一種無線多點(diǎn)探測(cè)網(wǎng)絡(luò)和PLC的智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

李金鋮，徐智勇，羅 輝，吳晗平

(1. 武漢工程大學(xué) 光電信息與能源工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；2. 武漢工程大學(xué) 光電子系統(tǒng)技術(shù)研究所，湖北 武漢 430205)

0 引言

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)命脈，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化是當(dāng)今農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。灌溉作業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。而目前大多數(shù)農(nóng)田灌溉都是靠人工操作，導(dǎo)致灌溉效率低下，浪費(fèi)了大量水資源[1-2]。智能灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要的實(shí)用價(jià)值，但目前的智能灌溉系統(tǒng)多基于時(shí)間控制，存在水源浪費(fèi)和澆灌不均等缺點(diǎn)。為了提升效率，降低成本，讓灌溉作業(yè)走向智能化、高效化、安全化，本文設(shè)計(jì)基于 PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）和無線多點(diǎn)探測(cè)網(wǎng)絡(luò)的智慧農(nóng)業(yè)灌溉控制系統(tǒng)[3-4]?？梢詫?shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約水資源。

1 設(shè)計(jì)思路

構(gòu)建一個(gè)智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)，滿足農(nóng)田灌溉基本要求的基礎(chǔ)上，提高系統(tǒng)的效率和精度。根據(jù)無線液位傳感器組成的多點(diǎn)探測(cè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)水位信息進(jìn)行采集與反饋。當(dāng)水位達(dá)到恒壓水位設(shè)定值下限時(shí)，系統(tǒng)控制變頻水泵電動(dòng)機(jī)開始變速運(yùn)作，使水位達(dá)到預(yù)期值；當(dāng)水位超過預(yù)期值時(shí)，系統(tǒng)控制水泵電動(dòng)機(jī)停止或降速，來維持農(nóng)田恒壓水位的實(shí)現(xiàn)[5]。水泵電機(jī)需要變頻調(diào)節(jié)以減少能量的損耗，且恒定水位的調(diào)節(jié)精度控制在 1～5mm之間。

2 系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖1所示。智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)由設(shè)備執(zhí)行層及遠(yuǎn)程監(jiān)控層組成。設(shè)備執(zhí)行層主要是由無線多點(diǎn)探測(cè)網(wǎng)絡(luò)、變頻器、水泵電機(jī)、電磁閥、擴(kuò)展單元等組成通過Modbus總線或Profibus-dp總線連接[6]。遠(yuǎn)程監(jiān)控層的建立是通過上位機(jī)軟件監(jiān)控整個(gè)灌溉流程，便于操作人員對(duì)生產(chǎn)灌溉的監(jiān)測(cè)和控制。

圖1 智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.1 Composition diagram of smart agricultural irrigation system

2.2 工作原理

智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)是以PLC為核心處理器，變頻器進(jìn)行 PID（比例積分微分，Proportion Integration Differentiation）處理運(yùn)算，無線多點(diǎn)探測(cè)網(wǎng)絡(luò)作為信息采集與反饋器件，繼電器與接觸器分別作為開關(guān)和提供對(duì)電路保護(hù)，三臺(tái)電機(jī)作為動(dòng)能裝置，最后通過上位機(jī)組態(tài)進(jìn)行觀測(cè)與操控。

2.2.1 控制原理

在系統(tǒng)的控制過程中，無線多點(diǎn)探測(cè)網(wǎng)絡(luò)測(cè)量到的實(shí)時(shí)信號(hào)與水位設(shè)定值有偏差時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)液位變送器傳感器得到的信息發(fā)送一個(gè)電信號(hào)到變頻器上，變頻器將輸入的信號(hào)進(jìn)行處理運(yùn)算在輸出一個(gè)數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過變頻器的驅(qū)動(dòng)回路產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的頻率，再通過頻率來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)變頻驅(qū)動(dòng)。變頻器對(duì)電機(jī)的控制就是對(duì)水泵注水速度的控制使其能夠根據(jù)不同情況來改變供水量。當(dāng)水量達(dá)到一個(gè)程度時(shí)，系統(tǒng)會(huì)輸出一個(gè)反饋信號(hào)，信號(hào)再傳遞到變頻器PID調(diào)節(jié)器上，經(jīng)過PID處理運(yùn)算并輸出一定的反饋信號(hào)給執(zhí)行器件，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速[7]。這樣一個(gè)閉環(huán)調(diào)節(jié)控制可以維持農(nóng)田水位在一個(gè)恒定的小范圍內(nèi)，最終使水位保持恒定。智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的控制原理圖如圖2所示。

圖2 變頻灌溉系統(tǒng)控制原理框圖Fig.2 Control principle block diagram of variable frequency irrigation system

2.2.2 變頻原理

灌溉系統(tǒng)主要是由PLC作為控制器、變頻器作為處理器、水泵電機(jī)作為執(zhí)行器件和無線液位傳感器作為信息采集裝置組成。變頻灌溉系統(tǒng)控制原理框圖如圖3所示，其中1#為變頻電機(jī)，2#為工頻電機(jī)，3#為備用工頻電機(jī)。

圖3 系統(tǒng)控制原理框圖Fig.3 System control principle block diagram

農(nóng)田水位降低至設(shè)定值，無線多點(diǎn)探測(cè)網(wǎng)絡(luò)采集信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送入PLC內(nèi)，通過A/D模塊變換成數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過變頻器的PID計(jì)算處理后輸出一個(gè)控制量，再一次通過D/A轉(zhuǎn)換成電信號(hào)來控制變頻水泵的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制進(jìn)水量來維持農(nóng)田水位恒定[8]。此時(shí)變頻電機(jī)變頻運(yùn)轉(zhuǎn)，工頻電機(jī)停止。

當(dāng)農(nóng)田流失水量過大或變頻水泵電機(jī)達(dá)到頻率上限，變頻電機(jī)工頻運(yùn)轉(zhuǎn)并且2#工頻電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，以此維持農(nóng)田水位。

當(dāng)農(nóng)田水位升高并且在水位設(shè)定值誤差范圍內(nèi)時(shí)，工頻電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。而當(dāng)農(nóng)田水位大于水位設(shè)定值時(shí)，無線液位傳感器及時(shí)將水位信息傳達(dá)給PLC，經(jīng)過A/D模塊處理成數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過變頻器內(nèi)PID調(diào)節(jié)器，最終控制變頻電機(jī)變頻運(yùn)轉(zhuǎn)，維持農(nóng)田水位恒定。

但出于安全防護(hù)，3#電機(jī)作為一臺(tái)備用水泵電機(jī)，當(dāng)2#工頻水泵電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，3#電機(jī)馬上可以替代運(yùn)行。

2.2.3 無線傳感原理

無線多點(diǎn)探測(cè)網(wǎng)絡(luò)是由大量部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的具有感知、計(jì)算和無線通信能力的傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。它綜合了微電子技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，能夠根據(jù)環(huán)境自主完成監(jiān)測(cè)、目標(biāo)發(fā)現(xiàn)、識(shí)別與跟蹤等任務(wù)[9-10]。

本設(shè)計(jì)采用了無線多點(diǎn)探測(cè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)分布在固定的位置，直接向PLC發(fā)送信號(hào)同時(shí)接受來自PLC的查詢。是由多個(gè)無線液位傳感器與數(shù)據(jù)收發(fā)模塊構(gòu)成，多點(diǎn)無線液位傳感器對(duì)農(nóng)田液位信息進(jìn)行收集，經(jīng)過處理器/儲(chǔ)存器運(yùn)算處理，由無線收發(fā)單元進(jìn)行信息反饋[11]。無線液位傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖，如圖4所示。

圖4 無線液位傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Wireless liquid level sensor network node structure diagram

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)是智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，主要由2個(gè)單元組成，包括系統(tǒng)硬件選型和系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)。硬件選型要求PLC可以高效率處理反饋信息，變頻器控制運(yùn)算靈敏度高。硬件電路系統(tǒng)要求成功實(shí)現(xiàn)液位傳感器采集水位信息傳送給PLC的A/D模塊，在變頻器中進(jìn)行處理運(yùn)算，輸出一個(gè)變頻控制量來控制變頻水泵電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。

3.1 主要硬件選型

3.1.1 PLC選型

PLC作為核心處理器，其數(shù)字輸入端外接電路或讀入程序，給整個(gè)灌溉系統(tǒng)控制啟動(dòng)或停止的命令；輸出端輸出一組經(jīng)過處理運(yùn)算的控制信號(hào)到中間繼電器或接觸器[12]。

目前，可編程序控制器的產(chǎn)品很多，不同廠家生產(chǎn)的PLC以及同一廠家生產(chǎn)的不同型號(hào)PLC其結(jié)構(gòu)各不相同，但其基本結(jié)構(gòu)和基本工作原理大致相同。本設(shè)計(jì)選用臺(tái)達(dá)DVP24ES2-PLC作為系統(tǒng)主要元器件，臺(tái)達(dá)DVP系列PLC具有可靠性高、控制功能強(qiáng)、組成靈活、操作方便等特點(diǎn)，具備較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和較高的抗干擾能力，適合農(nóng)業(yè)灌溉的環(huán)境要求。

3.1.2 變頻器選型

變頻器的作用是將輸入變頻器的電流進(jìn)行PID處理運(yùn)算來改變頻率。本系統(tǒng)中輸入變頻器的是三相交流電，經(jīng)過變頻器處理輸出變頻的交流電，交流電再經(jīng)過繼電器與接觸器傳送到變頻電機(jī)上，隨著變頻器輸出的交流電頻率的不同，變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速也將隨之變化，最終實(shí)現(xiàn)變頻灌溉供水。

選用VFD-PU01變頻器與水泵電機(jī)相匹配。VFD-PU01變頻器采用交-直-交變頻變壓方式，變頻調(diào)速很容易實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。VFD-PU01變頻器具備節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，節(jié)電率可以達(dá)到25%-70%，控制精度可達(dá)0.5 mm。圖5為VFD-PU01變頻器控制電路的控制框圖。

圖5 VFD-PU01變頻器控制電路控制框圖Fig.5 Control block diagram of VFD-PU01 inverter control circuit

3.2 主電路設(shè)計(jì)

智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的主電路主要由DVP24ES2-PLC，06XA-E2型號(hào)A/D模塊，VFD-PU01變頻器和無線多點(diǎn)探測(cè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，如圖6所示。

圖6 智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)主電路圖Fig.6 Main circuit diagram of smart agricultural irrigation system

DVP24ES2-PLC通過程序控制輸出脈沖，在經(jīng)過繼電器和接觸器的保護(hù)下連接到電機(jī)和變頻器上，變頻器再連接變頻電機(jī)對(duì)其進(jìn)行變頻控制，A/D模塊主要用于接收液位傳感器傳導(dǎo)的信號(hào)。在經(jīng)過變換傳送到 VFD變頻器內(nèi)進(jìn)而通過改變頻率來改變變頻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。變頻器控制變頻電機(jī)的電路圖如圖7所示。

圖7 變頻器控制變頻電機(jī)電路圖Fig.7 Inverter control variable frequency motor circuit diagram

L1、L2、L3 為三相電源接口；中間繼電器為三臺(tái)水泵提供熱過載保護(hù)；交流接觸器則是起到開關(guān)作用，控制電路通斷來控制電機(jī)的啟停。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

灌溉系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是智慧農(nóng)業(yè)灌溉的功能主體，主要包括系統(tǒng)程序流程和梯形圖程序設(shè)計(jì)。要求確定系統(tǒng)的運(yùn)行邏輯以及完善的梯形圖程序，來確保智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的功能要求得到實(shí)現(xiàn)。軟件設(shè)計(jì)程序流程圖如圖8所示。

圖8 軟件設(shè)計(jì)程序流程圖Fig.8 Software design program flow chart

本研究中變頻恒壓水位系統(tǒng)有兩種控制方式，一種是手動(dòng)控制，另一種是自動(dòng)控制。

4.1 手動(dòng)控制

如圖 9所示，可以通過按鈕選擇手動(dòng)控制，進(jìn)而可以對(duì)每個(gè)水泵進(jìn)行單獨(dú)控制，使水泵按照要求隨意切換。其中1#為變頻水泵電機(jī)，2#和3#為工頻水泵電機(jī)。

圖9 手動(dòng)控制流程圖Fig.9 Manual control flow chart

4.2 自動(dòng)控制

選擇自動(dòng)控制方式運(yùn)行。在1#變頻水泵、2#工頻水泵都無故障的情況下，自動(dòng)控制啟動(dòng)，1#水泵開始變頻運(yùn)行；如果系統(tǒng)檢測(cè)到水位下降時(shí)，1#水泵轉(zhuǎn)為工頻，增加注水量；如果系統(tǒng)依舊檢測(cè)到水位下降，說明1臺(tái)水泵工頻運(yùn)行無法維持水位恒壓，此時(shí)將啟動(dòng)2#工頻水泵，兩臺(tái)水泵同時(shí)注水維持水位恒壓；當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到超過恒壓水位設(shè)定值，1#水泵變頻，2#水泵停止。如此循環(huán)往復(fù)形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，自動(dòng)控制系統(tǒng)主要是通過變頻器運(yùn)算處理液位變送器的反饋信號(hào)，來決定水泵電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)或停止。

若在自動(dòng)控制方式下，2#工頻水泵電機(jī)出現(xiàn)故障，3#備用水泵電機(jī)代替2#水泵電機(jī)進(jìn)行正常運(yùn)作。自動(dòng)控制流程圖如圖10所示。

圖10 自動(dòng)控制流程圖Fig.10 Automatic control flow chart

4.3 梯形圖設(shè)計(jì)

A/D模塊DVP06XA-E2中的寄存器設(shè)定如圖11所示。采用2號(hào)寄存器中的模式6（H0006），電流輸入（4-+20 mA），3號(hào)、4號(hào)與5號(hào)寄存器均不使用；輸出采用 6號(hào)寄存器中的模式 2（H0002），電流輸出（4-+20 mA），同時(shí)關(guān)閉 7號(hào)寄存器。

圖11 寄存器參數(shù)設(shè)定梯形圖Fig.11 Register parameter setting ladder diagram

如圖12所示，M1000表示運(yùn)行監(jiān)視常開接點(diǎn)（A接點(diǎn)），第一行表示讀取 D9900此位置所存儲(chǔ)的模擬量數(shù)據(jù)，D0表示液位傳感器反饋回來的液位反饋值。第3、4、5行就是將讀取到的模擬量位置進(jìn)行轉(zhuǎn)移。第7行則是進(jìn)行運(yùn)算，因?yàn)槎帱c(diǎn)探測(cè)網(wǎng)絡(luò)的量程是0-1 m，所以除以32 000將模擬量化為一個(gè)數(shù)值所對(duì)應(yīng)的距離。第8行則是通過D2、D4來計(jì)算實(shí)時(shí)液位D6。

圖12 源程序梯形圖Fig.12 Source program ladder diagram

如圖13所示，第一行計(jì)算1CM所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，第2行可以進(jìn)行手動(dòng)設(shè)定恒壓水位設(shè)定值D408（液位設(shè)定）。其中D24表示為液位PID設(shè)定值。

圖13 液位設(shè)定梯形圖Fig.13 Liquid level setting ladder diagram

對(duì)PID運(yùn)算參數(shù)進(jìn)行設(shè)定如圖14所示，第1行定義了PID采樣時(shí)間為1S，第2行確定PID為自動(dòng)控制方向，定義輸出上限為10 V，定義輸出下限為0 V。其中M1002表示啟始正向脈沖。

圖14 PID參數(shù)設(shè)定梯形圖Fig.14 PID parameter setting ladder diagram

PID運(yùn)行如圖15所示，D420為PID運(yùn)算中的P值，D422為PID運(yùn)算中的I值。故第1行為比例給定，第2行為積分給定。M1表示運(yùn)行指示，第3行就是PID運(yùn)算，其中D24表示液位PID設(shè)定值，D0代表液位反饋值，D30則表示PID結(jié)果，第4行則是將液位PID結(jié)果寫入D9904中。

圖15 PID運(yùn)行梯形圖Fig.15 PID running ladder diagram

如圖16所示為系統(tǒng)控制程序，其中X0表示電機(jī)1過載，X1表示電機(jī)2過載，X2表示電機(jī)3過載，M2表示系統(tǒng)啟動(dòng)，M3表示系統(tǒng)停止，M5表示報(bào)警。Y0、Y1、Y2分別表示電機(jī)1、2、3啟動(dòng)，Y3表示變頻器啟動(dòng)。

圖16 系統(tǒng)控制梯形圖Fig.16 System control ladder diagram

5 系統(tǒng)驗(yàn)證

在PLC實(shí)訓(xùn)操作臺(tái)上進(jìn)行智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的調(diào)試與測(cè)試，要求灌溉系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)節(jié)農(nóng)田水位，并且具備高靈敏度，高效率的特點(diǎn)。

5.1 硬件連接

依據(jù)智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的主電路圖將實(shí)驗(yàn)室操作臺(tái)上的相關(guān)元器件連接起來，主要接口連接如表1、表2所示。

表1 變頻器連線接口Tab.1 Inverter connection interface

表2 PLC A/D模塊連線接口Tab.2 PLC A/D module connection interface

實(shí)際連接效果如圖17所示，電路正常運(yùn)行。

圖17 實(shí)物連線圖Fig.17 Physical connection diagram

5.2 軟件仿真

進(jìn)行軟件編程之前要準(zhǔn)備好編程軟件WPLSoft 2.45，WPLSoft 2.45是臺(tái)達(dá)PLC的編程軟件，另外需要安裝好組態(tài)王6.53，進(jìn)行模擬操作。

編寫過程如下，打開WPLSoft 2.45，打開菜單欄中“文件—新建”，會(huì)彈出“機(jī)種設(shè)置”的窗口，在“程序標(biāo)題”中輸入名稱“智慧農(nóng)業(yè)”，在機(jī)種里選擇所需要的機(jī)種，在通信設(shè)置中可以選擇傳輸方式。本文選擇的是ES2，COM0。點(diǎn)擊“確定”，就回到主窗口中，開始編寫梯形圖程序。

編寫程序可以在工具欄中找到相應(yīng)的輸入、輸出的符號(hào)，點(diǎn)擊就可以添加到程序窗口中，也可以雙擊藍(lán)色方塊，就可以以指令模式輸入程序。如圖18所示。

圖18 程序編寫界面Fig.18 Programming interface

編寫完一個(gè)簡單的程序后，依次點(diǎn)擊菜單欄中的“編譯—梯形圖=>指令”，軟件就會(huì)自動(dòng)編譯程序。編譯完成后，依次點(diǎn)擊菜單中的“通信—PC<=>PLC”，確定后將程序下載到PLC中，就可以進(jìn)行調(diào)試了。

打開組態(tài)王 6.53，新建文件，輸入名稱“智慧農(nóng)業(yè)”，輸入工程名“灌溉系統(tǒng)”。進(jìn)入后設(shè)置COM1的數(shù)據(jù)口為 7，點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)詞典”設(shè)定需要的數(shù)據(jù)名稱及其寄存器，如圖19所示。

圖19 數(shù)據(jù)詞典設(shè)置界面Fig.19 Data dictionary setting interface

設(shè)置完數(shù)據(jù)后，點(diǎn)擊新建“畫面”，操作界面如圖20所示。

圖20 操作界面Fig.20 Operation interface

在經(jīng)過硬件連接與軟件仿真后，系統(tǒng)可以根據(jù)多點(diǎn)探測(cè)網(wǎng)絡(luò)的反饋信息進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)水位。當(dāng)農(nóng)田水位達(dá)到水位設(shè)定值下限時(shí)，控制系統(tǒng)控制變頻水泵電動(dòng)機(jī)開始變速運(yùn)作，使水位達(dá)到預(yù)期值；當(dāng)水位或水壓超過預(yù)期值時(shí)，控制系統(tǒng)控制水泵電動(dòng)機(jī)停止或降速，來維持農(nóng)田水位保持一個(gè)固定值，且水位精度在1 mm。

6 結(jié)論

在智慧農(nóng)業(yè)變頻灌溉系統(tǒng)構(gòu)建中，主要解決了兩個(gè)問題：一是PLC對(duì)變頻器的控制，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈敏度與安全性；二是上位機(jī)組態(tài)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變頻灌溉系統(tǒng)的運(yùn)行，具有即時(shí)性?？刂葡到y(tǒng)簡單易操作，有通用性強(qiáng)、靈敏度高和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等特點(diǎn)。變頻灌溉系統(tǒng)很好地克服了傳統(tǒng)澆灌控制方式的缺點(diǎn)，具有其實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。