基于PLC的棉花灌溉控制系统的研究

李建军

(塔里木大学机械电气化工程学院， 新疆 阿拉尔 843300)



基于PLC的棉花灌溉控制系统的研究

李建军

(塔里木大学机械电气化工程学院， 新疆 阿拉尔 843300)

通过对农业灌溉控制系统研究现状的介绍，本文利用可编程控制器、变频装置以及模拟模块实现对棉花等农作物喷灌检测控制。论文通过系统的硬件结构设计和软件编程研究了基于PID算法的温、湿度检测；并对上位机和可编程控制器通信后对现场棉花灌溉的自动控制进行了研究。

PID； 控制系统； 节水

我国是水资源缺水大国，农业灌溉智能化、自动化程度不高，目前主要应用于国家、省市的实验田和农业技术研究中心中，例如国家农业信息化工程技术研究中心研制了“远程手机无线灌溉控制系统”[1]，但距离大面积推广还有一段距离，因此对农业节水灌溉控制系统的研究具有必要性。

南疆地处沙漠地带，干旱少雨，水资源缺乏。棉花等农作物缺水严重，设计一套适合南疆地区的棉花节水控制系统对节约水资源具有重要的意义。节水控制系统早期是继电器控制，继电器控制特点是控制系统简单、便于操作，但智能性低；单片机控制系统应用也较多，控制精度高，但稳定性差[2-3]。由于南疆地处偏远，工业化程度低，当自控控制设备出现故障时，由于维修不及时，可能会对工农业生产造成重大损失，因此控制设备的可靠性是需要重点考虑的。另外，不同灌溉方式和不同的控制方法对覆膜棉田以及其他农作物的土壤温度的影响也不同[6-7]，本文研究的控制系统是以PLC为核心，由于PLC的特点是可靠性高、故障率低、编程简单以及维护方便，因此成为本论文研究的控制系统的核心器件，控制系统通过PLC和变频器相结合，根据检测的棉花温、湿度信号从而控制水泵的转速达到控制水量的作用，来节约用水量。

1 系统概述

1.1 控制系统构成

论文研究的控制系统主要由可编程控制器(PLC)、变频器、模拟扩展模块以及检测系统、电机等几部分组成。系统框图如图1所示.

1.2 控制过程

首先，对棉花灌溉地的温湿度参数测量，参数测量是由检测系统完成，然后把现场检测的数据传送到模拟模块中，通过A/D转换把现场的模拟量转换成数字量，经PLC智能运算后把运算结果送到变频装置，进而启动和停止电机控制喷灌。

图1 控制系统框图

2 硬件选择

2.1 主机

本系统选S7——200 CPU 224XP型主机，通过关闭编辑程序的可选功能来获取更多的程序存储区。CPU 224XP支持集成的模拟量I/O和两个通讯端口，存储卡具有转换、比较以及编程选择。主机主要输入和输出口如表1所示。

表1 PLC模块端口分配

2.2 变频器装置

变频器选择西门子MM420，标准的模拟设定值的端口为AIN+/ AIN -，电压值为0-10V，相当于频率设定值的 0-50 Hz。电动机起动时数字端子DIN 1为高电平，反之，电动机停车端子 DIN 1是低电平。另外，可手动用BOP/AOP 上的OFF按钮控制停机，按下OFF 按钮(持续2 秒钟)；或按两次OFF(停车)按钮即可停机。当电动机反转时输出端子DIN2设定值为高电平。

变频器MM420的所有控制方式选择基于V/f 控制特性[4]。不同的控制关系适用于各种不同的应用对象，其中线性 V/f 控制，可用于可变转矩和恒定转矩的负载如带式运输机和正排量泵类控制；带磁通电流控制(FCC)V/f 控制，可用于提高电动机的效率和改善其动态响应特性，变转矩负载如风机和水泵，本设计系统使用后一种控制方式。

系统中变频器外部接线图1所示和参数选择如图2和表2所示。

图2 变频器外部接线图

2.3 模拟量扩展模块

S7--200 CPU 224XP型主机本身模拟量功能，为了完成系统的模拟量控制必须外加模拟量模块EM235。EM235有4路模拟量输入和1路模拟量输出功能。本系统选择输入双极性电压EM235模块和土壤温度传感器 PTWD-3A配合， 结合DL2 电流变送器输出4～20 mA信号，以及0～2. 5 V雨量传感器信号送给可编程程序控制器有PID功能指令模拟模块EM235。为了让棉花能够在适宜的湿度环境下生长，并能适时判断土壤的温湿度，所以选择较高精度的土壤温湿度传感器尤其重要，本设计选择PTWD-3A型土壤温度传感器，此传感器是不锈钢材质有防腐功能，传感器的感应部分是Pt-100铂电阻元件组成测量精度高，能够很好的检测棉花生长的土壤温湿度。

表2 变频器参数设定

3 下位机软件的设计

3.1 软件设计

软件设计智能算法多样[5]，本设计用PID算法，PID算法精度高，系统稳定性好。程序设计包括主程序和子程序，主程序开始后进行PLC扫描，读取检测到的温度等数据，然后调用定时子程序，比较检测数据和设定值，子程序结束后返回主程序继续执行。其中中断子程序流程图如图3所示。

3.2 PID功能指令

STEP 7--Micro/WIN 4.0是用于S7--200的32位编程软件包，软件支持最新西门子CPU增强功能的新软件工具和改进过的软件工具，本系统中使用 PID自动整定控制面板、PLC内置位控向导、数据归档向导和配方向导编程。

在STEP7 MicroWIN环境下点击“新建项目” 按钮，选择文件(File)和 新建(New)菜单命令，按Ctrl+N快捷键组合。在菜单“文件”下单击“新建”，开始新建一个程序，在程序编辑器中输入指令，最后从指令树拖放选择的指令编程。按“控制接线图”连接PLC外围电路；点击属性对话框，在弹出的对话框中选择“PC/PPI通信方式”，设置PC/PPI属性如图4所示。

图3 子程序流程图

3.3 系统控制过程

按照I/O端口分配表或接线图完成PLC与变频器和各个模块之间的接线，打开编写的控制程序，进行编译，有错误时根据提示信息修改，直至无误，用PC/PPI通讯编程电缆连接计算机串口与PLC通讯口，打开PLC主机电源开关，下载程序至PLC中，下载完毕后将PLC的“RUN/STOP”开关拨至“RUN”状态。

模拟量模块输入端从温度变送器端采集土壤温度信号，经过程序运算后由模拟量输出端输出控制信号至驱动端控制线圈等电器设备，进而控制水泵等设备。程序运行后，温度变送端采集的物体温度信号作为过程变量，经程序PID运算后，由模拟量输出端输出控制信号至驱动端控制设备，对受控对象进行喷洒。初始化程序如下

LD SM0.1

MOVB 100, SMB34

ATCH AD_DA_PID:INT0, 10

ENI

图4 PC/PPI属性设置

程序初始化时启动定时中断，设定定时中断的时间为100 ms。

3.4 系统输出模块程序

模拟量的标准电信号是A0～Am，和4～20 mA电流信号对应，通过模数和数模转换后得数值为D0～Dm(6 400～32 000)，则标准电信号A为

A=(D-D0)×(Am-A0)/(Dm-D0)+A0

(1)

同理可得通过数模转换后数字量D方程为

D=(A-A0)×(Dm-D0)/(Am-A0)+D0

(2)

本系统使用温度传感器，当温度达到满量程100 ℃时，温度传感器的输出电流是20mA，AIW0的数值是32 000。可见，每毫安对应的A/D值为32000/20，由此可得出AIW0的数值转换为实际温度各个点的连续值。

本系统使用主机和模拟量扩展模块EM235，传感器测量的温度范围是0～100度，测量温测量模拟量输入AIW和模拟量输出AQW输出程序以及温度测量主程序。其中模拟量输入通道AC0信号范围0. 0～1. 0，模拟量输出通道VD5输入范围0.0～1.0。

4 结论

论文以PLC为主机采用PID法对棉花农作物的喷灌系统进行控制，使系统基本上达到控制要求。具体得出结论如下：

4.1 该系统对棉花作物喷灌控制系统进行了研究；

4.2 本系统能通过土壤湿度，土壤温度对棉花能农作物温湿度测量来控制浇灌的水量和时间，具有一定的智能；

4.3 基于PID算法的PLC对控制稳定性好，精度高，能够实现节水目的。

本文设计的系统虽然实现了上述功能，但仍有下一步工作可以开展

4.3.1 经过PLC与PC的通信，可以设计上位机软件系统在线检测功能，实现现场温湿度等参数在上位机上显示，通过上位机上的数值向喷灌区PLC发出控制指令，来控制棉花农作物的喷灌。

4.3.2 控制系统的安装位置、管道的布置应该深入研究，这些都对灌溉的成本有着重要的影响。

[1] 孙刚,郑文刚,赵春江,等.基于Mobus协议的无线灌溉控制系统研究[J].节水灌溉,2008,(4):54-5.

[2] 韩祥波.组态软件和PLC在农田灌溉中的应用[J].安徽农业科学,2007,35(21):6681-6682.

[3] 夏洪,林刚勇,朱兆优,等.一种PLC控制的自动灌溉系统[J].机床与液压,2007,35(7):64-65.

[4] 西门子中国有限公司.S7-200可编程控制器系统手册.2005.

[5] 王智乾,柯建宏.基于PLC模糊控制的温室灌溉控制策略研究[J].浙江农业科学,2011(6):1428-1432.

[6] 申孝军,孙景生,李明思,等.不同灌溉方式对覆膜棉田土壤温度的影响[J].节水灌溉,2011,(11)：19-24.

[7] 石建飞,曹洪军,衣淑娟,等.基于PLC的寒地水稻水肥一体化灌溉系统设计[J].农 机 化 研 究2013, (12):58-64.

Research of Cotton Irrigation Control System Based on PLC

Li Jianjun

(College of Mechanic and Electrical Engineering, Tarim University, Alar, Xinjiang 843300 )

Research on the status of agricultural irrigation control system introduced, the paper used programmable controller, frequency and analog devices, and modules to achieve the detection of cotton and other crops sprinkler control. This paper studied the temperature and humidity detection by hardware design and software programming system based on PID algorithm, realized cotton irrigation automatic control after the host computer and programmable controllers communicate.

PID; control system; water saving

2014-05-15基金项目：塔里木大学校长基金(TDZKSS201321)作者简介：李建军(1972-)，男，讲师，工程师，研究方向为农业控制技术和可再生能源发电技术。 E-mail:lijianjuntd@163.com

1009-0568(2015)01-0107-04

TM571.61

B

10.3969/j.issn.1009-0568.2015.01.019