齐浩 佟维妍 郭明志 屠思银
摘 要 农业灌溉是影响农作物产量的重要因素,而传统灌溉系统普遍存在自动化程度低、可靠性差等问题。本文设计了一种基于Lab Windows/CVI和PLC的供水系统,根据土壤湿度传感器采集土壤湿度信息,利用PID控制算法对变频器的输出频率进行调节,进而对水泵供水量进行控制,实现智能灌溉。
关键词 Lab Windows/CVI;PLC控制;PID;变频器
引言
传统的人工灌溉采用水泵直接从地下井抽水,对耕地进行饱和式灌溉,水资源浪费严重[1-2]。滴灌、喷灌系统采用接触器控制,水泵直接启动,产生谐波对电网有影响,启动瞬间会形成水锤,对管网有损伤[3]。为了实现灌溉的方便性与稳定性,本文设计了一种基于Lab Windows/CVI和PLC的供水系统。
1 系统的总体设计
本系统使用一台变频器对4台水泵进行控制,M1与M2电机为日常供水机组,遵循着“先启先停”的原则,实现对电机的合理利用与保护。M3电机为备用电机,用于应急或者检修时使用。M4电机为滴灌供水电机,在滴灌节能运行时,M4电机采用变频运行方式。
2 硬件设计
系统的硬件设计包括控制器、传感器、执行机构、人机交互。利用西门子S7-200系列的PLC作为下位机控制器。CPU模块采用了224XP,并扩展了EM235模拟量模块。传感器使用的是AT8671型土壤湿度传感器,西门子440系列变频器和水泵为执行单元。人机交互单元的工控机选用了研华430系列工控机。
3 软件设计
3.1 PLC程序设计
本系统有手动控制和制动控制两种控制方式,下位机软件控制流程图如图1所示。手动控制是直接控制任意一台电机的启动与变频输出,应用于特殊情况设备的控制或设备的调试中。
自动模式的工作方式,将检测值与设定值进行比较,若偏差△S=0时,PID输出不变,说明土壤湿度符合植物生长需求。若△S<0时,说明土壤水分过多,灌溉系统停止工作。若△S>0时,说明作物正处于缺水的状态,需要进行大面积的灌溉。水泵按先起先停的原则进行运行,以提高水泵的使用寿命。为防止变频器与水泵切换过于频繁,设定了一个额定值区间为SMAX——SMIN,若土壤湿度实测值大于SMAX,且变频器输出频率小于20Hz,则水泵停止工作。若土壤湿度实测值小于SMIN,且变频器输出频率大于50Hz,则水泵M1、M2进行双工频运行。当水泵运行超过24h时,系统将自动切换另一台水泵运行。
3.2 Lab Windows/CVI上位机程序设计
上位机开发采用了NI公司推出的Lab Windows/CVi软件。用户操作页面的结构主要由登录界面、控制方式选择界面、人工操作界面、自动控制界面等四部分组成。“人工控制”界面,如图2。16个按键可分别控制接触器的吸合与断开,从而改变水泵的工作状态。还可以控制变频器输出频率,从而控制电机的转速,急停按钮可在紧急情况下对设备进行急停。串口部分可与下位机调试通信。“自动控制”界面,如图3。可以对供水系统的三种工作方式进行切换,方式一为正常運行方式,方式二为检修方式,方式三为节能方式,便于操作人员的使用。
4 结束语
本文针对农业灌溉系统,设计了基于Lab Windows/CVI和PLC的供水系统。该系统利用了PLC与变频器,根据压力,利用PID算法,调节供水量,使用Lab Windows/CVI编写用户操作界面,简化了操作过程,使农业供水的自动化程度得到提高。
参考文献
[1] 郑慧珍等.PLC控制的恒压供水系统的设计与应用[J]. 漳州职业技术学报,2018,20(2):44-48.
[2] 吴楠.探究节水措施在农业水利灌溉中的应用价值[J].水利电力,2019,(10):192.
[3] 周卫平.国外灌溉节水技术的进展及启示[J].节水灌溉,1997,(4): 18-26.