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    基于PLC技術的智能滴灌控制系統(tǒng)

    2016-09-22 09:30:50田思慶姜永成張炳權
    中國科技信息 2016年11期
    關鍵詞:土壤濕度開度閥門

    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(tǒng)

    田思慶 曹 宇 姜永成 魏 強 張炳權

    根據(jù)大棚內(nèi)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(tǒng)。該系統(tǒng)以土壤濕度、光照強度、水溫和時間為條件,根據(jù)模糊控制規(guī)則控制水管壓力和速度進行精細滴灌。該系統(tǒng)具有操作便利,運行穩(wěn)定,易于維護,成本低、節(jié)能等優(yōu)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(tǒng)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(jié)約用水,加速農(nóng)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(huán)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(huán)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(nèi)的溫度,并且可以使溫室大棚內(nèi)濕度降低,給作物生長提供了一個非常好的生長環(huán)境。

    智能滴灌控制系統(tǒng)

    智能滴灌控制系統(tǒng)主要應用于溫室大棚,其控制系統(tǒng)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(tǒng)裝置包括四根滴灌管道(滴灌管道的數(shù)量可根據(jù)實際應用的情況進行適當?shù)膭h減或增加),滴灌管道上的毛細滴管口間距應根據(jù)當?shù)貧夂驐l件,土壤質(zhì)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(tǒng),通過太陽能對灌溉水進行加溫調(diào)控,可以快速將灌溉水調(diào)到理想的溫度,節(jié)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(shù)量在實際應用中可根據(jù)滴灌管道的長度來進行適當增加和刪減,從經(jīng)濟性的角度建議可以適當?shù)倪M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(qū)滴灌管道水流的壓力和流量,保證滴灌的均勻和穩(wěn)定。在大棚內(nèi)安裝光照強度傳感器,用來檢測大棚內(nèi)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(diào)節(jié)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(zhuǎn)速,以保證不同需水情況下,滴灌系統(tǒng)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(nèi)水位的液位開關,以及進水閥門等。此系統(tǒng)能夠定時、定量、準確的補給作物散失的水分,不僅可以節(jié)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(tǒng)硬件設計

    電氣結構圖

    根據(jù)當?shù)卮笈飪?nèi)作物的要求,本系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)中部分數(shù)字量及模擬量輸入如表1所示,數(shù)字量及模擬量輸出如表2所示。

    控制系統(tǒng)軟件設計

    模糊控制規(guī)則

    根據(jù)溫室大棚作物生長的規(guī)律綜合考慮該系統(tǒng)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(tǒng)的穩(wěn)定性,但一般在緊急條件下應用。自動控制系統(tǒng)包含彼此之間相互聯(lián)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(jù)制定的滴灌管道附近的土壤濕度和光照強度為模糊規(guī)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??刂埔?guī)則如下:

    圖1 智能滴灌過程控制系統(tǒng)

    圖2 智能滴灌控制系統(tǒng)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(tài);

    (2)當土壤濕度為低,光照強度為中時,閥門開度為全開狀態(tài);

    (3)當土壤濕度為低,光照強度為高時,閥門開度為全開狀態(tài);

    (4)當土壤濕度為中,光照強度為低時,閥門開度為關閉狀態(tài);

    (5)當土壤濕度為中,光照強度為中時,閥門開度為半開狀態(tài);

    (6)當土壤濕度為中,光照強度為高時,閥門開度為全開狀態(tài);

    (7)當土壤濕度為高,光照強度為低時,閥門開度為關閉狀態(tài);

    (8)當土壤濕度為高,光照強度為中時,閥門開度為關閉狀態(tài);

    (9)當土壤濕度為高,光照強度為高時,閥門開度為半開狀態(tài)。

    表1 智能滴灌控制系統(tǒng)PLC輸入地址及定義

    表2 智能滴灌控制系統(tǒng)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(zhuǎn)速,以保持滴灌管道內(nèi)有充足的供水壓力??刂埔?guī)則如下:

    當管路閥門全開,則電機正常運轉(zhuǎn);

    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(zhuǎn)速較慢運轉(zhuǎn)。

    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??刂埔?guī)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(guī)則如下:當灌溉水溫低于設定的溫度下限值時,循環(huán)水泵將水送入加熱管進行熱交換,通過循環(huán),當灌溉水溫度達到作物適宜的理想溫度值后,循環(huán)水泵停止工作,啟動滴灌系統(tǒng)。

    軟件設計流程

    圖4 控制系統(tǒng)流程圖

    系統(tǒng)控制流程如圖4所示。

    為了監(jiān)控整個滴灌控制系統(tǒng),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(tǒng),可以直觀的在計算機上進行操作控制,并對各種動態(tài)數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控。該系統(tǒng)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(shù)據(jù)和記錄。

    本設計建立了系統(tǒng)設定界面,通過界面可以根據(jù)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(jié)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(tǒng)還可以根據(jù)制定的時間范圍,通過軟件檢測系統(tǒng)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(fā)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(tǒng),以土壤濕度、水溫、光照強度為條件,通過模糊控制規(guī)則,控制滴灌給水壓力和速度,以保證大棚內(nèi)農(nóng)作物的環(huán)境生長。通過上、下位機的連接通訊,系統(tǒng)可將采集的數(shù)據(jù)綜合報表、管理,還可通過下位機控制執(zhí)行元件,保證系統(tǒng)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(nóng)業(yè)電氣化與自動化;曹宇(1991-)碩士研究生;研究方向:農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)電氣化與自動化。

    10.3969/j.issn.1001-8972.2016.11.028

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

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