基于PLC与HMI技术的智能滴灌控制系统

魏 强，田思庆，李 帅，张炳权

(佳木斯大学 ，黑龙江 佳木斯 154007)

0 引 言

水是人类生存与发展不可缺少的重要资源，根据我国农业部的最新调查，我国近年来平均每年的总用水量为5 500亿m3，其中61.4%用于农业灌溉，而我国传统的农业灌溉方式对水资源的利用率仅有45%，造成了水资源的极大浪费。滴灌技术作为最节水的灌溉方法之一，在我国的推广程度仍然很低，我国对成本低，容易推广使用的自动滴灌系统的需求十分迫切[1]。

滴灌作为一种节水灌溉方式，具有很多其他灌溉方式所不具备的优点，它不仅能节约水资源和劳动量，同时由于它单次注水量少，因此可以保持大棚内温度，降低大棚内湿度和防止病虫害发生。本课题设计的智能滴灌控制系统，综合考虑种植区光照强度和植物生长土壤湿度两个因素，采用模糊控制规则，保证给予作物足够水分生长的同时，最大程度的节约水资源和减少其他能源的损耗。

1 智能滴灌控制系统硬件结构设计

本课题设计的智能滴灌控制系统主要应用于大棚种植，其过程控制系统如图1所示，该系统设计有三路架设在大棚地表土壤上方带有毛细滴灌口的滴灌管道，每一根滴灌管道负责一垄作物，管道上的毛细滴灌口的间距可根据作物生长的土壤条件和作物的生长特性在0.3 m到1.5 m之间选择。每一垄植物滴灌管道附近土壤中埋设有3个土壤湿度传感器，以用来检测作物生长的土壤湿度。在大棚内安装光照强度传感器，用来检测大棚内光照强度。在连接滴灌支路和滴灌干路上安装比例电磁阀，通过控制比例电磁阀的开度，可以调节滴灌管道支路中的给水流量，从而改变滴灌速度[2]。在滴灌干路上安装有出水泵，通过变频器改变出水泵的转速，以保证不同需水情况下，滴灌系统水流压力的恒定。用于储存水及过滤杂物的储水罐中，装有用于检测罐内水位的液位开关，以及进水阀门等。

图1 智能滴灌过程控制系统

智能滴灌控制系统电气结构如图2所示。系统主要包括西门子KTP700basic触摸屏，西门子PLC1200，模拟量输入/输出拓展模块SM1234，西门子G120变频器以及若干控制器开关和交流接触器等。通过Profnet通讯方式将PLC、触摸屏、变频器通讯连接，土壤湿度传感器和光照度传感器测量的模拟量信号连接到SM1234模块中。系统中部分数字量及模拟量输入如表1所示，数字量及模拟量输出如表2所示。控制器PLC1200电气接线如图3所示。

图2 智能滴灌控制系统电气结构图

PLC输入地址定义I0．0电源开关I0．1液位高位开关I0．2液位中位开关I0．3液位低位开关ID0土壤湿度传感器1ID4土壤湿度传感器2ID8土壤湿度传感器3ID12土壤湿度传感器4ID16土壤湿度传感器5

2 智能滴灌控制系统软件设计

2.1 智能滴灌控制系统控制规则

本课题设计的智能滴灌控制系统主要由3个控制部分组成。其中，第一部分综合某一滴灌管道附近的土壤湿度和光照强度两个信号控制该滴灌支路比例电磁阀的开度；第二部分综合三路滴灌支路上比例电磁阀的开度状况控制出水泵的转速；第三部分通过储水罐中液位开关和出水泵转速控制进水阀的开闭。本系统设有可相互转换的手动和自动控制方式，其中自动控制方式流程如图4所示。

表2 智能滴灌控制系统PLC输出地址及含义

图3 控制器PLC1200电气接线

图4 系统自动控制方式流程图

第一控制部分,根据专家和操作人员的经验在人机界面中设定好适宜作物生长的土壤湿度范围和光照强度范围。模糊控制规则中以土壤湿度和光照强度两个参数为输入量，比例电磁阀的开度为输出量。制定模糊控制规则调节比例电磁阀的开度以改变滴灌支路的给水流量，从而调节滴灌速度。设定的模糊控制规则输入范围[低，中，高],分别对应：“低于设定土壤湿度(光照强度)下限”；“处于土壤湿度(光照强度)下限与上限之间”；“高于土壤湿度(光照强度)上限”。输出范围[关闭，半开，全开]，对应比例电磁阀3个状态。根据土壤湿度和光照强度状况控制比例电磁阀开合程度模糊控制规则如表3。

表3 湿度、光照强度控制比例电磁阀开度模糊控制规则表

该系统第二控制部分是通过三路比例电磁阀开度去控制出水泵转速，以保持管道内的有充足的水压进行滴灌。其中，该模糊控制规则的3个输入分别为：管路1电磁阀开度,管路2电磁阀开度，管路3电磁阀开度，其中定义的输入范围[0，0.5，1],分别对应比例电磁阀的3个开度[关闭，半开，全开]；输出为出水泵转速，输出范围为[0,200,400,600,800,1 000] r/min。滴灌支路电磁阀控制电机转速规则如表4。

该系统第三控制部分结合液位低、中、高和出水泵转速控制进水电磁阀个数，以防止滴灌供水不足和水过量溢出。该模糊控制规则中两个输入量分别为出水泵转速和液位出水泵转速的输入范围分别对应[0,200,400,600,800,1 000] r/min，液位的输入范围[L,M,H]分别对应：[低于液位下限，处于液位上限和下限之间，高于液位上限]。输出量为电磁阀的开启个数，输出范围[1,2,3]对应[开启一个进水阀，开启两个进水阀，开启3个进水阀]，具体控制规则如表5。

表4 滴灌支路电磁阀开度控制电机转速规则表

表5 液位和出水泵转速控制进水阀开启个数 个

3.2 智能滴灌系统软件

本课题设计的智能滴灌控制系统采用西门子公司新推出的PortolV13软件进行设计编程，该软件可以同时对PLC、HMI、变频器设备程序进行编写设计。

系统显示界面主要包括：手动控制界面、主参数显示界面、系统故障报警界面、历史数据报表界面和实时曲线界面[3]。

手动控制界面中设定了比例电磁阀、出水泵及进水阀的开关控制按钮，当系统启动之前可以通过手动控制界面的控制开关按钮，来检测系统各个执行部件是否能运行正常。并且在系统自动控制流程出现问题时，可以通过手动按钮来控制系统的执行部件，及时阻止不正常运行，防止出现较大的损失。

主参数显示界面主要根据土壤湿度传感器和光照强度传感器在线显示大棚作物的土壤湿度和大棚内的光照强度，以利于操作人员随时了解大棚内土壤湿度和光照强度，并且通过字体颜色的不同表征土壤干燥程度和光照强度，以便操作人员采取措施。主参数显示界面如图5所示。

图5 智能滴灌控制系统主参数显示界面

历史数据报表界面可以把采集到的土壤湿度、光照强度、比例电磁阀的开合程度，以及出水泵的转速等数据存储在系统数据库中，并生成历史数据报表.该系统同时支持U盘导出，工作人员可以通过输入时间范围方便地查询各个时期的历史数据，为日后系统优化以及农业研究提供了宝贵的数据资源[4]。

在报警界面中，系统通过定期时间扫描监测系统中各个传感器测量值是否超出其检测范围,判定传感器是否损坏，以及管道是否发生堵塞，以及无法正常对大棚内作物进行正常灌溉等故障。

参数设定界面可以根据不同作物对阳光和水资源的需求不同，设定适合作物生长的土壤湿度和光照强度范围，以利于植物的正常生,同时考虑到节气不同对滴灌时间长度要求也不同，而设定了每天滴灌起止时间范围。具体参数设定界面如图6所示。

图6 智能滴灌控制系统参数设定界面

4 结 论

基于 PLC和HMI 的智能滴灌控制系统使用效果良好，设计程序通过对大棚内作物生长土壤湿度、光照强度变化，智能的对农作物滴灌量和滴灌时间的进行控制，实现了对大棚内作物滴灌的智能化和自动化，减少了工作人员的劳动强度，同时也有效地节约了水资源和其他损耗类资源[5]。

本系统设计成本低，可靠地硬件和完善的程序保证了系统的可靠性， 设定滴灌时间控制保证减少了对滴管设备的和电力资源的损耗，并且调试维护简单，具有广阔的应用前景和使用价值。

[1] 牟淑杰.MCGS和PLC在智能灌溉监控系统中的应用研究[J]. 安徽农业科学,2011,39(7):4 258,4 275.

[2] 张 力,张 凯,张杰武. 新型滴灌系统及附属设备的研发与应用[J]. 中国农村水利水电,2013,(4):62-63.

[3] 于 辉,纪建伟,李征明,等. 北方温室微环境在线监控系统设计与分析[J]. 农业工程,2012,12(2):12-15.

[4] 孙文志. PLC在大棚自动生产控制系统中的应用与实践[J]. 安徽农业科学, 2011,39(1):471-472.

[5] 朱海龙,吴开华,赵伟杰. 模糊控制在太阳能自动灌溉系统中的应用[J]. 机电工程,2012,11,29(11):1 310-1 313.