智能化蔬菜大棚节水灌溉控制系统设计.pdf

29 第2期 王鹏宇 等 智能化蔬菜大棚节水灌溉控制系统设计 智能化蔬菜大棚节水灌溉控制系统设计 王鹏宇 1 徐 庆 1 2 宋继田 1 2 王 霞 3 杨 扬 4 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 摘 要 根据国内外蔬菜大棚在灌溉自动化技术方面运用的现状和存在的不足 研究并设计以PLC为控制核心的 节水灌溉系统 通过使用GPRS作为通信 实现无线控制 根据蔬菜大棚反馈的实时数据与设定值比较进行合理 调控 在设备的选型与运用上以可靠 经济为前提 提出当系统受到干扰可采取的措施 试验结果表明 控制系 统运行稳定 操作简单 可以提高灌溉节水率 具有广阔的前景 关键词 蔬菜大棚 PLC 节水灌溉 组态王 中图分类号 S274 文献标识码 A 文章编号 1673 2154 2022 04 0029 04 收稿日期 2022 04 20 基金项目 天津市农业科技成果转化与推广项目 201701230 作者简介 王鹏宇 1999 男 硕士研究生 主要从事节能技术与装备研究 E mail wffzwpy 通讯作者 徐庆 1983 男 工学博士 副教授 主要从事过程装备技术研究 E mail xuqing 现代农业装备第43卷 第4期 2022年8月 Vol 43 No 4 Aug 2022Modern Agricultural Equipment 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 30 现代农业装备 2022年 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 PLC 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 选用三相异步电动机 Y160M 4 图 2 EM231 模拟量扩展模块接线 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 nullm 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 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 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 31 第2期 王鹏宇 等 智能化蔬菜大棚节水灌溉控制系统设计 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 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 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 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 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 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 hm 2 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 参考文献 1 KHAMIDOV M KHAMRAEV K Water saving irrigation technologies for cotton in the conditions of global climate change and lack of water resources J IOP Conference Series Materials Science and 32 现代农业装备 2022年 Engineering 2020 883 012077 2 赵裕明 田云 史洁 等 国内外节水灌溉技术 的发展及趋势 J 黑龙江科技信息 2014 30 244 295 3 EKER I KARA T Operation and control of a water supply system J ISA Transactions 2003 42 3 461 473 4 沈林晨 刘霓红 孔政 丘陵地区光伏智能施肥灌 溉系统设计 J 现代农业装备 2017 4 44 50 5 韩贵黎 蔡宗慧 基于 PLC 和物联网感应的智能 灌溉节水系统设计 J 农机化研究 2017 39 12 215 218 263 6 纪建伟 哈峥 李征明 等 基于 PLC 的水稻灌 溉自动控制系统研究 J 节水灌溉 2011 3 57 59 7 VENTER C Water efficient irrigation systems for a water scarce region J Farm Biz 2019 5 3 434 441 8 廖常初 S7 200PLC 基础教程 M 北京 机械工 业出版社 2009 9 杨林林 王成志 张海文 节水灌溉自动化远程控 制系统的研究与应用 J 信息系统工程 2016 6 20 10 HAN C ZHANG B LIU Y Efficient water saving irrigation based on regional irrigation schedule optimisation J Desalination and water treatment 2020 187 30 41 11 陈朝旭 何超明 林绿凤 温室灌溉控制系统的研 制及应用 J 现代农业装备 2006 6 42 44 12 殷佳琳 谭孝辉 罗华富 PLC控制系统干扰及 抗干扰措施研究 J 控制工程 2013 20 4 766 768 772 Design of Intelligent Farmland Water saving Irrigation Control System Wang Pengyu 1 Xu Qing 1 2 Song Jitian 1 2 Wang Xia 3 Yang Yang 4 1 Tianjin Key Laboratory of Integrated Design and On line Monitoring for Light Industry 2 International Joint Research Center of Low Carbon Green Process Equipment Tianjin 300222 China 3 Department of electrical information Shandong University of Science 4 Tianjin yingtaogu Agricultural Technology Development Co Ltd Tianjin 301900 Chnia Abstract Improve the irrigation rate of vegetable greenhouse in China and solve the problem of hindering agricultural development at the present stage Nowadays vegetable greenhouses emphasize precision irrigation which can be realized by adding automatic control technology The combination of computer technology and automatic control technology has become the trend of agricultural development Monitor and control the irrigation efficiency and effect of the greenhouse in real time and select the irrigation mode conducive to the growth of crops According to the current situation and shortcomings of the application of irrigation automation technology in vegetable greenhouses at home and abroad a water saving irrigation system with PLC as the control core is studied and designed The wireless control is realized by using GPRS as communication and the reasonable regulation is carried out according to the ratio between the real time data fed back by vegetable greenhouses and the set value In the selection and application of equipment the reliability and economy are balanced and the measures that can be taken when the system is disturbed are put forward The results show that the control system has stable operation and simple operation It can improve the irrigation water saving rate and has broad prospects Key words vegetable greenhouse PLC water saving irrigation Kingview6 55