基于MCGS的智能滴灌系统设计

河北农业大学机电工程学院　张梦



基于MCGS的智能滴灌系统设计

河北农业大学机电工程学院张梦

摘要：我国是用水大国，落后的管理灌溉方式会造成水资源的浪费，开发节水新科技十分必要和迫切。MCGS组态软件操作简单，界面友好，可内置控制策略，在自动化领域有着广泛的应用。通过图形直接对滴灌现场进行实时监控，生成数据报表，实时报警，进行数据查询及打印，同时具有生成趋势曲线的功能，实现滴灌的科学管理。

关键词：MCGS；智能灌溉；界面

项目：保定市科技局项目，15ZG012，基于智能化机井电表的农村灌溉用电管理研究。

引言

智能灌溉系统可以自动测量土壤的湿度、类型、肥力等，再根据所种植物的种类，自动开启或关闭滴灌，从而优化用水量和施肥量。与传统灌溉系统相比，智能灌溉系统的成本差不多，灌溉水利用系数由原来的0.6提高到0.9，可节水16%到30%。设计合理实用的灌溉智能化监控系统，优化人机界面，让种植人员上机就可操作，使之成为俗称的“傻瓜型”系统，对系统的应用推广是非常必要的。

1　灌溉管理现状及存在的问题

我国是用水大国，落后的管理灌溉方式造成水资源的浪费，有关数据显示，我国水资源的70%都用于农业，农业用水量达到40Gm3［1-2］。我国农业比较常见的灌溉方式是机井灌溉，相应的设施也不健全，效率低下，这就导致地下水资源的过度开发和不合理使用，对灌溉的管理不科学，不成体系。因此，在我国农业实行灌水自动化，开发节水新科技十分必要和迫切，而技术的核心便是如何使得灌溉用水量被精准地计算和控制［3-4］。工控MCGS组态软件操作简单，界面友好，在自动化领域有着广泛的应用［5-6］。

自20世纪40年代以来，法国、美国、荷兰、以色列等发达国家开始研究自动灌溉，并得到很大发展，取得一系列的成果，有些产品得到了很大程度上的应用。灌溉控制方式从最初的水力控制、机械控制发展到自动控制、计算机程序控制，并向智能化、自适应化发展。

2　监控系统组态设计

2.1监控总体设计

智能灌溉系统内置了控制策略，控制各个执行机构的输出，实现对各个灌溉分站的分散控制。而面对用户的核心内容就是人机界面的可视化、友好化的设计与实现。由硬件和软件两部分组成，硬件部分主要包括：计算机、通讯模块、滴灌设施、温度传感器、湿度传感器等［7］。软件部分包括：在MCGS环境下开发的灌溉监控软件；并将各测量点温度、湿度转换成电流信号，经过处理送到数据库中，对其处理运算，得到所需要的数据报表、数据曲线、报警信息及历史报表等。

2.2工程建立流程

根据不同植物的生长环境需求，采用KCET0，即作物系数-参考作物需水量法，设计了滴灌智能化控制系统［8］。滴灌水肥一体化技术具有节水节肥、节省劳力、便于规模化自动管理，并且能提高经济效益，水肥高效耦合的优势。设计了有效便捷的控制系统，由温度传感器和湿度传感器分别检测土壤环境温湿度。每个区域分别设置不同个数的水泵的启动、停止控制。利用MCGS开发环境和 Microsoft Access数据库，对上位机管理软件进行框架设计和主要功能开发。本系统在实验室进行实验，对实验数据进行分析。

图1　工程建立流程

3　模块功能实现

设计对作物需水信息进行实时采集、监测与控制的硬件设备；智能控制器是这个控制系统的主体部分，采用PLC完成生产现场的模拟和开关数据采集，根据内置的控制策略，控制各个执行机构的输出，实现对各个灌溉分站的分散控制。

设计合理实用的作物需水信息控制方法是智能灌溉控制的核心。智能灌溉系统是根据外界环境的变化，将与植物需水相关的参数（温度、相对湿度、降雨量、风力等）传送到上位机，结合KCET0，即先利用多种影响因素数据计算出参考作物需水量（ET0），再根据作物需水系数（KC）对其进行修正，进而得到实际作物需水量（ET），经调节器进行PI运算后，发出指令给相关执行机构实施灌溉的一种自动化滴灌方式。

ET=KC·ET0

式中，ET0：参考作物需水量；KC：综合作物系数。

智能灌溉监控系统是否实用通过可视化、友好化的人机界面的设计实现。上位机采用MCGS为发开软件，在MCGS开发界面、构造数据库、定义外部设备、从控制对象中采集数据、并存储到Microsoft Access后台数据库中，集数据采集存储、数据传输、实时显示、数据报表、趋势曲线、实时监控、参数设置、系统管理、打印等功能于一体［9］。

图2　实时控制界面

实时监控模块可以直接通过图形直接对灌溉现场进行实时监控。监控系统有手动自动工作状态、执行机构运行状态，并且下达和传输控制参数，同时可远程控制水泵、阀门等。

数据管理模块把采集到的多个智能控制器的数据存储于数据库中。MCGS中，可实现数据库之间的数据表的拷贝、存盘数据提取以及生成进行实时数据显示等功能，可根据生成的数据报表（实时数据报表、历史数据报表），进行数据查询及打印，同时具有生成趋势曲线（实时趋势曲线、历史趋势曲线）的功能。

图3　数据显示界面

4　结语

滴灌监控系统集中管理，实用精准的上位机软件，实现对滴灌控制设备各种信号的监测和处理。设置环境参数限值，提供报警功能，避免了干旱或过量灌溉等问题，实现了安全管理。运行稳定，具有良好的通用性，界面操作简单，结果显示直观，易学易用，数据查询速度快。以动画显示、流程控制、实时曲线、历史曲线、报表输出和报警处理等多种方式向用户提供解决实际的智能滴灌管理方案。

参考文献：

［1］高美晶.基于组态王的灌溉井群远程监控系统上位机设计与实现［D］.东北农业大学，2014.

［2］张慧，胡志刚.基于触摸屏的植物灌溉PLC控制系统设计［J］.机械工程与自动化，2014，06∶168-170.

［3］李伟.基于PLC技术的自动化灌溉施肥系统的设计 ［J］.农机化研究，2011，09∶107-109.

［4］陈智芳，王景雷，刘祖贵，宋妮.基于WebGIS的多指标灌溉信息管理系统［J］.中国农业科学，2013，09∶1781-1789.

［5］吴峥.基于MCGS组态软件与PLC的自动供水系统设计与实现 ［D］.厦门大学，2013.

［6］胡金山，王熙.基于PLC、MCGS组态技术的北方寒地温室环境监控系统设计［J］.江苏农业科学，2015，10∶510-512.

［7］张家源，朱燕琴，张建华.工控MCGS组态软件在农业灌溉信息化管理工程中的应用 ［J］.甘肃农业大学学报，2007，05∶138-142.

［8］彭晓云.农田节水灌溉自动控制系统的设计［D］.河北农业大学，2014.

［9］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，2011，07∶4258+4275.