基于PLC技术的智能滴灌控制系统

田思庆 曹 宇 姜永成 魏 强 张炳权



基于PLC技术的智能滴灌控制系统

田思庆 曹 宇 姜永成 魏 强 张炳权

根据大棚内作物对灌溉的需求，把毛细滴管口安装在作物根系旁边，设计了一套由PLC控制的智能滴灌控制系统。该系统以土壤湿度、光照强度、水温和时间为条件，根据模糊控制规则控制水管压力和速度进行精细滴灌。该系统具有操作便利，运行稳定，易于维护，成本低、节能等优点。

滴灌技术作为目前最先进的灌溉用水技术，在我国使用率偏低，所以滴灌技术在我国推广使用具有广泛的前景。滴灌是用专门的管道系统和设备将低压水通过半径约5mm毛管上的孔口或滴头送到作物根部土壤中的一种灌溉方法。具备很多其他灌溉方式所不具备的特点。滴灌能节约用水，加速农作物生长，尤其适合温室大棚作物的生长。在温室大棚作物的生长过程中，环境的温度和湿度对作物的生长起着至关重要的作用，由于昼夜温差大，对作物的生长不利，因此只有给作物一个合适的生长环境才能促进作物的生长。滴灌在工作过程中用水量少，可以很好的保持温室大棚内的温度，并且可以使温室大棚内湿度降低，给作物生长提供了一个非常好的生长环境。

智能滴灌控制系统

智能滴灌控制系统主要应用于温室大棚，其控制系统工艺流程如下图1所示。将毛细滴管口安装在作物的根系附近。本课题设计的系统装置包括四根滴灌管道（滴灌管道的数量可根据实际应用的情况进行适当的删减或增加），滴灌管道上的毛细滴管口间距应根据当地气候条件，土壤质地和作物品种及种植间距的不同可在0.25m到3m之间自由选择。太阳能加热控制系统，通过太阳能对灌溉水进行加温调控，可以快速将灌溉水调到理想的温度，节约能源，利于作物的生长。12个土壤湿度检测传感器（每一垄植物滴灌管道腹肌土壤中设有3个土壤湿度传感器），使用土壤湿度检测传感器的数量在实际应用中可根据滴灌管道的长度来进行适当增加和删减，从经济性的角度建议可以适当的进行有线土壤湿度传感器和无线土壤湿度传感器进行搭配使用，效果更加。4个电磁阀的作用是用来控制各个滴灌区滴灌管道水流的压力和流量，保证滴灌的均匀和稳定。在大棚内安装光照强度传感器，用来检测大棚内的光照强度，在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出水流量，从而改变滴灌出水速度。并在滴灌干路上安装出水泵，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。此系统能够定时、定量、准确的补给作物散失的水分，不仅可以节约水资源，而且可以可以控制滴灌速度，对作物生长有很大的帮助。

控制系统硬件设计

电气结构图

根据当地大棚内作物的要求，本系统选用台达DOP-B07S411触 摸 屏， 台 达PLC E2列DVP16EH00R2，模拟输入/输出模块DVP04ADH2，台达VFD002L21A变频器，以及若干控制开关和交流接触器等。通过RS-485总线将PLC、触摸屏、变频器建立通讯连接，将土壤湿度传感器、水温和光照度传感器返回的模拟量信号传入DVP04AD-SL模块中。智能滴灌控制系统电气结构如图2所示，控制器DVP16EH00R2的电气接线如图3所示。

PLC输入和输出地址分配

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。

控制系统软件设计

模糊控制规则

根据温室大棚作物生长的规律综合考虑该系统分为自动和手动2种控制方式，手动运行可以开停滴灌控制器，提高控制系统的稳定性，但一般在紧急条件下应用。自动控制系统包含彼此之间相互联系的四个部分。

部分一：以土壤湿度检测信号与给定值的偏差，根据制定的滴灌管道附近的土壤湿度和光照强度为模糊规则，通过PLC去控制比例电磁阀的开关以及阀门开度，进而控制滴灌压力与速度。控制规则如下：

图1　智能滴灌过程控制系统

图2　智能滴灌控制系统电气结构图

图3　控制器DVP16EH00R2电气接线图

（1）当土壤湿度为低，光照强度为低时，阀门开度为半开状态；

（2）当土壤湿度为低，光照强度为中时，阀门开度为全开状态；

（3）当土壤湿度为低，光照强度为高时，阀门开度为全开状态；

（4）当土壤湿度为中，光照强度为低时，阀门开度为关闭状态；

（5）当土壤湿度为中，光照强度为中时，阀门开度为半开状态；

（6）当土壤湿度为中，光照强度为高时，阀门开度为全开状态；

（7）当土壤湿度为高，光照强度为低时，阀门开度为关闭状态；

（8）当土壤湿度为高，光照强度为中时，阀门开度为关闭状态；

（9）当土壤湿度为高，光照强度为高时，阀门开度为半开状态。

表1　智能滴灌控制系统PLC输入地址及定义

表2　智能滴灌控制系统PLC输出地址及定义

部分二：综合四路滴灌支路上比例电磁阀的开度情况去控制出水泵的转速，以保持滴灌管道内有充足的供水压力。控制规则如下：

当管路阀门全开，则电机正常运转；

当管路阀门全关，则电机全关闭；

当其中一个管路阀门开的时候，电机转速较慢运转。

部分三：通过储水罐中液位开关去控制进水阀的开闭，以保证储水罐有足够的水源，同时也防止了因为设置不当而造成的水的浪费。控制规则如下：

当液位低于滴灌灌溉水位时，此时最少打开一个进水阀；

当液位高于滴灌灌溉水位是，此时关闭进水阀。

部分四：太阳能水温加热控制器使灌溉水温控制在适宜作物生长的理想温度。控制规则如下：当灌溉水温低于设定的温度下限值时，循环水泵将水送入加热管进行热交换，通过循环，当灌溉水温度达到作物适宜的理想温度值后，循环水泵停止工作，启动滴灌系统。

软件设计流程

图4　控制系统流程图

系统控制流程如图4所示。

为了监控整个滴灌控制系统，本设计采用RS-485总线将PLC、触摸屏和变频器进行通讯连接。将土壤湿度、水温和光照度传感器模拟量信号传入到DVP04AD-SL模块中，然后再通过windows操作系统，可以直观的在计算机上进行操作控制，并对各种动态数据进行实时监控。该系统同时支持U盘导出，以便工作人员随时查看各个时期的历史数据和记录。

本设计建立了系统设定界面，通过界面可以根据不同作物对阳光和水资源的不同需求，设定适合作物生长的土壤湿度、水温和光照强度范围；同时考虑到节气不同对滴灌时间的长短需求，可以设定每天的滴灌起止时间范围。系统还可以根据制定的时间范围，通过软件检测系统中各个传感器测量值是否超出其检测范围，并判断传感器是否损坏，管道是否发生堵塞，太能能电板是否损坏等硬件故障。

结语

基于PLC控制的智能滴灌控制系统，以土壤湿度、水温、光照强度为条件，通过模糊控制规则，控制滴灌给水压力和速度，以保证大棚内农作物的环境生长。通过上、下位机的连接通讯，系统可将采集的数据综合报表、管理，还可通过下位机控制执行元件，保证系统正常运行。

田思庆 曹 宇 姜永成 魏 强 张炳权

佳木斯大学机械工程学院

田思庆（1965-）硕士生导师，教授；研究方向：农业电气化与自动化；曹宇（1991-）硕士研究生；研究方向：农业电气化与自动化；通讯作者：姜永成：（1976-）硕士生导师，副教授，工学博士；研究方向：农业电气化与自动化。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.11.028

佳木斯大学科技创新团队建设计划项目（Cxtd-2013-01）；佳木斯大学研究生科技创新项目（LM2015_006）