农田自动灌溉控制系统的设计

赵秋雨, 师路欢

(许昌学院 电气与机械工程学院, 河南 许昌 461000)

传统农业灌溉模式不仅效率低,而且浇灌农作物不够充分,进而影响作物的产量.另外,由于近几年工业用水的增加和生态环境恶化,地表的水资源受到严重破坏,可以说在一定程度上阻碍了农业的可持续发展[1].因此在当今提高水资源的利用率是解决农业灌溉用水所面临和急需解决的首要问题.为解决此类问题设计了一套农田自动灌溉控制系统,在农业灌溉上实现自动化不仅可以减少人力物力,还能做到科学有效的种田,增加作物产量,对未来规模化农业的发展具有深远意义.

1 系统的总体框架

根据农业灌溉的要求,以西门子S7-200 PLC为控制核心,上位机和下位机形成一体化的控制结构,根据土壤的湿度传感器数据和液位传感器数据进行实时数据的转换,控制电机和水泵的工作情况实现对农田自动灌溉,自动灌溉控制系统的结构框图如图1所示.

图1 农田自动灌溉控制系统结构框图

2 系统硬件设计

2.1 PLC的选择

灌溉系统的处理器选取西门子S7-200 CN系列的CPU224 控制器,相比于CPU221和CPU222存储容量扩大了一倍,可连接7个扩展模块,最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点,1个RS-485通讯编程口[2],扩展的模块可根据系统要求的延伸性拓展出其他功能,根据不同的使用场合进行改进.

2.2 土壤湿度传感器的选择

传感器是整个系统检测的关键部分,决定着系统的执行功能.土壤湿度传感器选用了具有高性能的TDR-3型土壤水分传感器,其优良的性能包括具有较高的稳定性,安装方便且操作灵活,此外传感器外壳的密封性也良好,可较长时间的埋在土里,不受土壤的腐蚀.其采用晶体振荡器所产生的高频信号,再传输到平行金属探针上,产生的信号与返回的信号叠加,再通过测量信号的振幅来测量土壤水分含量[3].由于水的介电常数远大于物料的介电常数,所以介电常数会随着土壤中水分含量的增加而增加,最后再根据土壤介电常数与土壤水分之间的对应关系可测出土壤的水分含量.

2.3 液位传感器的选择

对于灌溉的蓄水池必须保持足够的水量,应达到水轮车在转动时带出一定的水量,因此对于蓄水池的水位要有一个可以快速获得水位高度信号的液位传感器,把水池的给水信号传给水泵,带动水泵工作,此过程传感器要具有一定的灵敏性.采用北京红云四海科技股份有限公司的JZYB KO Y2防腐投入式液位变送器,该设备采纳了国外先进的隔离型发散硅敏感元件的压阻效应,将静压转换为电信号,再通过温度弥补和线性修正,转化成标准电信号,JYB系列投入式静压液位变送器通常适用于供排水、环保等系统等场合,并且也可用于对不同种类型的液体进行液位的测量.由于其结构的简单灵活性的特点,在使用当中为用户提供了极大的方便,此外Y2型的变送器还具有反相极性保护、抗干扰能力强、抗腐蚀性能力优良、稳定性高的特点,也能够应对各种复杂的环境.

2.4 电机的选择

直流电机在转速n=0时需要有很大的启动转矩,能够带动水轮车的转动,因此,电机采用型号为D110BLD600-24A-30S的直流无刷电机,这是由电动机主体和驱动器所构成的典型的机电一体化产品,驱动器的型号为BLD-4850.直流无刷电动机的换向器是采用技术更高的半导体电子开关器件,相比于传统的接触式换向器和电刷其可靠性更高,机械所产生的噪声更低,并且没有转向火花.电机的性能参数如表1所示.

蓄水池的灌水泵使用QSP喷泉专用泵,并采用QSP系列型号为QSP15-7-0.55的水泵,QSP喷泉专用泵参数如表2所示.

表1 D110BLD600-24A-30S主要参数

表2 QSP15-7-0.55参数

2.5 控制电路设计

整个灌溉系统中有两个电机工作,一个是水轮车上的旋转电机,另外一个是蓄水电机,旋转电机要根据土壤湿度所反映的实时状况变换转速,而在此系统中需要设计出一个双速调速控制电路,即高速和低速.对于水泵的工作状态只需要一个启停控制电路即可,根据蓄水池的高地位变化来控制水泵的启停[4-6].

旋转电机的调速方式采用改变端电压的方法进行调速,这是直流电机调速最为常用的使用方式.再配合励磁调节,使调速范围可以更加广泛.电机的控制电路如图2所示.

图2 电机主电路图及控制电路图

电路由熔断器、刀开关、电阻、电感、电机和继电器组成.图2的左侧是一个串联电阻的二级调速的主电路,右侧是其控制电路.其工作原理如下:首先合上主电路的刀开关SB,之后合上开关SB1,KM线圈得电、主电路以及控制电路的KM常开触点闭合,而控制电路上的KM常开触点闭合后形成自锁,此时电机低速旋转,同时SB1的常闭触点会断开;当合上SB2开关时,KA线圈得电,KA的常开触点闭合实现自锁,电机高速旋转:当再合上SB1时重复以上操作过程,此电路实现高低速的过程主要依靠SB1和SB2两个开关,因此在实物连接中应有联动开关的设置,以此来实现电机的双速调速.

3 软件设计

系统要根据蓄水池的液位高度和土壤湿度的情况进行判断,分别对不同状态下的液位和湿度值进行判断,从而调整水泵和电机的工作状态.系统流程如图3所示.

根据系统的自动灌溉控制设计程序,设备在开机时,田地里的湿度传感器启动工作状态并且根据实时的情况进行赋值,下达工作指令[7,8].由旋转电机的调速原理图来看,主要是对SB1和SB2两个开关的开关状态进行变换,电机控制的梯形图如图4所示.

对于水泵的启停控制电路同样是根据两个开关的变换实现,水泵控制梯形图如图5所示.

图4 电机控制梯形图

图5 水泵控制梯形图

4 组态的设计和运行

组态王6.55包括包含管理器、工程浏览器、组态王运行系统三部分,工程管理器是实现功能的主要工具,可以完成搜索、新建、删除、工程属性、工程备份和恢复等操作.工程浏览器又包括Tab标签条、菜单栏、工具栏、工程目录显示区、目录内容显示区等几个部分,是和Windows界面相似的操作系统,方便于系统的管理.而组态王运行则根据开发后的软件进行仿真并观察各个部分参数的变化[9,10].工程管理器界面如图6所示.

图6 工程管理器界面

在工程浏览器界面上点击文件-画面-新建,建立新的窗口,新画面的画面名称命名为灌溉动画界面,对应文件以pic00001存入工程文件夹内,更改背景色为浅绿色,其他不变.新建动画界面窗口如图7所示.农田自动灌溉控制系统的动画界面如图8所示.

图7 新建动画界面窗口

灌溉模拟动画界面有水库(代替水井或河道)、蓄水箱(蓄水池)、抽水水泵、灌溉水泵(电机)、农田和传感器等几个要素.全过程均为模拟的动画演示,其动画过程为当动画界面打开时,打开系统启动按钮,水泵启动使得蓄水箱的水位增加,根据液位参数的上限和下限值的设定来决定水泵的启动和停止,在这个过程中,参数可以随时地改变,比如下限设定50,上限设定80等等.

对于田地的灌溉,当按下系统启动按钮时,随着湿度值地慢慢增加,灌溉水泵(电机)快速工作,这在动画模拟中通过水管流速来体现.当达到湿度的下限值时,电机低速工作,即此时满足作物生长所需要的湿度环境,并且水管流速明显减慢,并且湿度值会在所设定的湿度上下限之间来回波动,使土壤的湿度一直维持在一个利于植物生长的湿度环境下.当土壤的湿度值低于设定的湿度下限时(即不在适于作物生长的条件下),则灌溉水泵(电机)再次快速工作,水管流速快速流动,此演示的过程手动设置数据的参数,此外土壤的湿度在参数里也可以根据不同的场地随便设置.在整个过程中,灌溉水泵(电机)全程工作,但按下系统停止时,整个系停止工作.再按下退出按钮时,退出灌溉动画界面.

5 结语

此系统将传统应用于农业灌溉上的水轮车与现代技术相结合,为水轮车的工作情况添加了控制因素.大型的机械进入田地和种植园,农药有先进的喷雾器、灌溉有根据作物的生长状况设计的比较合理的灌溉装置.在农业灌溉上实现自动化不仅可以减少人力物力,还能做到科学有效的种田,增加作物产量,对未来规模化农业的发展具有深远意义.总之未来的农业时代一定是现代化技术应用发展的时代,人们将省去更多的劳动力,农田灌溉技术的发展也将随着时代的进步而有非常广阔地发展前景.