基于PLC和GPRS模塊的山地智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李宜汀，盧劍鋒 ，楊肖委，潘振

(貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550000)

?

基于PLC和GPRS模塊的山地智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李宜汀，盧劍鋒 ，楊肖委，潘振

(貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550000)

摘要：智能灌溉技術(shù)大幅縮減了人力、物力資源，提高了灌溉效率及精確度[1]。但山地環(huán)境普遍惡劣，不利于上位機(jī)布線及工作站點(diǎn)的設(shè)置。為此提出了一種遠(yuǎn)程控制[2]灌溉電磁閥門并監(jiān)測(cè)傳感器數(shù)值的方法。該設(shè)備采用GPRS無(wú)線模塊與西門子PLC S7-200 224xp經(jīng)RS485協(xié)議連接，利用組態(tài)軟件通過(guò)配置OPC在電腦上或直接發(fā)送手機(jī)短信進(jìn)行無(wú)線控制PLC并讀出PLC模擬量模塊EM231的土壤濕度，水壓，水流量以供相關(guān)人員隨時(shí)判斷灌溉與否[3]。此方法從根本上解決了環(huán)境因素對(duì)實(shí)際工程的影響，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，操作方便，適合廣大山地丘陵地區(qū)的中小灌溉區(qū)域推廣。

關(guān)鍵詞：智能灌溉山地環(huán)境PLC無(wú)線控制

4總結(jié)

本文是根據(jù)家具生產(chǎn)廠家的實(shí)際生產(chǎn)需求設(shè)計(jì)的一套板材冷壓線控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)板材冷壓生產(chǎn)的自動(dòng)化。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試后，該系統(tǒng)運(yùn)行正?？煽?，而且人機(jī)界面友好，操作簡(jiǎn)單，普通工人經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可掌握操作方法[5]。在實(shí)際生產(chǎn)中大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了工作環(huán)境，降低了人工成本，提高了生產(chǎn)效率。本設(shè)計(jì)的思想和方法也能為其它相同類型的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考和借鑒，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2013.

[2]SIEMENS公司. SIMATIC S7-200 SMART系統(tǒng)手冊(cè)[S].西門子(中國(guó))有限公司,2013,10.

[3]王學(xué)良,張秋菊.基于PLC的機(jī)械手自動(dòng)上下料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)制造業(yè)信息化,2012，41(15)：59-62.

[4]馮清秀,田志賓,湯漾平,方波,朱林森,王俊慧.基于PLC控制的大型沖壓設(shè)備自動(dòng)上下料裝置[J].鍛壓技術(shù),2006(02)65-66+81.

[5]張建. 自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)淺析[J]. 科技致富向?qū)?2013(15)229.

0引言

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，智能灌溉技術(shù)正逐漸取代傳統(tǒng)灌溉技術(shù)并實(shí)現(xiàn)普及化。它做到了控制設(shè)備與相關(guān)人員經(jīng)驗(yàn)的結(jié)合，使灌溉精確化，簡(jiǎn)易化。而諸如貴州、云南等多為山地或丘陵地勢(shì)的農(nóng)業(yè)種植地區(qū)，由于工作環(huán)境的局限性，大都不便在山坡設(shè)置工作站點(diǎn)以及遠(yuǎn)距離與上位機(jī)的布線連接。這對(duì)實(shí)現(xiàn)智能灌溉造成了阻礙。本文針對(duì)地理環(huán)境對(duì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化灌溉影響的問(wèn)題，提出了一套具有無(wú)線控制功能的設(shè)備。該設(shè)備具有無(wú)線讀寫傳感器數(shù)據(jù)以及控制電磁閥門開(kāi)關(guān)功能。

1智能灌溉系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由傳感器，管件，控制系統(tǒng)，水泵電機(jī)，電磁閥門以及上位機(jī)工作站組成。整個(gè)系統(tǒng)分為4個(gè)部分。

(1)數(shù)據(jù)采樣模塊

每一個(gè)灌溉工作站均安裝了土壤濕度傳感器，水流壓力傳感器和水液體渦輪流量計(jì)。三種傳感器將測(cè)量模擬量數(shù)據(jù)經(jīng)EM231模塊A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行相應(yīng)換算，將數(shù)據(jù)顯示在上位機(jī)中，便于了解環(huán)境對(duì)灌溉的影響情況[4]。

(2)下位機(jī)模塊

觸摸屏、GPRS無(wú)線模塊與PLC構(gòu)成了能遠(yuǎn)程GPRS或短信控制各灌溉區(qū)域的下位機(jī)模塊[5]。GPRS模塊與PLC相應(yīng)繼電器輸出位關(guān)聯(lián)后，通過(guò)監(jiān)控采樣部分的數(shù)據(jù)，工作人員遠(yuǎn)距離遙控?zé)o線模塊即可控制下位機(jī)進(jìn)行相應(yīng)輸出實(shí)現(xiàn)灌溉。觸摸屏則方便了工作人員上山作業(yè)時(shí)直接在各下位機(jī)站點(diǎn)處發(fā)出指令[6]。

(3)上位機(jī)模塊

GPRS模塊通過(guò)OPC協(xié)議與PC連接后，PC作為上位機(jī)利用組態(tài)軟件對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并進(jìn)行相應(yīng)報(bào)警供工作人員參考，并提供相應(yīng)控制面板進(jìn)行下位機(jī)控制[7]。

(4)灌溉工作站

灌溉工作站各站點(diǎn)直接由其下位機(jī)直接控制閥門開(kāi)關(guān)和水泵電機(jī)的啟動(dòng)停止，并將閥門和電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行反饋，方便監(jiān)控和管理。

整個(gè)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　控制系統(tǒng)流程圖

2硬件設(shè)計(jì)

山地環(huán)境普遍采光性好，故本系統(tǒng)選用了由太陽(yáng)能板產(chǎn)生電能，蓄電池儲(chǔ)存并供電的供能方式。此方式不僅綠色環(huán)保，更提供了能供各裝置使用的24 V穩(wěn)壓電源，無(wú)需進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換以及復(fù)雜布線。整個(gè)系統(tǒng)硬件包括了PLC、GPRS無(wú)線模塊、空氣開(kāi)關(guān)、繼電器、脈沖式電磁閥門、土壤濕度傳感器、水壓傳感器、液體渦輪流量計(jì)和觸摸屏。各部件選型如表1所示。

PLC的COM1和COM2串口分別與GPRS模塊、觸摸屏經(jīng)RS485協(xié)議相連，使三者之間可以相互交換數(shù)據(jù)。

表1　器件選型表

3軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用了組態(tài)王KingView軟件保證了上位機(jī)與下位機(jī)之間的通訊。組態(tài)王是一款與PLC兼容性好、操作方便、工程上常用的組態(tài)軟件。利用組態(tài)王與GPRS模塊通過(guò)OPC連接可實(shí)現(xiàn)其與PLC，GPRS模塊之間的相互地址關(guān)聯(lián)[8]，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制灌溉系統(tǒng)。在軟件中設(shè)置的報(bào)警事件和實(shí)時(shí)傳感器趨勢(shì)圖也更方便工作人員管理和進(jìn)行相應(yīng)的操作。其運(yùn)行界面如圖2。

圖2　組態(tài)王部分運(yùn)行界面圖

4安裝及調(diào)試

智能灌溉系統(tǒng)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)安裝后進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)試，工作人員可直觀在上位機(jī)工作站中進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、開(kāi)關(guān)閥門和啟動(dòng)/停止水泵電機(jī)的操作或直接發(fā)送手機(jī)短信到GPRS模塊進(jìn)行操作。當(dāng)傳感器數(shù)值超過(guò)或低于設(shè)定的上限值或下限值時(shí)，GPRS模塊和組態(tài)王同時(shí)發(fā)出報(bào)警，并且GPRS模塊給相應(yīng)灌溉站管理人員發(fā)送報(bào)警短信。當(dāng)傳感器數(shù)值恢復(fù)正常范圍后報(bào)警停止。

調(diào)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)工作時(shí)穩(wěn)定可靠，各方面均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

5結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)由PLC和GPRS模塊構(gòu)成主控制系統(tǒng)的智能灌溉系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)加入了無(wú)線控制功能，不僅解決了山地丘陵環(huán)境對(duì)工作站設(shè)置的阻礙，更提供了上位機(jī)以及短信收發(fā)兩種監(jiān)測(cè)控制，使相應(yīng)管理人員即使不身處灌溉工作站或上位機(jī)工作站，也能隨時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)施控制和讀寫數(shù)據(jù)的功能。文中闡述了該智能灌溉系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)不僅成本較低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單環(huán)保，更以其操作簡(jiǎn)單、功能方便齊全的特點(diǎn)滿足了智能灌溉的需求。由于具有節(jié)約水資源且設(shè)備維護(hù)簡(jiǎn)易的優(yōu)點(diǎn)，該套設(shè)備適用于多種不利環(huán)境下的農(nóng)牧業(yè)灌溉。在今后的研究中，應(yīng)將各種作物的相應(yīng)灌溉量、灌溉方式以及灌溉時(shí)間進(jìn)行匯總，真正做到對(duì)各種作物實(shí)施因材灌溉，達(dá)到更好的自動(dòng)化效果。

[1]姚舟華，魏新華，左志宇，等.自動(dòng)灌溉施肥機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43(增1)：44-47.

[2]潘崢嶸，張浩，朱翔，等.基于GPRS的灌區(qū)水資源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011,19(12)：2958-2960.

[3]李家春，王永濤，張萍,等.基于PC和C8051F的模糊灌溉控制系統(tǒng)[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2012(4)61-63.

[4]夏洪，林剛勇，朱兆優(yōu)，等.一種PLC控制的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)[J].機(jī)床與液壓，2007,35(7)：64-65.

[5]張玲,崔曉偉,王婧.基于PLC與GPRS建筑供熱節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].低溫建筑技術(shù)，2009，31(5):107-108.

[6]呂品.PLC和觸摸屏組合控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J]. 自動(dòng)化儀表，2010，31(8)：45-47.

[7]葉建平，鄭萍，李建平,等. 基于多模式無(wú)線控制的PLC設(shè)計(jì)與研究[J]. 化工自動(dòng)化及儀表，2011，38(8)：978-981.

[8]張宏坡,康龍?jiān)?基于OPC技術(shù)的PLC上位機(jī)管理系統(tǒng)[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化，2011，33(18)：72-75.

Design of mountainous intelligent irrigation system based on PLC and GPRS module

LI Yiting，LU Jianfeng，YANG Xiaowei，PAN Zhen

Abstract:Intelligent irrigation technology has greatly reduced human and material resources, greatly improving the efficiency and accuracy of irrigation. But some mountain environment is generally complicated so that it is not easy to set the upper monitor's wiring and work site. In this paper, a method is proposed for the remote control of the electromagnetic valve and the monitoring of the sensor. The equipment adopts GPRS wireless module and Siemens S7-200 PLC 224.By linking with the agreement of the RS485 connection and using configuration software to deploy OPC, the PLC can be wirelessly controlled on computers or through sending text messages with mobile phones. Thus we can read the PLC analog module EM231 for such information as soil moisture, water pressure, water flow so as to decide whether irrigation is necessary or not. This method effectively solves the influence of environmental factors on practical operation. With its simple structure, low cost and convenient operation, it is suitable for small and medium irrigation areas in mountainous and hilly areas.

Keywords:intelligent irrigation; mountainous environment; PLC; wireless control

收稿日期：2015-07-08 2015-07-31

作者簡(jiǎn)介：唐江峰(1989-)，男，湖南湘潭人，南華大學(xué)在校研究生，主要從事機(jī)電一體化方向研究。 李宜汀(1992-)，男，籍貫：山東菏澤，貴州大學(xué)機(jī)械電子工程碩士研究生。

中圖分類號(hào)：TP23

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-6886(2016)01-0052-03