淺談可編程控制器集成控制在灌區(qū)用水量監(jiān)測與調(diào)控技術(shù)中的應(yīng)用

范世杰

由于自然因素和人類活動(dòng)因素造成了我國的水資源極為短缺，隨著社會(huì)發(fā)展我國總的用水量不斷增加，我國農(nóng)業(yè)用水平均占總用水量達(dá)60%以上，如果不控制農(nóng)業(yè)用水量使其負(fù)增長或零增長就不能保證我國用水的安全同時(shí)生態(tài)環(huán)境承受巨大的壓力，緩解水資源供需矛盾迫在眉睫。節(jié)水灌溉技術(shù)就是途徑之一，他的理念是用先進(jìn)的智能化技術(shù)對(duì)灌區(qū)用水量進(jìn)行調(diào)度控制達(dá)到節(jié)約用水的目的。目前我省的大部分灌區(qū)灌溉技術(shù)還停留在人工灌溉或半自動(dòng)手動(dòng)灌溉上，十分落后。在灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)方面與發(fā)達(dá)省份差距較大，其中灌溉系統(tǒng)是否應(yīng)用可編程控制器 PLC成為重要標(biāo)準(zhǔn)之一。 淡水資源的日趨緊張及信息技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)新型的用水量測與調(diào)控系統(tǒng)有巨大應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

一、貴州省耕地與水資源現(xiàn)狀

根據(jù)貴州省水利廳水資源公報(bào)，2014年農(nóng)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(nóng)業(yè)用水量占總用水量53.5%，農(nóng)田灌溉用水53.7億立方米，可見隨著農(nóng)村農(nóng)業(yè)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)用水量的逐年增加對(duì)我省用水安全和生態(tài)安全形成挑戰(zhàn)。根據(jù)我省第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)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(jié)水灌溉面積499.23萬畝。如在沒有采用節(jié)水灌溉的灌區(qū)中應(yīng)用節(jié)水技術(shù)灌溉將產(chǎn)生巨大的節(jié)水效益，在貴州省，水田占比大，大多數(shù)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(gè)泡在水里，加上種植的時(shí)候氣溫高，蒸發(fā)量大，所耗費(fèi)的水量很多。我省在種植水稻時(shí)超灌現(xiàn)象嚴(yán)重， 水資源不僅被嚴(yán)重浪費(fèi)，不合理的灌溉，則可能會(huì)破壞土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、使土壤養(yǎng)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(xiǎn)。通過合理的灌溉不僅能緩解水資源緊缺問題而且為農(nóng)作物的生長發(fā)育創(chuàng)造良好的生活條件，提高作物產(chǎn)量，改善作物品質(zhì)。本文將介紹利用PLC（可編程控制器）構(gòu)建灌區(qū)灌溉系統(tǒng)。

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(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，具有很高的可靠性。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)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(gòu)建節(jié)水灌溉系統(tǒng)。

三、基本原理

1.系統(tǒng)組成。整個(gè)系統(tǒng)主要由PLC、通訊模塊、傳感器、觸摸屏、水泵、電腦端和手機(jī)端組成。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，其中PLC-觸摸屏-電腦云端構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，正常時(shí)以PLC為主進(jìn)行控制，當(dāng)PLC出現(xiàn)故障后可以通過英特爾遠(yuǎn)端控制，他們互為備用系統(tǒng)可靠性很高。

2.硬件設(shè)備概述。PLC采用三菱FX2N-64MR為控制核心并且擴(kuò)展485-BD模塊。它是控制的核心部分，從各個(gè)耕地傳感器測量的數(shù)據(jù)匯集在此，根據(jù)天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)環(huán)境溫度、土壤的濕度、空氣濕度、農(nóng)田水位數(shù)據(jù)、水源水位和風(fēng)力的情況經(jīng)過程序的判斷發(fā)出灌溉指令，也可以通過就地控制觸摸屏進(jìn)行就地控制，也可以通過遠(yuǎn)程電腦端和手機(jī)端進(jìn)行監(jiān)測控制。遠(yuǎn)端電腦收集了區(qū)域數(shù)據(jù)之后就可以形成大數(shù)據(jù)，由大數(shù)據(jù)又產(chǎn)生節(jié)水灌溉以外的附加價(jià)值在此不再贅述。一般農(nóng)田中傳感器和PLC相距較遠(yuǎn)幾百米甚至數(shù)公里不等，如果用數(shù)據(jù)線連接會(huì)造成數(shù)據(jù)線電壓下降采集的數(shù)據(jù)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(fā)送短信功能，系統(tǒng)采用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通訊，貴州地區(qū)多山一般通信收地理影響很大，如果采用手機(jī)基站進(jìn)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(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)并不需要長時(shí)間連續(xù)工作，工作電源需要DC 24V 500mA或DC 12V 1A直流電比較容易實(shí)現(xiàn)， GRM200無線通訊模塊自帶通訊口，模擬量輸入，可以連接液位計(jì)，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(nóng)電供電，將在農(nóng)田中架線成本極高，因此傳感器電源我們采用風(fēng)光互補(bǔ)的新能源發(fā)電方式獨(dú)立為傳感器與通訊模塊供電，多余的電量可以用來驅(qū)鳥、點(diǎn)亮滅蟲燈等。

手機(jī)端用APP監(jiān)控耕地。

3.系統(tǒng)運(yùn)行原理。在耕地中濕度傳感器和液位傳感器等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線連接GRM200無線通訊模塊，GRM200通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送到電腦云端同時(shí)也傳遞到PLC端GRM200無線通信模塊，GRM200按照預(yù)定時(shí)間分別與通信模塊通過RS485與PLC相連實(shí)現(xiàn)農(nóng)田數(shù)據(jù)分時(shí)傳送到PLC中，PLC根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立的邏輯判斷然后進(jìn)行控制輸出。我們可以通過近地觸摸屏選擇實(shí)地種植的農(nóng)作物不同來選擇程序，通過觸摸屏還可以觀測環(huán)境溫度曲線、土壤濕度曲線、水位數(shù)據(jù)等歷史數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通過GRM200上傳到云端，手機(jī)和電腦都可以查看。

4.軟件概述。系統(tǒng)當(dāng)中主要涉及PLC的編程、觸摸屏的組態(tài)。PLC程序的編寫的主要邏輯就是根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)精準(zhǔn)的給農(nóng)田供水，水稻、小麥、玉米等農(nóng)作物澆水灌溉的方案不同因此PLC程序和觸摸屏組態(tài)也不盡相同，（控制邏輯如圖4）我們將編寫適應(yīng)各個(gè)環(huán)境的PLC程序以供選擇和切換，我們還可以通過電腦遠(yuǎn)程改變PLC程序和更新觸摸屏組態(tài)程序，實(shí)現(xiàn)靈活的供水控制。

四、結(jié)語

智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)在貴州農(nóng)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(nóng)作物的產(chǎn)量，降低農(nóng)產(chǎn)品的成本?；赑LC技術(shù)的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)是中國發(fā)展高效農(nóng)業(yè)和精細(xì)農(nóng)業(yè)的必由之路。

課題‘計(jì)算機(jī)與PLC集成控制在灌區(qū)用水量測與調(diào)控技術(shù)中的應(yīng)用研究課題編號(hào)：KT201802。