智能化蔬菜大棚节水灌溉控制系统设计

王鹏宇，徐 庆,2，宋继田,2，王 霞，杨 扬

（1.天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室，天津科技大学机械工程学院，天津 300222；2.天津市低碳绿色过程装备国际联合研究中心，天津 300222；3.山东科技大学电气信息系，山东 济南 250031；4.天津樱桃谷农业科技发展有限公司，天津 301900）

0 引言

作为农业大国，水资源的不合理使用与浪费阻碍着我国农业的发展。我国大部分地区仍采用漫灌等方式，致使水资源利用率不及40%。智能灌溉控制系统[1]可实现农田实时监测、远程控制，既节省人工劳动等资源，又可提高农业用水率，确保粮食丰产丰收。

国外农业节水技术在相应配套设施、技术研究方面，将计算机控制技术、电气控制技术合理地使用于灌溉中以提高灌溉节水率[2]。以色列著名AMIAD 公司的水力驱动灌溉施肥系统，无需消耗电能，并相应研发了调压阀、电磁控制阀等配套装置，大大提高了灌溉自动化程度，实现农业自动化控制。

部分国外的灌溉控制系统成本高、操作复杂，种植户难以掌握，又无法根据当地气候的变化做出恰当调节。为了有效解决蔬菜大棚灌溉领域存在的问题，推广节水农业，适宜推广一种可靠、灵活、简易的节水灌溉控制系统。本文设计的节水灌溉控制系统，可实现远程控制[3]，方便种植户实时监测和控制大棚的灌溉效率及灌溉效果，并选用利于农作物生长的灌溉方式，根据需要在合理范围内调节，实现节水目的。

1 系统控制原理及设计方案

本文设计基于PLC 的蔬菜大棚节水灌溉系统。该控制系统包含4 个模块：检测模块主要包括4 类传感器以及报警信号；控制模块包括PLC 和模拟量输入模块；通信模块使用GPRS 作为通讯手段[4]；执行模块包括灌溉所需的水泵机组和控制设备的开关等。控制系统结构框图如图1 所示。

图1 控制系统结构框图

4 类传感器将收集到的压力、湿度等模拟量经EM231 进行相应换算，即农田的实时数据与所设定的规定值范围进行比较，低于或者超出范围都会使设备有所动作。相关数据通过上位机显示[5]呈现当前灌溉情况。以PLC 为主体，通过控制面板[6]对灌溉系统执行远程启动、暂停和复位，控制系统的运行状态。根据农田灌溉的实际情况，加装适合频繁操作和远距离控制的接触器。在PLC 的交流供电处加装熔断器，电流超过额定值时，可及时断开电路以防出现过电流对PLC 造成损坏。通过使用GPRS 作为通信手段，可实现PLC 的无线控制，自带的输入输出可以实现远程数据的采集和控制[7]。使用Kingview6.55 对农田实时数据进行监测，供管理人员调控。

2 系统硬件设计

2.1 硬件选型及设计

本文设计的控制系统结合蔬菜大棚灌溉的实际需要和系统的硬件要求，选择合适的存储量与扩展方式。系统中有模拟量信号或者数据处理时，存储容量应尽可能大。其主要硬件选型如下：①PLC 选择西门子的S7-200[8]，CPU 型号为224，扩展模块7个，实用性强，方便以后的改进；与之配合使用的模拟量模块EM231 如图2 所示，其A/D 转换速度快，输入点数为4 点（通道），输入电流极限30 mA，数据字范围为0～32 000。②选用三相异步电动机Y160M-4作为水泵驱动电机，其额定功率为11 kW，额定转速为1 460 r/min，额定电流为22.6 A，功率因数为0.84，堵转电流为7 A，堵转、最大转矩分别为2.2、2.3 N·m。所选用的水泵机组，运行可靠，出现故障概率低，方便维修，价格经济实惠，占地小、省空间。③传感器与变送器选型为一体型，方便传输，减少故障率。模拟量信号以电流型信号的形式传输到 EM231，模拟量信号转成数字量信号送给PLC，输出进行点控制，根据农业灌溉的实际需要选用普通型即可，精度等级选择1.5。

图2 EM231 模拟量扩展模块接线

2.2 PLC的I/O端口分配

根据对蔬菜大棚灌溉的实际要求，结合硬件的选择与设计，对 PLC 的输入输出口进行合理分配。输入端口为：复位I0.0，启动I0.1，停止I0.2，加压泵故障输入I0.3，加湿泵故障输入I0.5，灌溉源液位传感器AIW0，现场环境湿度输入AIW2。输出端口为：加压泵启动Q0.0，加湿泵启动Q0.2。由于所选PLC 可加多个扩展模块，可根据实际种植需要进行增减。

3 系统软件设计

3.1 编程环境及软件设计思路

通过STEP7-Micro/WIN 创建、修改用户程序，设置参数，改变PLC 运行方式。基本编程环境如图3 所示。STEP7-Micro/WIN 的主界面包括了菜单条、工具条、指令树、输出窗口、程序编辑器等内容。使用该软件时，首先进行插入和删除输入的编程元件。使用符号表中的符号代替直接地址编号并设置局部变量。如果为所写程序进行注释，双击Network的n 区域来编辑。需要注意的是PLC 处于暂停模式时才能下载程序，将PLC 存储器中的原程序清除后再开始运行新的程序。

图3 STEP7-Micro/WIN 编程环境

组态软件选择Kingview6.55，选用巨控的GRM200G，通过OPC 支持该组态。其系统采用中文界面，人机界面可视化优势明显。编程容易，且修改数据简单快捷，可以实时监测农田灌溉实时的变化，人机交互能力相比于其他组态强。通过组态王可以实时监测农田状态，显示经EM231 转换的液位、湿度等模拟量，判断是否在设定的范围之内。通过使用GPRS 模块，管理人员可通过发送手机短信[9]或在PC 机上控制设备的启停。监控系统的设计结合了计算机与PLC，利用计算机的高精度和PLC 的可靠性、抵御干扰能力强、操作简单等优点，对灌溉系统进行实时监控。通过在参数设置区设定合理的范围[10]，传感器读取农田现场的模拟量，并通过模拟量模块EM231 与设定的数值进行比较，输出数字量0/1，接触器控制设备的启停，从而实现节水的功能。当系统出现故障时，主界面会显示报警提示，及时发现并维修[11]。

3.2 系统防扰动措施

在控制系统实际运行的过程中，必然会受到干扰，影响其正常的运行状态。相应配套的水泵机组的加入会给灌溉控制系统造成一定程度的干扰[12]，所以需要采取必要措施来保证系统的可靠运行，增强设备可靠性：①合理配置电源，选择隔离性能较好的电源。可以加装带有屏蔽层的隔离变压器或者在输入电源处加滤波电路，可有效抑制存在的干扰。②安装PLC 时采用专用的接地线且接地线要粗、接地电阻要小，尽量避开接地点在强电接地设备附近。③布置的线路分开布线，布线时区分开模拟量线路与开关量线路，模拟量线路加屏蔽层并接地。当外部布线时也应分开布线，且相互之间留有间距，这样布线可以有效降低电磁及线路之间的干扰。④需远离热辐射设备并位于通风良好的地方，考虑防水问题，防止设备损坏。⑤经信号线造成的干扰。信号进出系统的同时，干扰信号也同样进出控制系统，因此造成干扰。各类电信号的干扰都会影响测量灵敏度，使其降低，引起I/O 信号工作出现故障，使控制系统可靠性降低。因此应选择隔离性能好的电缆，否则会导致信号互相干扰造成扰乱，甚至出现系统扰动造成停机状态。

4 灌溉方式比较试验

本试验将传统与智能化灌溉方式进行比较，设置10 至100 多组灌溉试验面积，综合了当地的土壤、气候等自然因素，结果表明：与传统灌溉方式相比，本文设计的智能化控制系统随着灌溉面积的逐渐增大优势愈加明显，呈现上升趋势，如图4 所示，灌溉试验面积从40 亩（1 亩=0.067 hm2）左右即出现明显的两极分化，随着灌溉面积的增加，灌溉水利用率区分越明显。传统式仍以漫灌为主，面积增大利用率明显降低。通过现场实地验证，智能化节水灌溉的方式不仅可以缓解农田用水短缺的现状，实现灌溉用水的高效利用，还可以节省人力物力，远程设置方便种植户操作。

图4 2 种灌溉方式的比较

5 结语

本文设计的基于PLC 节水灌溉控制系统，种植户可根据农田现场情况进行简单操作，减轻了劳动强度，提高了用水效率。控制系统的引入可改善目前存在的水资源浪费局面，根据实时数据进行调整，控制相关的设备动作。若有损坏故障情况会报警，提醒有关人员前去维修。同时设备造价较低，采取了系统抗干扰措施，兼顾了可靠性与经济性，维护方便，应用前景广阔。在灌溉技术发展进步的同时，种植户对该控制系统的操作熟练程度上要进一步提高，相互配合实现效果最好的蔬菜大棚灌溉。