基于PLC技術的智能滴灌控制系統

田思慶 曹 宇 姜永成 魏 強 張炳權

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基于PLC技術的智能滴灌控制系統

田思慶 曹 宇 姜永成 魏 強 張炳權

根據大棚內作物對灌溉的需求，把毛細滴管口安裝在作物根系旁邊，設計了一套由PLC控制的智能滴灌控制系統。該系統以土壤濕度、光照強度、水溫和時間為條件，根據模糊控制規則控制水管壓力和速度進行精細滴灌。該系統具有操作便利，運行穩定，易于維護，成本低、節能等優點。

滴灌技術作為目前最先進的灌溉用水技術，在我國使用率偏低，所以滴灌技術在我國推廣使用具有廣泛的前景。滴灌是用專門的管道系統和設備將低壓水通過半徑約5mm毛管上的孔口或滴頭送到作物根部土壤中的一種灌溉方法。具備很多其他灌溉方式所不具備的特點。滴灌能節約用水，加速農作物生長，尤其適合溫室大棚作物的生長。在溫室大棚作物的生長過程中，環境的溫度和濕度對作物的生長起著至關重要的作用，由于晝夜溫差大，對作物的生長不利，因此只有給作物一個合適的生長環境才能促進作物的生長。滴灌在工作過程中用水量少，可以很好的保持溫室大棚內的溫度，并且可以使溫室大棚內濕度降低，給作物生長提供了一個非常好的生長環境。

智能滴灌控制系統

智能滴灌控制系統主要應用于溫室大棚，其控制系統工藝流程如下圖1所示。將毛細滴管口安裝在作物的根系附近。本課題設計的系統裝置包括四根滴灌管道（滴灌管道的數量可根據實際應用的情況進行適當的刪減或增加），滴灌管道上的毛細滴管口間距應根據當地氣候條件，土壤質地和作物品種及種植間距的不同可在0.25m到3m之間自由選擇。太陽能加熱控制系統，通過太陽能對灌溉水進行加溫調控，可以快速將灌溉水調到理想的溫度，節約能源，利于作物的生長。12個土壤濕度檢測傳感器（每一壟植物滴灌管道腹肌土壤中設有3個土壤濕度傳感器），使用土壤濕度檢測傳感器的數量在實際應用中可根據滴灌管道的長度來進行適當增加和刪減，從經濟性的角度建議可以適當的進行有線土壤濕度傳感器和無線土壤濕度傳感器進行搭配使用，效果更加。4個電磁閥的作用是用來控制各個滴灌區滴灌管道水流的壓力和流量，保證滴灌的均勻和穩定。在大棚內安裝光照強度傳感器，用來檢測大棚內的光照強度，在滴灌支路和滴灌干路上安裝比例電磁閥，通過控制比例電磁閥的開度，可以調節滴灌管道支路中的出水流量，從而改變滴灌出水速度。并在滴灌干路上安裝出水泵，通過變頻器改變出水泵的轉速，以保證不同需水情況下，滴灌系統水流壓力的恒定。用于儲存水及過濾雜物的儲水罐中，裝有用于檢測罐內水位的液位開關，以及進水閥門等。此系統能夠定時、定量、準確的補給作物散失的水分，不僅可以節約水資源，而且可以可以控制滴灌速度，對作物生長有很大的幫助。

控制系統硬件設計

電氣結構圖

根據當地大棚內作物的要求，本系統選用臺達DOP-B07S411觸 摸 屏， 臺 達PLC E2列DVP16EH00R2，模擬輸入/輸出模塊DVP04ADH2，臺達VFD002L21A變頻器，以及若干控制開關和交流接觸器等。通過RS-485總線將PLC、觸摸屏、變頻器建立通訊連接，將土壤濕度傳感器、水溫和光照度傳感器返回的模擬量信號傳入DVP04AD-SL模塊中。智能滴灌控制系統電氣結構如圖2所示，控制器DVP16EH00R2的電氣接線如圖3所示。

PLC輸入和輸出地址分配

系統中部分數字量及模擬量輸入如表1所示，數字量及模擬量輸出如表2所示。

控制系統軟件設計

模糊控制規則

根據溫室大棚作物生長的規律綜合考慮該系統分為自動和手動2種控制方式，手動運行可以開停滴灌控制器，提高控制系統的穩定性，但一般在緊急條件下應用。自動控制系統包含彼此之間相互聯系的四個部分。

部分一：以土壤濕度檢測信號與給定值的偏差，根據制定的滴灌管道附近的土壤濕度和光照強度為模糊規則，通過PLC去控制比例電磁閥的開關以及閥門開度，進而控制滴灌壓力與速度。控制規則如下：

圖1　智能滴灌過程控制系統

圖2　智能滴灌控制系統電氣結構圖

圖3　控制器DVP16EH00R2電氣接線圖

（1）當土壤濕度為低，光照強度為低時，閥門開度為半開狀態；

（2）當土壤濕度為低，光照強度為中時，閥門開度為全開狀態；

（3）當土壤濕度為低，光照強度為高時，閥門開度為全開狀態；

（4）當土壤濕度為中，光照強度為低時，閥門開度為關閉狀態；

（5）當土壤濕度為中，光照強度為中時，閥門開度為半開狀態；

（6）當土壤濕度為中，光照強度為高時，閥門開度為全開狀態；

（7）當土壤濕度為高，光照強度為低時，閥門開度為關閉狀態；

（8）當土壤濕度為高，光照強度為中時，閥門開度為關閉狀態；

（9）當土壤濕度為高，光照強度為高時，閥門開度為半開狀態。

表1　智能滴灌控制系統PLC輸入地址及定義

表2　智能滴灌控制系統PLC輸出地址及定義

部分二：綜合四路滴灌支路上比例電磁閥的開度情況去控制出水泵的轉速，以保持滴灌管道內有充足的供水壓力。控制規則如下：

當管路閥門全開，則電機正常運轉；

當管路閥門全關，則電機全關閉；

當其中一個管路閥門開的時候，電機轉速較慢運轉。

部分三：通過儲水罐中液位開關去控制進水閥的開閉，以保證儲水罐有足夠的水源，同時也防止了因為設置不當而造成的水的浪費。控制規則如下：

當液位低于滴灌灌溉水位時，此時最少打開一個進水閥；

當液位高于滴灌灌溉水位是，此時關閉進水閥。

部分四：太陽能水溫加熱控制器使灌溉水溫控制在適宜作物生長的理想溫度。控制規則如下：當灌溉水溫低于設定的溫度下限值時，循環水泵將水送入加熱管進行熱交換，通過循環，當灌溉水溫度達到作物適宜的理想溫度值后，循環水泵停止工作，啟動滴灌系統。

軟件設計流程

圖4　控制系統流程圖

系統控制流程如圖4所示。

為了監控整個滴灌控制系統，本設計采用RS-485總線將PLC、觸摸屏和變頻器進行通訊連接。將土壤濕度、水溫和光照度傳感器模擬量信號傳入到DVP04AD-SL模塊中，然后再通過windows操作系統，可以直觀的在計算機上進行操作控制，并對各種動態數據進行實時監控。該系統同時支持U盤導出，以便工作人員隨時查看各個時期的歷史數據和記錄。

本設計建立了系統設定界面，通過界面可以根據不同作物對陽光和水資源的不同需求，設定適合作物生長的土壤濕度、水溫和光照強度范圍；同時考慮到節氣不同對滴灌時間的長短需求，可以設定每天的滴灌起止時間范圍。系統還可以根據制定的時間范圍，通過軟件檢測系統中各個傳感器測量值是否超出其檢測范圍，并判斷傳感器是否損壞，管道是否發生堵塞，太能能電板是否損壞等硬件故障。

結語

基于PLC控制的智能滴灌控制系統，以土壤濕度、水溫、光照強度為條件，通過模糊控制規則，控制滴灌給水壓力和速度，以保證大棚內農作物的環境生長。通過上、下位機的連接通訊，系統可將采集的數據綜合報表、管理，還可通過下位機控制執行元件，保證系統正常運行。

田思慶 曹 宇 姜永成 魏 強 張炳權

佳木斯大學機械工程學院

田思慶（1965-）碩士生導師，教授；研究方向：農業電氣化與自動化；曹宇（1991-）碩士研究生；研究方向：農業電氣化與自動化；通訊作者：姜永成：（1976-）碩士生導師，副教授，工學博士；研究方向：農業電氣化與自動化。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.11.028

佳木斯大學科技創新團隊建設計劃項目（Cxtd-2013-01）；佳木斯大學研究生科技創新項目（LM2015_006）