基于Lab Windows/CVI和PLC的供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜述

齊浩 佟維妍 郭明志 屠思銀

摘 要 農(nóng)業(yè)灌溉是影響農(nóng)作物產(chǎn)量的重要因素，而傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)普遍存在自動(dòng)化程度低、可靠性差等問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)了一種基于Lab Windows/CVI和PLC的供水系統(tǒng)，根據(jù)土壤濕度傳感器采集土壤濕度信息，利用PID控制算法對(duì)變頻器的輸出頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而對(duì)水泵供水量進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)智能灌溉。

關(guān)鍵詞 Lab Windows/CVI;PLC控制;PID;變頻器

引言

傳統(tǒng)的人工灌溉采用水泵直接從地下井抽水，對(duì)耕地進(jìn)行飽和式灌溉，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重[1-2]。滴灌、噴灌系統(tǒng)采用接觸器控制，水泵直接啟動(dòng)，產(chǎn)生諧波對(duì)電網(wǎng)有影響，啟動(dòng)瞬間會(huì)形成水錘，對(duì)管網(wǎng)有損傷[3]。為了實(shí)現(xiàn)灌溉的方便性與穩(wěn)定性，本文設(shè)計(jì)了一種基于Lab Windows/CVI和PLC的供水系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用一臺(tái)變頻器對(duì)4臺(tái)水泵進(jìn)行控制，M1與M2電機(jī)為日常供水機(jī)組，遵循著“先啟先停”的原則，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的合理利用與保護(hù)。M3電機(jī)為備用電機(jī)，用于應(yīng)急或者檢修時(shí)使用。M4電機(jī)為滴灌供水電機(jī)，在滴灌節(jié)能運(yùn)行時(shí)，M4電機(jī)采用變頻運(yùn)行方式。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括控制器、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、人機(jī)交互。利用西門子S7-200系列的PLC作為下位機(jī)控制器。CPU模塊采用了224XP，并擴(kuò)展了EM235模擬量模塊。傳感器使用的是AT8671型土壤濕度傳感器，西門子440系列變頻器和水泵為執(zhí)行單元。人機(jī)交互單元的工控機(jī)選用了研華430系列工控機(jī)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)有手動(dòng)控制和制動(dòng)控制兩種控制方式，下位機(jī)軟件控制流程圖如圖1所示。手動(dòng)控制是直接控制任意一臺(tái)電機(jī)的啟動(dòng)與變頻輸出，應(yīng)用于特殊情況設(shè)備的控制或設(shè)備的調(diào)試中。

自動(dòng)模式的工作方式，將檢測(cè)值與設(shè)定值進(jìn)行比較，若偏差△S=0時(shí)，PID輸出不變，說(shuō)明土壤濕度符合植物生長(zhǎng)需求。若△S<0時(shí)，說(shuō)明土壤水分過(guò)多，灌溉系統(tǒng)停止工作。若△S>0時(shí)，說(shuō)明作物正處于缺水的狀態(tài)，需要進(jìn)行大面積的灌溉。水泵按先起先停的原則進(jìn)行運(yùn)行，以提高水泵的使用壽命。為防止變頻器與水泵切換過(guò)于頻繁，設(shè)定了一個(gè)額定值區(qū)間為SMAX——SMIN，若土壤濕度實(shí)測(cè)值大于SMAX，且變頻器輸出頻率小于20Hz，則水泵停止工作。若土壤濕度實(shí)測(cè)值小于SMIN，且變頻器輸出頻率大于50Hz，則水泵M1、M2進(jìn)行雙工頻運(yùn)行。當(dāng)水泵運(yùn)行超過(guò)24h時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)切換另一臺(tái)水泵運(yùn)行。

3.2 Lab Windows/CVI上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)開(kāi)發(fā)采用了NI公司推出的Lab Windows/CVi軟件。用戶操作頁(yè)面的結(jié)構(gòu)主要由登錄界面、控制方式選擇界面、人工操作界面、自動(dòng)控制界面等四部分組成。“人工控制”界面，如圖2。16個(gè)按鍵可分別控制接觸器的吸合與斷開(kāi)，從而改變水泵的工作狀態(tài)。還可以控制變頻器輸出頻率，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，急停按鈕可在緊急情況下對(duì)設(shè)備進(jìn)行急停。串口部分可與下位機(jī)調(diào)試通信。“自動(dòng)控制”界面，如圖3。可以對(duì)供水系統(tǒng)的三種工作方式進(jìn)行切換，方式一為正常運(yùn)行方式，方式二為檢修方式，方式三為節(jié)能方式，便于操作人員的使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于Lab Windows/CVI和PLC的供水系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用了PLC與變頻器，根據(jù)壓力，利用PID算法，調(diào)節(jié)供水量，使用Lab Windows/CVI編寫(xiě)用戶操作界面，簡(jiǎn)化了操作過(guò)程，使農(nóng)業(yè)供水的自動(dòng)化程度得到提高。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭慧珍等.PLC控制的恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)報(bào)，2018，20（2）：44-48.

[2] 吳楠.探究節(jié)水措施在農(nóng)業(yè)水利灌溉中的應(yīng)用價(jià)值[J].水利電力，2019，（10）：192.

[3] 周衛(wèi)平.國(guó)外灌溉節(jié)水技術(shù)的進(jìn)展及啟示[J].節(jié)水灌溉，1997，（4）： 18-26.