農田自動灌溉控制系統的設計

趙秋雨, 師路歡

(許昌學院 電氣與機械工程學院, 河南 許昌 461000)

傳統農業灌溉模式不僅效率低,而且澆灌農作物不夠充分,進而影響作物的產量.另外,由于近幾年工業用水的增加和生態環境惡化,地表的水資源受到嚴重破壞,可以說在一定程度上阻礙了農業的可持續發展[1].因此在當今提高水資源的利用率是解決農業灌溉用水所面臨和急需解決的首要問題.為解決此類問題設計了一套農田自動灌溉控制系統,在農業灌溉上實現自動化不僅可以減少人力物力,還能做到科學有效的種田,增加作物產量,對未來規模化農業的發展具有深遠意義.

1 系統的總體框架

根據農業灌溉的要求,以西門子S7-200 PLC為控制核心,上位機和下位機形成一體化的控制結構,根據土壤的濕度傳感器數據和液位傳感器數據進行實時數據的轉換,控制電機和水泵的工作情況實現對農田自動灌溉,自動灌溉控制系統的結構框圖如圖1所示.

圖1 農田自動灌溉控制系統結構框圖

2 系統硬件設計

2.1 PLC的選擇

灌溉系統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存儲容量擴大了一倍,可連接7個擴展模塊,最大擴展至168路數字量I/O點或35路模擬量I/O點,1個RS-485通訊編程口[2],擴展的模塊可根據系統要求的延伸性拓展出其他功能,根據不同的使用場合進行改進.

2.2 土壤濕度傳感器的選擇

傳感器是整個系統檢測的關鍵部分,決定著系統的執行功能.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,其優良的性能包括具有較高的穩定性,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生的高頻信號,再傳輸到平行金屬探針上,產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].由于水的介電常數遠大于物料的介電常數,所以介電常數會隨著土壤中水分含量的增加而增加,最后再根據土壤介電常數與土壤水分之間的對應關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,應達到水輪車在轉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,該設備采納了國外先進的隔離型發散硅敏感元件的壓阻效應,將靜壓轉換為電信號,再通過溫度彌補和線性修正,轉化成標準電信號,JYB系列投入式靜壓液位變送器通常適用于供排水、環保等系統等場合,并且也可用于對不同種類型的液體進行液位的測量.由于其結構的簡單靈活性的特點,在使用當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、抗干擾能力強、抗腐蝕性能力優良、穩定性高的特點,也能夠應對各種復雜的環境.

2.4 電機的選擇

直流電機在轉速n=0時需要有很大的啟動轉矩,能夠帶動水輪車的轉動,因此,電機采用型號為D110BLD600-24A-30S的直流無刷電機,這是由電動機主體和驅動器所構成的典型的機電一體化產品,驅動器的型號為BLD-4850.直流無刷電動機的換向器是采用技術更高的半導體電子開關器件,相比于傳統的接觸式換向器和電刷其可靠性更高,機械所產生的噪聲更低,并且沒有轉向火花.電機的性能參數如表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噴泉專用泵參數如表2所示.

表1 D110BLD600-24A-30S主要參數

表2 QSP15-7-0.55參數

2.5 控制電路設計

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

旋轉電機的調速方式采用改變端電壓的方法進行調速,這是直流電機調速最為常用的使用方式.再配合勵磁調節,使調速范圍可以更加廣泛.電機的控制電路如圖2所示.

圖2 電機主電路圖及控制電路圖

電路由熔斷器、刀開關、電阻、電感、電機和繼電器組成.圖2的左側是一個串聯電阻的二級調速的主電路,右側是其控制電路.其工作原理如下:首先合上主電路的刀開關SB,之后合上開關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,此時電機低速旋轉,同時SB1的常閉觸點會斷開;當合上SB2開關時,KA線圈得電,KA的常開觸點閉合實現自鎖,電機高速旋轉:當再合上SB1時重復以上操作過程,此電路實現高低速的過程主要依靠SB1和SB2兩個開關,因此在實物連接中應有聯動開關的設置,以此來實現電機的雙速調速.

3 軟件設計

系統要根據蓄水池的液位高度和土壤濕度的情況進行判斷,分別對不同狀態下的液位和濕度值進行判斷,從而調整水泵和電機的工作狀態.系統流程如圖3所示.

根據系統的自動灌溉控制設計程序,設備在開機時,田地里的濕度傳感器啟動工作狀態并且根據實時的情況進行賦值,下達工作指令[7,8].由旋轉電機的調速原理圖來看,主要是對SB1和SB2兩個開關的開關狀態進行變換,電機控制的梯形圖如圖4所示.

對于水泵的啟停控制電路同樣是根據兩個開關的變換實現,水泵控制梯形圖如圖5所示.

圖4 電機控制梯形圖

圖5 水泵控制梯形圖

4 組態的設計和運行

組態王6.55包括包含管理器、工程瀏覽器、組態王運行系統三部分,工程管理器是實現功能的主要工具,可以完成搜索、新建、刪除、工程屬性、工程備份和恢復等操作.工程瀏覽器又包括Tab標簽條、菜單欄、工具欄、工程目錄顯示區、目錄內容顯示區等幾個部分,是和Windows界面相似的操作系統,方便于系統的管理.而組態王運行則根據開發后的軟件進行仿真并觀察各個部分參數的變化[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,對應文件以pic00001存入工程文件夾內,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.農田自動灌溉控制系統的動畫界面如圖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)、農田和傳感器等幾個要素.全過程均為模擬的動畫演示,其動畫過程為當動畫界面打開時,打開系統啟動按鈕,水泵啟動使得蓄水箱的水位增加,根據液位參數的上限和下限值的設定來決定水泵的啟動和停止,在這個過程中,參數可以隨時地改變,比如下限設定50,上限設定80等等.

對于田地的灌溉,當按下系統啟動按鈕時,隨著濕度值地慢慢增加,灌溉水泵(電機)快速工作,這在動畫模擬中通過水管流速來體現.當達到濕度的下限值時,電機低速工作,即此時滿足作物生長所需要的濕度環境,并且水管流速明顯減慢,并且濕度值會在所設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境下.當土壤的濕度值低于設定的濕度下限時(即不在適于作物生長的條件下),則灌溉水泵(電機)再次快速工作,水管流速快速流動,此演示的過程手動設置數據的參數,此外土壤的濕度在參數里也可以根據不同的場地隨便設置.在整個過程中,灌溉水泵(電機)全程工作,但按下系統停止時,整個系停止工作.再按下退出按鈕時,退出灌溉動畫界面.

5 結語

此系統將傳統應用于農業灌溉上的水輪車與現代技術相結合,為水輪車的工作情況添加了控制因素.大型的機械進入田地和種植園,農藥有先進的噴霧器、灌溉有根據作物的生長狀況設計的比較合理的灌溉裝置.在農業灌溉上實現自動化不僅可以減少人力物力,還能做到科學有效的種田,增加作物產量,對未來規模化農業的發展具有深遠意義.總之未來的農業時代一定是現代化技術應用發展的時代,人們將省去更多的勞動力,農田灌溉技術的發展也將隨著時代的進步而有非常廣闊地發展前景.