淺談可編程控制器集成控制在灌區用水量監測與調控技術中的應用

范世杰

由于自然因素和人類活動因素造成了我國的水資源極為短缺，隨著社會發展我國總的用水量不斷增加，我國農業用水平均占總用水量達60%以上，如果不控制農業用水量使其負增長或零增長就不能保證我國用水的安全同時生態環境承受巨大的壓力，緩解水資源供需矛盾迫在眉睫。節水灌溉技術就是途徑之一，他的理念是用先進的智能化技術對灌區用水量進行調度控制達到節約用水的目的。目前我省的大部分灌區灌溉技術還停留在人工灌溉或半自動手動灌溉上，十分落后。在灌溉自動控制系統方面與發達省份差距較大，其中灌溉系統是否應用可編程控制器 PLC成為重要標準之一。 淡水資源的日趨緊張及信息技術的發展，開發新型的用水量測與調控系統有巨大應用前景和經濟價值。

一、貴州省耕地與水資源現狀

根據貴州省水利廳水資源公報，2014年農田灌溉用水48億立方米，2016年全省總供水量100.31億立方，其中農業用水量占總用水量53.5%，農田灌溉用水53.7億立方米，可見隨著農村農業的發展，農業用水量的逐年增加對我省用水安全和生態安全形成挑戰。根據我省第二次土地調查數據貴州省耕地面積6844萬畝，2017年全省有效灌溉面積2378.49萬畝，節水灌溉面積499.23萬畝。如在沒有采用節水灌溉的灌區中應用節水技術灌溉將產生巨大的節水效益，在貴州省，水田占比大，大多數種植水稻。水稻是屬于好暖喜濕的短日照作物，植株下部和根整個泡在水里，加上種植的時候氣溫高，蒸發量大，所耗費的水量很多。我省在種植水稻時超灌現象嚴重， 水資源不僅被嚴重浪費，不合理的灌溉，則可能會破壞土壤團粒結構、使土壤養分淋失或土壤通氣不良，如灌水量過大，還可能抬高地下水位，給土壤帶來鹽堿化的危險。通過合理的灌溉不僅能緩解水資源緊缺問題而且為農作物的生長發育創造良好的生活條件，提高作物產量，改善作物品質。本文將介紹利用PLC（可編程控制器）構建灌區灌溉系統。

二、可編程邏輯控制器簡介

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Con troller），簡稱PLC，它采用現代大規模集成電路技術，具有很高的可靠性。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。不同廠商PLC編程的語言也不盡相同，本文選用三菱公司FX2N系列PLC以及來構建節水灌溉系統。

三、基本原理

1.系統組成。整個系統主要由PLC、通訊模塊、傳感器、觸摸屏、水泵、電腦端和手機端組成。系統構成如圖1所示，其中PLC-觸摸屏-電腦云端構成閉環系統，正常時以PLC為主進行控制，當PLC出現故障后可以通過英特爾遠端控制，他們互為備用系統可靠性很高。

2.硬件設備概述。PLC采用三菱FX2N-64MR為控制核心并且擴展485-BD模塊。它是控制的核心部分，從各個耕地傳感器測量的數據匯集在此，根據天氣預報數據、實時環境溫度、土壤的濕度、空氣濕度、農田水位數據、水源水位和風力的情況經過程序的判斷發出灌溉指令，也可以通過就地控制觸摸屏進行就地控制，也可以通過遠程電腦端和手機端進行監測控制。遠端電腦收集了區域數據之后就可以形成大數據，由大數據又產生節水灌溉以外的附加價值在此不再贅述。一般農田中傳感器和PLC相距較遠幾百米甚至數公里不等，如果用數據線連接會造成數據線電壓下降采集的數據失真而且架線成本很高，由于GRM200 模塊具備短距離通信和長距離3G GPRS通信能力、發送短信功能，系統采用GPRS無線網絡通訊，貴州地區多山一般通信收地理影響很大，如果采用手機基站進行通訊受地理位置而影響通信的幾率下降，而且布局靈活。GRM200還可以定時發送數據并不需要長時間連續工作，工作電源需要DC 24V 500mA或DC 12V 1A直流電比較容易實現， GRM200無線通訊模塊自帶通訊口，模擬量輸入，可以連接液位計，溫濕度等各類傳感器或儀表。

由于傳感器部分在耕地中，供電的電源是最大的問題，如果使用農電供電，將在農田中架線成本極高，因此傳感器電源我們采用風光互補的新能源發電方式獨立為傳感器與通訊模塊供電，多余的電量可以用來驅鳥、點亮滅蟲燈等。

手機端用APP監控耕地。

3.系統運行原理。在耕地中濕度傳感器和液位傳感器等實時數據通過數據線連接GRM200無線通訊模塊，GRM200通過實時數據傳送到電腦云端同時也傳遞到PLC端GRM200無線通信模塊，GRM200按照預定時間分別與通信模塊通過RS485與PLC相連實現農田數據分時傳送到PLC中，PLC根據數據進行獨立的邏輯判斷然后進行控制輸出。我們可以通過近地觸摸屏選擇實地種植的農作物不同來選擇程序，通過觸摸屏還可以觀測環境溫度曲線、土壤濕度曲線、水位數據等歷史數據。這些數據通過GRM200上傳到云端，手機和電腦都可以查看。

4.軟件概述。系統當中主要涉及PLC的編程、觸摸屏的組態。PLC程序的編寫的主要邏輯就是根據傳感器數據精準的給農田供水，水稻、小麥、玉米等農作物澆水灌溉的方案不同因此PLC程序和觸摸屏組態也不盡相同，（控制邏輯如圖4）我們將編寫適應各個環境的PLC程序以供選擇和切換，我們還可以通過電腦遠程改變PLC程序和更新觸摸屏組態程序，實現靈活的供水控制。

四、結語

智能節水灌溉系統在貴州農田灌溉中大有可為，不僅可以提高水源的利用率，緩解水資源日趨緊張的矛盾，還可以增加農作物的產量，降低農產品的成本。基于PLC技術的智能節水灌溉系統是中國發展高效農業和精細農業的必由之路。

課題‘計算機與PLC集成控制在灌區用水量測與調控技術中的應用研究課題編號：KT201802。