基于PLC的智能温室灌溉系统设计_李建峰.pdf

2 0 2 5年 第8期 中国农机装备 智能农业装备 基于 PLC 的智能温室灌溉系统设计 基于 PLC 的智能温室灌溉系统设计 李建峰 珠海城市职业技术学院 珠海 519000 摘要 传统灌溉方式因高耗水 低效率已难以满足现代农业发展的需求 为了通过智能化技术提升灌溉系统的精准性与适 应性 设计了以西门子S7 1200 PLC为核心 融合多源传感器与智能控制算法 集自动监测 决策与执行于一体的温室灌 溉控制系统 系统通过梯形图编程实现自动与手动双模式控制 结合HMI人机界面提供可视化操作与数据追溯功能 确保 灌溉过程精准匹配作物需求 为节水农业提供了技术支撑 具有广泛的应用前景 关键词 温室灌溉 控制系统 PLC 智能监控 设计 随着人均资源紧张和粮食生产对水资源需求量的 扩大 水荒压力逐年加剧 联合国粮农组织指出目前 全球用于农业生产的淡水资源占水资源消费总量的 70 而传统农业灌溉中约 50 的用水会因蒸发 渗漏等形式造成浪费 精确灌溉系统可以根据土壤水 分含量和作物的实际需水情况来实现精准灌溉 是发 展节水农业的关键 中国 十四五 全国农业绿色 发展规划 中提出 发展智能灌溉装备 推进传统 农业向智能化 数字化转变 1 灌溉控制技术发展概述 智慧灌溉是指利用物联网 大数据和人工智能等 新技术 使灌溉从单纯的水源 水路等基础设施建设 走向控制技术 形成灌溉的智能化系统 传统灌溉系 统的发展已经难以适应现今农业发展的需要 新一代 的灌溉技术能够集成多种数据 形成 感知土壤湿度 数据 感知气象数据 感知作物蒸腾数据 等的多层 级立体感知系统 从而随时进行环境参数的探测 借 助机器学习的预测功能来对作物需水的规律进行分 析 并利用天气预报系统对作物进行实时灌溉 以降 低水资源的损耗 精准的灌溉系统会以滴灌 微喷 灌溉结合压力补偿的方式实现均匀施水 可变流量电 磁阀和智能水泵的配合使用使得供水量误差非常低 例如某些灌溉系统采用图像识别技术 可以通过观察 作物冠层温度 叶片的颜色等从而对缺水的数据进行 监测 并作出决策 未来灌溉系统能够进行自主学习 与农业机械和农业植保机械合作构建起完整的智慧农 业系统 对于保障粮食安全以及生态安全起到重要的 作用 1 2 智能温室大棚灌溉控制系统设计 2 1 控制要求 环境调控应保证系统的安全 可靠与精细化 智 能化 自动灌溉系统应能根据实时监测得到的环境条 件和设备运行状态进行不间断地判断决策和智能调 整 并保证灌溉 施肥调整能与作物生长适宜同步 在检测到环境超标或设备运行异常时 系统会自动执 行安全保护程序 并停机和告警 手工可作为辅助控 制手段 提供对所有执行元器件控制的实时干预操作 权限 以防突发事件发生 2 2 控制系统功能分析 正常滴灌控制需采用数据驱动逻辑闭环系统 在 采集多类型传感器信息以及相关装置反馈信息的基础 上 进行参数的自动调节和肥料精准添加 组成 监测 决策 行动 反馈 闭环控制模式 人机界面控制由 控制人员实时在线控制 界面中设有正常模式和手动 模式 在一些突发故障发生时 可采用手动模式进行 干预 切换回自动模式控制后不会导致参数的丢失 2 2 3 系统控制方案 温室灌溉系统将多源数据感知 智能决策与远程 基金项目 珠海城市职业技术学院质量工程项目 项目编号 JY20250201 常用电气设备控制与检修 活页式教材 项目编号 JY20250403 德行匠新 建峰工作室项目 项目编号 XG20240202 2023 年广东省高职教育教学改革研究与实践项目 项目编 号 2023JG398 作者简介 李建峰 1982 女 讲师 研究方向 电气自动化技术 2 0 2 5年 第8期 中国农机装备 智能农业装备 基于 PLC 的智能温室灌溉系统设计 拓展功能融合一体 从而构建出灌溉远程控制平台 以实现信息的采集和远程操控和扩展的功能 系统采 用西门子 S7 1200PLC 和 TP1900Comfort 具备远程 控制和手动两种控制模式 可灵活选择全自动或人工 操作控制 也可根据不同系统自动调整控制执行装置 便于对各自动控制模式的精细管控 用水位 酸碱液 位 湿度 pH 和 EC 传感器对农田环境中的参数进 行采集和监测 通过监测获取农田信息 将采集的信 息导入平台 供自动决策分析和判断农田的水分 盐 碱度等 从而控制电磁阀的开关进行灌溉和水位的调 节 3 3 系统设计与测试 3 1 PLC 控制单元设计 3 1 1 CPU 选型 系统选用西门子 PLC 型号为 S7 1200 系列中的 CPU1214CDC DC DC 作为 PLC 主控装置 该 PLC 的 处理速度高 I O 点数多 通信性能强 适合用来设 计灌溉控制系统 3 1 2 配置 I 0 接口 系统根据需求选择数字输入 DI 数字输出 DO 和模拟量输入 AI 模块 DI 模块用来采集水位开关 酸碱液位开关等开关量信号 DO 模块用来控制进水 泵 出水阀 酸碱 EC 进料泵等执行器 AI 模块用来 采集湿度 pH 值 EC 值等模拟量信号 3 2 HMI 人机组态与界面设计 采 用 SiemensTP1900ComfortSIPLUS 人 机 界 面 触 摸屏 这种触摸屏采用高分辨率 高亮大可视范围显 示 即使户外强光下也能准确显示系统的运行状态 触摸屏结实可靠 适用于农田工作 也可采用不同的 通讯协议以方便与 PLC 通讯 系统硬件方面的 HMI 界面如图 1 所示 HMI 界 面上采用图形界面设计 直观反映系统重要参数 指 示灯和控制按钮 主要包括系统运行主界面上显示实 时参数 指示灯和操作按钮 手动 自动切换面板 设备控制界面 数据历史记录查询等 系统运行主界 面上实时显示水位 湿度 pH EC 等现场实时参数 各执行机构运行状态等 手动 自动切换面板为操作 员现场手动 自动控制模式选择功能 设备控制界面 可对现场进水泵 出水阀等设备进行独立控制 数据 历史记录查询页面中 可对现场历史数据进行查询 以分析系统运行情况 4 3 3 现场 I O 与传感器设计 依据系统需求 选择水位开关 酸碱液位开关 湿度传感器 pH 传感器 EC 传感器等高精度 高可 靠性的传感器 传感器布置时应综合考虑温室环境特 征 防止阳光直射 雨水浸泡等因素对传感器产生不 利影响 如水位开关的安装应选择较易观测且不被水 流冲击之处 湿度传感器的布置应多点设置 可获得 较为准确的土壤水分数据 传感器采集到的原始信号被送到 PLC 进行后处 理分析判断 模拟信号进入 PLC 后先由 PLC 内部进 行归一化 再进行比较 判断 PLC 具有滤波功能 可以滤除干扰信号 使信号更加准确 3 4 执行机构设计 选择满足系统功能需求的进水泵 出水阀 酸碱 EC 进料泵等执行器 执行器需要有高可靠 长寿命 和便于维护保养等特性 适用于温室恶劣的环境 执 图 1 HMI 人机界面