計

趙秋雨, 師路歡

(許昌學(xué)院 電氣與機(jī)械工程學(xué)院, 河南 許昌 461000)

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉模式不僅效率低,而且澆灌農(nóng)作物不夠充分,進(jìn)而影響作物的產(chǎn)量.另外,由于近幾年工業(yè)用水的增加和生態(tài)環(huán)境惡化,地表的水資源受到嚴(yán)重破壞,可以說在一定程度上阻礙了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1].因此在當(dāng)今提高水資源的利用率是解決農(nóng)業(yè)灌溉用水所面臨和急需解決的首要問題.為解決此類問題設(shè)計了一套農(nóng)田自動灌溉控制系統(tǒng),在農(nóng)業(yè)灌溉上實現(xiàn)自動化不僅可以減少人力物力,還能做到科學(xué)有效的種田,增加作物產(chǎn)量,對未來規(guī)模化農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義.

1 系統(tǒng)的總體框架

根據(jù)農(nóng)業(yè)灌溉的要求,以西門子S7-200 PLC為控制核心,上位機(jī)和下位機(jī)形成一體化的控制結(jié)構(gòu),根據(jù)土壤的濕度傳感器數(shù)據(jù)和液位傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換,控制電機(jī)和水泵的工作情況實現(xiàn)對農(nóng)田自動灌溉,自動灌溉控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1 農(nóng)田自動灌溉控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 PLC的選擇

灌溉系統(tǒng)的處理器選取西門子S7-200 CN系列的CPU224 控制器,相比于CPU221和CPU222存儲容量擴(kuò)大了一倍,可連接7個擴(kuò)展模塊,最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點,1個RS-485通訊編程口[2],擴(kuò)展的模塊可根據(jù)系統(tǒng)要求的延伸性拓展出其他功能,根據(jù)不同的使用場合進(jìn)行改進(jìn).

2.2 土壤濕度傳感器的選擇

傳感器是整個系統(tǒng)檢測的關(guān)鍵部分,決定著系統(tǒng)的執(zhí)行功能.土壤濕度傳感器選用了具有高性能的TDR-3型土壤水分傳感器,其優(yōu)良的性能包括具有較高的穩(wěn)定性,安裝方便且操作靈活,此外傳感器外殼的密封性也良好,可較長時間的埋在土里,不受土壤的腐蝕.其采用晶體振蕩器所產(chǎn)生的高頻信號,再傳輸?shù)狡叫薪饘偬结樕?產(chǎn)生的信號與返回的信號疊加,再通過測量信號的振幅來測量土壤水分含量[3].由于水的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于物料的介電常數(shù),所以介電常數(shù)會隨著土壤中水分含量的增加而增加,最后再根據(jù)土壤介電常數(shù)與土壤水分之間的對應(yīng)關(guān)系可測出土壤的水分含量.

2.3 液位傳感器的選擇

對于灌溉的蓄水池必須保持足夠的水量,應(yīng)達(dá)到水輪車在轉(zhuǎn)動時帶出一定的水量,因此對于蓄水池的水位要有一個可以快速獲得水位高度信號的液位傳感器,把水池的給水信號傳給水泵,帶動水泵工作,此過程傳感器要具有一定的靈敏性.采用北京紅云四海科技股份有限公司的JZYB KO Y2防腐投入式液位變送器,該設(shè)備采納了國外先進(jìn)的隔離型發(fā)散硅敏感元件的壓阻效應(yīng),將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號,再通過溫度彌補和線性修正,轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電信號,JYB系列投入式靜壓液位變送器通常適用于供排水、環(huán)保等系統(tǒng)等場合,并且也可用于對不同種類型的液體進(jìn)行液位的測量.由于其結(jié)構(gòu)的簡單靈活性的特點,在使用當(dāng)中為用戶提供了極大的方便,此外Y2型的變送器還具有反相極性保護(hù)、抗干擾能力強(qiáng)、抗腐蝕性能力優(yōu)良、穩(wěn)定性高的特點,也能夠應(yīng)對各種復(fù)雜的環(huán)境.

2.4 電機(jī)的選擇

直流電機(jī)在轉(zhuǎn)速n=0時需要有很大的啟動轉(zhuǎn)矩,能夠帶動水輪車的轉(zhuǎn)動,因此,電機(jī)采用型號為D110BLD600-24A-30S的直流無刷電機(jī),這是由電動機(jī)主體和驅(qū)動器所構(gòu)成的典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品,驅(qū)動器的型號為BLD-4850.直流無刷電動機(jī)的換向器是采用技術(shù)更高的半導(dǎo)體電子開關(guān)器件,相比于傳統(tǒng)的接觸式換向器和電刷其可靠性更高,機(jī)械所產(chǎn)生的噪聲更低,并且沒有轉(zhuǎn)向火花.電機(jī)的性能參數(shù)如表1所示.

蓄水池的灌水泵使用QSP噴泉專用泵,并采用QSP系列型號為QSP15-7-0.55的水泵,QSP噴泉專用泵參數(shù)如表2所示.

表1 D110BLD600-24A-30S主要參數(shù)

表2 QSP15-7-0.55參數(shù)

2.5 控制電路設(shè)計

整個灌溉系統(tǒng)中有兩個電機(jī)工作,一個是水輪車上的旋轉(zhuǎn)電機(jī),另外一個是蓄水電機(jī),旋轉(zhuǎn)電機(jī)要根據(jù)土壤濕度所反映的實時狀況變換轉(zhuǎn)速,而在此系統(tǒng)中需要設(shè)計出一個雙速調(diào)速控制電路,即高速和低速.對于水泵的工作狀態(tài)只需要一個啟停控制電路即可,根據(jù)蓄水池的高地位變化來控制水泵的啟停[4-6].

旋轉(zhuǎn)電機(jī)的調(diào)速方式采用改變端電壓的方法進(jìn)行調(diào)速,這是直流電機(jī)調(diào)速最為常用的使用方式.再配合勵磁調(diào)節(jié),使調(diào)速范圍可以更加廣泛.電機(jī)的控制電路如圖2所示.

圖2 電機(jī)主電路圖及控制電路圖

電路由熔斷器、刀開關(guān)、電阻、電感、電機(jī)和繼電器組成.圖2的左側(cè)是一個串聯(lián)電阻的二級調(diào)速的主電路,右側(cè)是其控制電路.其工作原理如下:首先合上主電路的刀開關(guān)SB,之后合上開關(guān)SB1,KM線圈得電、主電路以及控制電路的KM常開觸點閉合,而控制電路上的KM常開觸點閉合后形成自鎖,此時電機(jī)低速旋轉(zhuǎn),同時SB1的常閉觸點會斷開;當(dāng)合上SB2開關(guān)時,KA線圈得電,KA的常開觸點閉合實現(xiàn)自鎖,電機(jī)高速旋轉(zhuǎn):當(dāng)再合上SB1時重復(fù)以上操作過程,此電路實現(xiàn)高低速的過程主要依靠SB1和SB2兩個開關(guān),因此在實物連接中應(yīng)有聯(lián)動開關(guān)的設(shè)置,以此來實現(xiàn)電機(jī)的雙速調(diào)速.

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)要根據(jù)蓄水池的液位高度和土壤濕度的情況進(jìn)行判斷,分別對不同狀態(tài)下的液位和濕度值進(jìn)行判斷,從而調(diào)整水泵和電機(jī)的工作狀態(tài).系統(tǒng)流程如圖3所示.

根據(jù)系統(tǒng)的自動灌溉控制設(shè)計程序,設(shè)備在開機(jī)時,田地里的濕度傳感器啟動工作狀態(tài)并且根據(jù)實時的情況進(jìn)行賦值,下達(dá)工作指令[7,8].由旋轉(zhuǎn)電機(jī)的調(diào)速原理圖來看,主要是對SB1和SB2兩個開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行變換,電機(jī)控制的梯形圖如圖4所示.

對于水泵的啟停控制電路同樣是根據(jù)兩個開關(guān)的變換實現(xiàn),水泵控制梯形圖如圖5所示.

圖4 電機(jī)控制梯形圖

圖5 水泵控制梯形圖

4 組態(tài)的設(shè)計和運行

組態(tài)王6.55包括包含管理器、工程瀏覽器、組態(tài)王運行系統(tǒng)三部分,工程管理器是實現(xiàn)功能的主要工具,可以完成搜索、新建、刪除、工程屬性、工程備份和恢復(fù)等操作.工程瀏覽器又包括Tab標(biāo)簽條、菜單欄、工具欄、工程目錄顯示區(qū)、目錄內(nèi)容顯示區(qū)等幾個部分,是和Windows界面相似的操作系統(tǒng),方便于系統(tǒng)的管理.而組態(tài)王運行則根據(jù)開發(fā)后的軟件進(jìn)行仿真并觀察各個部分參數(shù)的變化[9,10].工程管理器界面如圖6所示.

圖6 工程管理器界面

在工程瀏覽器界面上點擊文件-畫面-新建,建立新的窗口,新畫面的畫面名稱命名為灌溉動畫界面,對應(yīng)文件以pic00001存入工程文件夾內(nèi),更改背景色為淺綠色,其他不變.新建動畫界面窗口如圖7所示.農(nóng)田自動灌溉控制系統(tǒng)的動畫界面如圖8所示.

圖7 新建動畫界面窗口

灌溉模擬動畫界面有水庫(代替水井或河道)、蓄水箱(蓄水池)、抽水水泵、灌溉水泵(電機(jī))、農(nóng)田和傳感器等幾個要素.全過程均為模擬的動畫演示,其動畫過程為當(dāng)動畫界面打開時,打開系統(tǒng)啟動按鈕,水泵啟動使得蓄水箱的水位增加,根據(jù)液位參數(shù)的上限和下限值的設(shè)定來決定水泵的啟動和停止,在這個過程中,參數(shù)可以隨時地改變,比如下限設(shè)定50,上限設(shè)定80等等.

對于田地的灌溉,當(dāng)按下系統(tǒng)啟動按鈕時,隨著濕度值地慢慢增加,灌溉水泵(電機(jī))快速工作,這在動畫模擬中通過水管流速來體現(xiàn).當(dāng)達(dá)到濕度的下限值時,電機(jī)低速工作,即此時滿足作物生長所需要的濕度環(huán)境,并且水管流速明顯減慢,并且濕度值會在所設(shè)定的濕度上下限之間來回波動,使土壤的濕度一直維持在一個利于植物生長的濕度環(huán)境下.當(dāng)土壤的濕度值低于設(shè)定的濕度下限時(即不在適于作物生長的條件下),則灌溉水泵(電機(jī))再次快速工作,水管流速快速流動,此演示的過程手動設(shè)置數(shù)據(jù)的參數(shù),此外土壤的濕度在參數(shù)里也可以根據(jù)不同的場地隨便設(shè)置.在整個過程中,灌溉水泵(電機(jī))全程工作,但按下系統(tǒng)停止時,整個系停止工作.再按下退出按鈕時,退出灌溉動畫界面.

5 結(jié)語

此系統(tǒng)將傳統(tǒng)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉上的水輪車與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合,為水輪車的工作情況添加了控制因素.大型的機(jī)械進(jìn)入田地和種植園,農(nóng)藥有先進(jìn)的噴霧器、灌溉有根據(jù)作物的生長狀況設(shè)計的比較合理的灌溉裝置.在農(nóng)業(yè)灌溉上實現(xiàn)自動化不僅可以減少人力物力,還能做到科學(xué)有效的種田,增加作物產(chǎn)量,對未來規(guī)模化農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義.總之未來的農(nóng)業(yè)時代一定是現(xiàn)代化技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的時代,人們將省去更多的勞動力,農(nóng)田灌溉技術(shù)的發(fā)展也將隨著時代的進(jìn)步而有非常廣闊地發(fā)展前景.