29 第2期 王鵬宇 等 智能化蔬菜大棚節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計 智能化蔬菜大棚節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計 王鵬宇 1 徐 慶 1 2 宋繼田 1 2 王 霞 3 楊 揚 4 1 天津市輕工與食品工程機(jī)械裝備集成設(shè)計與在線監(jiān)控重點實驗室 天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 天津 300222 2 天津市低碳綠色過程裝備國際聯(lián)合研究中心 天津 300222 3 山東科技大學(xué)電氣信息系 山東 濟(jì)南 250031 4 天津櫻桃谷農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司 天津 301900 摘 要 根據(jù)國內(nèi)外蔬菜大棚在灌溉自動化技術(shù)方面運用的現(xiàn)狀和存在的不足 研究并設(shè)計以PLC為控制核心的 節(jié)水灌溉系統(tǒng) 通過使用GPRS作為通信 實現(xiàn)無線控制 根據(jù)蔬菜大棚反饋的實時數(shù)據(jù)與設(shè)定值比較進(jìn)行合理 調(diào)控 在設(shè)備的選型與運用上以可靠 經(jīng)濟(jì)為前提 提出當(dāng)系統(tǒng)受到干擾可采取的措施 試驗結(jié)果表明 控制系 統(tǒng)運行穩(wěn)定 操作簡單 可以提高灌溉節(jié)水率 具有廣闊的前景 關(guān)鍵詞 蔬菜大棚 PLC 節(jié)水灌溉 組態(tài)王 中圖分類號 S274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1673 2154 2022 04 0029 04 收稿日期 2022 04 20 基金項目 天津市農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化與推廣項目 201701230 作者簡介 王鵬宇 1999 男 碩士研究生 主要從事節(jié)能技術(shù)與裝備研究 E mail wffzwpy 通訊作者 徐慶 1983 男 工學(xué)博士 副教授 主要從事過程裝備技術(shù)研究 E mail xuqing 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備第43卷 第4期 2022年8月 Vol 43 No 4 Aug 2022Modern Agricultural Equipment 0 引言 作為農(nóng)業(yè)大國 水資源的不合理使用與浪費阻 礙著我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展 我國大部分地區(qū)仍采用漫灌 等方式 致使水資源利用率不及 40 智能灌溉控 制系統(tǒng) 1 可實現(xiàn)農(nóng)田實時監(jiān)測 遠(yuǎn)程控制 既節(jié)省 人工勞動等資源 又可提高農(nóng)業(yè)用水率 確保糧食 豐產(chǎn)豐收 國外農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)在相應(yīng)配套設(shè)施 技術(shù)研 究方面 將計算機(jī)控制技術(shù) 電氣控制技術(shù)合理 地使用于灌溉中以提高灌溉節(jié)水率 2 以色列著名 AMIAD 公司的水力驅(qū)動灌溉施肥系統(tǒng) 無需消耗電 能 并相應(yīng)研發(fā)了調(diào)壓閥 電磁控制閥等配套裝置 大大提高了灌溉自動化程度 實現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動化控制 部分國外的灌溉控制系統(tǒng)成本高 操作復(fù)雜 種植戶難以掌握 又無法根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂虻淖兓?出恰當(dāng)調(diào)節(jié) 為了有效解決蔬菜大棚灌溉領(lǐng)域存 在的問題 推廣節(jié)水農(nóng)業(yè) 適宜推廣一種可靠 靈活 簡易的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng) 本文設(shè)計的節(jié) 水灌溉控制系統(tǒng) 可實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制 3 方便種植戶 實時監(jiān)測和控制大棚的灌溉效率及灌溉效果 并 選用利于農(nóng)作物生長的灌溉方式 根據(jù)需要在合 理范圍內(nèi)調(diào)節(jié) 實現(xiàn)節(jié)水目的 1 系統(tǒng)控制原理及設(shè)計方案 本文設(shè)計基于PLC的蔬菜大棚節(jié)水灌溉系統(tǒng) 該控制系統(tǒng)包含 4 個模塊 檢測模塊主要包括 4 類傳 感器以及報警信號 控制模塊包括 PLC 和模擬量輸入 模塊 通信模塊使用 GPRS 作為通訊手段 4 執(zhí)行模 塊包括灌溉所需的水泵機(jī)組和控制設(shè)備的開關(guān)等 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示 圖 1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 4 類傳感器將收集到的壓力 濕度等模擬量經(jīng) EM231 進(jìn)行相應(yīng)換算 即農(nóng)田的實時數(shù)據(jù)與所設(shè)定 30 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備 2022年 的規(guī)定值范圍進(jìn)行比較 低于或者超出范圍都會使 設(shè)備有所動作 相關(guān)數(shù)據(jù)通過上位機(jī)顯示 5 呈現(xiàn)當(dāng) 前灌溉情況 以 PLC 為主體 通過控制面板 6 對 灌溉系統(tǒng)執(zhí)行遠(yuǎn)程啟動 暫停和復(fù)位 控制系統(tǒng) 的運行狀態(tài) 根據(jù)農(nóng)田灌溉的實際情況 加裝適 合頻繁操作和遠(yuǎn)距離控制的接觸器 在 PLC 的交 流供電處加裝熔斷器 電流超過額定值時 可及 時斷開電路以防出現(xiàn)過電流對 PLC 造成損壞 通 過使用 GPRS 作為通信手段 可實現(xiàn) PLC 的無線 控制 自帶的輸入輸出可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集 和控制 7 使用 Kingview6 55 對農(nóng)田實時數(shù)據(jù)進(jìn) 行監(jiān)測 供管理人員調(diào)控 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計 2 1 硬件選型及設(shè)計 本文設(shè)計的控制系統(tǒng)結(jié)合蔬菜大棚灌溉的實際 需要和系統(tǒng)的硬件要求 選擇合適的存儲量與擴(kuò)展 方式 系統(tǒng)中有模擬量信號或者數(shù)據(jù)處理時 存儲 容量應(yīng)盡可能大 其主要硬件選型如下 PLC 選 擇西門子的 S7 200 8 CPU 型號為 224 擴(kuò)展模塊 7 個 實用性強(qiáng) 方便以后的改進(jìn) 與之配合使用的模 擬量模塊 EM231 如圖 2 所示 其 A D 轉(zhuǎn)換速度快 輸 入點數(shù)為 4 點 通道 輸入電流極限 30 mA 數(shù)據(jù)字 范圍為 0 32 000 選用三相異步電動機(jī) Y160M 4 圖 2 EM231 模擬量擴(kuò)展模塊接線 作為水泵驅(qū)動電機(jī) 其額定功率為11 kW 額定 轉(zhuǎn)速為1 460 r min 額定電流為22 6 A 功率因 數(shù)為0 84 堵轉(zhuǎn)電流為7 A 堵轉(zhuǎn) 最大轉(zhuǎn)矩分 別為2 2 2 3 N nullm 所選用的水泵機(jī)組 運行可靠 出現(xiàn)故障概率低 方便維修 價格經(jīng)濟(jì)實惠 占地 小 省空間 傳感器與變送器選型為一體型 方 便傳輸 減少故障率 模擬量信號以電流型信號 的形式傳輸?shù)?EM231 模擬量信號轉(zhuǎn)成數(shù)字量信 號送給PLC 輸出進(jìn)行點控制 根據(jù)農(nóng)業(yè)灌溉的實 際需要選用普通型即可 精度等級選擇1 5 2 2 PLC的I O端口分配 根據(jù)對蔬菜大棚灌溉的實際要求 結(jié)合硬件的 選擇與設(shè)計 對 PLC 的輸入輸出口進(jìn)行合理分配 輸入端口為 復(fù)位 I0 0 啟動 I0 1 停止 I0 2 加壓泵 故障輸入 I0 3 加濕泵故障輸入 I0 5 灌溉源液位傳感 器 AIW0 現(xiàn)場環(huán)境濕度輸入 AIW2 輸出端口為 加 壓泵啟動 Q0 0 加濕泵啟動 Q0 2 由于所選 PLC 可加 多個擴(kuò)展模塊 可根據(jù)實際種植需要進(jìn)行增減 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 3 1 編程環(huán)境及軟件設(shè)計思路 通過 STEP7 Micro WIN 創(chuàng)建 修改用戶程序 設(shè)置參數(shù) 改變 PLC 運行方式 基本編程環(huán)境如圖 3 所示 STEP7 Micro WIN 的主界面包括了菜單條 工具條 指令樹 輸出窗口 程序編輯器等內(nèi)容 使用該軟件時 首先進(jìn)行插入和刪除輸入的編程元 件 使用符號表中的符號代替直接地址編號并設(shè)置 局部變量 如果為所寫程序進(jìn)行注釋 雙擊 Network 的 n 區(qū)域來編輯 需要注意的是 PLC 處于暫停模式 時才能下載程序 將 PLC 存儲器中的原程序清除后 再開始運行新的程序 圖 3 STEP7 Micro WIN 編程環(huán)境 31 第2期 王鵬宇 等 智能化蔬菜大棚節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計 組態(tài)軟件選擇 Kingview6 55 選用巨控的 GRM200G 通過OPC支持該組態(tài) 其系統(tǒng)采用中文界面 人機(jī)界面可視化優(yōu)勢明顯 編程容易 且修改數(shù) 據(jù)簡單快捷 可以實時監(jiān)測農(nóng)田灌溉實時的變化 人機(jī)交互能力相比于其他組態(tài)強(qiáng) 通過組態(tài)王可 以實時監(jiān)測農(nóng)田狀態(tài) 顯示經(jīng) EM231 轉(zhuǎn)換的液 位 濕度等模擬量 判斷是否在設(shè)定的范圍之內(nèi) 通過使用 GPRS 模塊 管理人員可通過發(fā)送手機(jī) 短信 9 或在 PC 機(jī)上控制設(shè)備的啟停 監(jiān)控系統(tǒng) 的設(shè)計結(jié)合了計算機(jī)與 PLC 利用計算機(jī)的高精 度和 PLC 的可靠性 抵御干擾能力強(qiáng) 操作簡 單等優(yōu)點 對灌溉系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控 通過在參 數(shù)設(shè)置區(qū)設(shè)定合理的范圍 10 傳感器讀取農(nóng)田現(xiàn) 場的模擬量 并通過模擬量模塊 EM231 與設(shè)定 的數(shù)值進(jìn)行比較 輸出數(shù)字量 0 1 接觸器控制 設(shè)備的啟停 從而實現(xiàn)節(jié)水的功能 當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn) 故障時 主界面會顯示報警提示 及時發(fā)現(xiàn)并維 修 11 3 2 系統(tǒng)防擾動措施 在控制系統(tǒng)實際運行的過程中 必然會受到干 擾 影響其正常的運行狀態(tài) 相應(yīng)配套的水泵機(jī)組 的加入會給灌溉控制系統(tǒng)造成一定程度的干擾 12 所以需要采取必要措施來保證系統(tǒng)的可靠運行 增 強(qiáng)設(shè)備可靠性 合理配置電源 選擇隔離性能較 好的電源 可以加裝帶有屏蔽層的隔離變壓器或者 在輸入電源處加濾波電路 可有效抑制存在的干擾 安裝 PLC 時采用專用的接地線且接地線要粗 接 地電阻要小 盡量避開接地點在強(qiáng)電接地設(shè)備附近 布置的線路分開布線 布線時區(qū)分開模擬量線路 與開關(guān)量線路 模擬量線路加屏蔽層并接地 當(dāng)外 部布線時也應(yīng)分開布線 且相互之間留有間距 這 樣布線可以有效降低電磁及線路之間的干擾 需 遠(yuǎn)離熱輻射設(shè)備并位于通風(fēng)良好的地方 考慮防水 問題 防止設(shè)備損壞 經(jīng)信號線造成的干擾 信 號進(jìn)出系統(tǒng)的同時 干擾信號也同樣進(jìn)出控制系統(tǒng) 因此造成干擾 各類電信號的干擾都會影響測量靈 敏度 使其降低 引起 I O 信號工作出現(xiàn)故障 使控 制系統(tǒng)可靠性降低 因此應(yīng)選擇隔離性能好的電纜 否則會導(dǎo)致信號互相干擾造成擾亂 甚至出現(xiàn)系統(tǒng) 擾動造成停機(jī)狀態(tài) 4 灌溉方式比較試驗 本試驗將傳統(tǒng)與智能化灌溉方式進(jìn)行比較 設(shè) 置10至100多組灌溉試驗面積 綜合了當(dāng)?shù)氐耐?壤 氣候等自然因素 結(jié)果表明 與傳統(tǒng)灌溉方式相 比 本文設(shè)計的智能化控制系統(tǒng)隨著灌溉面積的逐 漸增大優(yōu)勢愈加明顯 呈現(xiàn)上升趨勢 如圖 4 所 示 灌溉試驗面積從 40 畝 1 畝 0 067 hm 2 左 右即出現(xiàn)明顯的兩極分化 隨著灌溉面積的增加 灌溉水利用率區(qū)分越明顯 傳統(tǒng)式仍以漫灌為主 面積增大利用率明顯降低 通過現(xiàn)場實地驗證 智能化節(jié)水灌溉的方式不僅可以緩解農(nóng)田用水短 缺的現(xiàn)狀 實現(xiàn)灌溉用水的高效利用 還可以節(jié)省 人力物力 遠(yuǎn)程設(shè)置方便種植戶操作 圖 4 2 種灌溉方式的比較 5 結(jié)語 本文設(shè)計的基于 PLC 節(jié)水灌溉控制系統(tǒng) 種 植戶可根據(jù)農(nóng)田現(xiàn)場情況進(jìn)行簡單操作 減輕了 勞動強(qiáng)度 提高了用水效率 控制系統(tǒng)的引入可 改善目前存在的水資源浪費局面 根據(jù)實時數(shù)據(jù) 進(jìn)行調(diào)整 控制相關(guān)的設(shè)備動作 若有損壞故障 情況會報警 提醒有關(guān)人員前去維修 同時設(shè)備 造價較低 采取了系統(tǒng)抗干擾措施 兼顧了可靠 性與經(jīng)濟(jì)性 維護(hù)方便 應(yīng)用前景廣闊 在灌溉 技術(shù)發(fā)展進(jìn)步的同時 種植戶對該控制系統(tǒng)的操 作熟練程度上要進(jìn)一步提高 相互配合實現(xiàn)效果 最好的蔬菜大棚灌溉 參考文獻(xiàn) 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 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備 2022年 Engineering 2020 883 012077 2 趙裕明 田云 史潔 等 國內(nèi)外節(jié)水灌溉技術(shù) 的發(fā)展及趨勢 J 黑龍江科技信息 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 劉霓紅 孔政 丘陵地區(qū)光伏智能施肥灌 溉系統(tǒng)設(shè)計 J 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備 2017 4 44 50 5 韓貴黎 蔡宗慧 基于 PLC 和物聯(lián)網(wǎng)感應(yīng)的智能 灌溉節(jié)水系統(tǒng)設(shè)計 J 農(nóng)機(jī)化研究 2017 39 12 215 218 263 6 紀(jì)建偉 哈崢 李征明 等 基于 PLC 的水稻灌 溉自動控制系統(tǒng)研究 J 節(jié)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 基礎(chǔ)教程 M 北京 機(jī)械工 業(yè)出版社 2009 9 楊林林 王成志 張海文 節(jié)水灌溉自動化遠(yuǎn)程控 制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用 J 信息系統(tǒng)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 陳朝旭 何超明 林綠鳳 溫室灌溉控制系統(tǒng)的研 制及應(yīng)用 J 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備 2006 6 42 44 12 殷佳琳 譚孝輝 羅華富 PLC控制系統(tǒng)干擾及 抗干擾措施研究 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