李建軍

(塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843300)

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基于PLC的棉花灌溉控制系統(tǒng)的研究

李建軍

(塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843300)

通過(guò)對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀的介紹，本文利用可編程控制器、變頻裝置以及模擬模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)棉花等農(nóng)作物噴灌檢測(cè)控制。論文通過(guò)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件編程研究了基于PID算法的溫、濕度檢測(cè)；并對(duì)上位機(jī)和可編程控制器通信后對(duì)現(xiàn)場(chǎng)棉花灌溉的自動(dòng)控制進(jìn)行了研究。

PID； 控制系統(tǒng)； 節(jié)水

我國(guó)是水資源缺水大國(guó)，農(nóng)業(yè)灌溉智能化、自動(dòng)化程度不高，目前主要應(yīng)用于國(guó)家、省市的實(shí)驗(yàn)田和農(nóng)業(yè)技術(shù)研究中心中，例如國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心研制了“遠(yuǎn)程手機(jī)無(wú)線(xiàn)灌溉控制系統(tǒng)”[1]，但距離大面積推廣還有一段距離，因此對(duì)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的研究具有必要性。

南疆地處沙漠地帶，干旱少雨，水資源缺乏。棉花等農(nóng)作物缺水嚴(yán)重，設(shè)計(jì)一套適合南疆地區(qū)的棉花節(jié)水控制系統(tǒng)對(duì)節(jié)約水資源具有重要的意義。節(jié)水控制系統(tǒng)早期是繼電器控制，繼電器控制特點(diǎn)是控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、便于操作，但智能性低；單片機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用也較多，控制精度高，但穩(wěn)定性差[2-3]。由于南疆地處偏遠(yuǎn)，工業(yè)化程度低，當(dāng)自控控制設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，由于維修不及時(shí)，可能會(huì)對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成重大損失，因此控制設(shè)備的可靠性是需要重點(diǎn)考慮的。另外，不同灌溉方式和不同的控制方法對(duì)覆膜棉田以及其他農(nóng)作物的土壤溫度的影響也不同[6-7]，本文研究的控制系統(tǒng)是以PLC為核心，由于PLC的特點(diǎn)是可靠性高、故障率低、編程簡(jiǎn)單以及維護(hù)方便，因此成為本論文研究的控制系統(tǒng)的核心器件，控制系統(tǒng)通過(guò)PLC和變頻器相結(jié)合，根據(jù)檢測(cè)的棉花溫、濕度信號(hào)從而控制水泵的轉(zhuǎn)速達(dá)到控制水量的作用，來(lái)節(jié)約用水量。

1 系統(tǒng)概述

1.1 控制系統(tǒng)構(gòu)成

論文研究的控制系統(tǒng)主要由可編程控制器(PLC)、變頻器、模擬擴(kuò)展模塊以及檢測(cè)系統(tǒng)、電機(jī)等幾部分組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示.

1.2 控制過(guò)程

首先，對(duì)棉花灌溉地的溫濕度參數(shù)測(cè)量，參數(shù)測(cè)量是由檢測(cè)系統(tǒng)完成，然后把現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的數(shù)據(jù)傳送到模擬模塊中，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換把現(xiàn)場(chǎng)的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，經(jīng)PLC智能運(yùn)算后把運(yùn)算結(jié)果送到變頻裝置，進(jìn)而啟動(dòng)和停止電機(jī)控制噴灌。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

2 硬件選擇

2.1 主機(jī)

本系統(tǒng)選S7——200 CPU 224XP型主機(jī)，通過(guò)關(guān)閉編輯程序的可選功能來(lái)獲取更多的程序存儲(chǔ)區(qū)。CPU 224XP支持集成的模擬量I/O和兩個(gè)通訊端口，存儲(chǔ)卡具有轉(zhuǎn)換、比較以及編程選擇。主機(jī)主要輸入和輸出口如表1所示。

表1 PLC模塊端口分配

2.2 變頻器裝置

變頻器選擇西門(mén)子MM420，標(biāo)準(zhǔn)的模擬設(shè)定值的端口為AIN+/ AIN -，電壓值為0-10V，相當(dāng)于頻率設(shè)定值的 0-50 Hz。電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)數(shù)字端子DIN 1為高電平，反之，電動(dòng)機(jī)停車(chē)端子 DIN 1是低電平。另外，可手動(dòng)用BOP/AOP 上的OFF按鈕控制停機(jī)，按下OFF 按鈕(持續(xù)2 秒鐘)；或按兩次OFF(停車(chē))按鈕即可停機(jī)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)輸出端子DIN2設(shè)定值為高電平。

變頻器MM420的所有控制方式選擇基于V/f 控制特性[4]。不同的控制關(guān)系適用于各種不同的應(yīng)用對(duì)象，其中線(xiàn)性 V/f 控制，可用于可變轉(zhuǎn)矩和恒定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載如帶式運(yùn)輸機(jī)和正排量泵類(lèi)控制；帶磁通電流控制(FCC)V/f 控制，可用于提高電動(dòng)機(jī)的效率和改善其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，變轉(zhuǎn)矩負(fù)載如風(fēng)機(jī)和水泵，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)使用后一種控制方式。

系統(tǒng)中變頻器外部接線(xiàn)圖1所示和參數(shù)選擇如圖2和表2所示。

圖2 變頻器外部接線(xiàn)圖

2.3 模擬量擴(kuò)展模塊

S7--200 CPU 224XP型主機(jī)本身模擬量功能，為了完成系統(tǒng)的模擬量控制必須外加模擬量模塊EM235。EM235有4路模擬量輸入和1路模擬量輸出功能。本系統(tǒng)選擇輸入雙極性電壓EM235模塊和土壤溫度傳感器 PTWD-3A配合， 結(jié)合DL2 電流變送器輸出4～20 mA信號(hào)，以及0～2. 5 V雨量傳感器信號(hào)送給可編程程序控制器有PID功能指令模擬模塊EM235。為了讓棉花能夠在適宜的濕度環(huán)境下生長(zhǎng)，并能適時(shí)判斷土壤的溫濕度，所以選擇較高精度的土壤溫濕度傳感器尤其重要，本設(shè)計(jì)選擇PTWD-3A型土壤溫度傳感器，此傳感器是不銹鋼材質(zhì)有防腐功能，傳感器的感應(yīng)部分是Pt-100鉑電阻元件組成測(cè)量精度高，能夠很好的檢測(cè)棉花生長(zhǎng)的土壤溫濕度。

表2 變頻器參數(shù)設(shè)定

3 下位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)智能算法多樣[5]，本設(shè)計(jì)用PID算法，PID算法精度高，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。程序設(shè)計(jì)包括主程序和子程序，主程序開(kāi)始后進(jìn)行PLC掃描，讀取檢測(cè)到的溫度等數(shù)據(jù)，然后調(diào)用定時(shí)子程序，比較檢測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)定值，子程序結(jié)束后返回主程序繼續(xù)執(zhí)行。其中中斷子程序流程圖如圖3所示。

3.2 PID功能指令

STEP 7--Micro/WIN 4.0是用于S7--200的32位編程軟件包，軟件支持最新西門(mén)子CPU增強(qiáng)功能的新軟件工具和改進(jìn)過(guò)的軟件工具，本系統(tǒng)中使用 PID自動(dòng)整定控制面板、PLC內(nèi)置位控向?qū)?、?shù)據(jù)歸檔向?qū)Ш团浞较驅(qū)Ь幊獭?/p>

在STEP7 MicroWIN環(huán)境下點(diǎn)擊“新建項(xiàng)目” 按鈕，選擇文件(File)和 新建(New)菜單命令，按Ctrl+N快捷鍵組合。在菜單“文件”下單擊“新建”，開(kāi)始新建一個(gè)程序，在程序編輯器中輸入指令，最后從指令樹(shù)拖放選擇的指令編程。按“控制接線(xiàn)圖”連接PLC外圍電路；點(diǎn)擊屬性對(duì)話(huà)框，在彈出的對(duì)話(huà)框中選擇“PC/PPI通信方式”，設(shè)置PC/PPI屬性如圖4所示。

圖3 子程序流程圖

3.3 系統(tǒng)控制過(guò)程

按照I/O端口分配表或接線(xiàn)圖完成PLC與變頻器和各個(gè)模塊之間的接線(xiàn)，打開(kāi)編寫(xiě)的控制程序，進(jìn)行編譯，有錯(cuò)誤時(shí)根據(jù)提示信息修改，直至無(wú)誤，用PC/PPI通訊編程電纜連接計(jì)算機(jī)串口與PLC通訊口，打開(kāi)PLC主機(jī)電源開(kāi)關(guān)，下載程序至PLC中，下載完畢后將PLC的“RUN/STOP”開(kāi)關(guān)撥至“RUN”狀態(tài)。

模擬量模塊輸入端從溫度變送器端采集土壤溫度信號(hào)，經(jīng)過(guò)程序運(yùn)算后由模擬量輸出端輸出控制信號(hào)至驅(qū)動(dòng)端控制線(xiàn)圈等電器設(shè)備，進(jìn)而控制水泵等設(shè)備。程序運(yùn)行后，溫度變送端采集的物體溫度信號(hào)作為過(guò)程變量，經(jīng)程序PID運(yùn)算后，由模擬量輸出端輸出控制信號(hào)至驅(qū)動(dòng)端控制設(shè)備，對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行噴灑。初始化程序如下

LD SM0.1

MOVB 100, SMB34

ATCH AD_DA_PID:INT0, 10

ENI

圖4 PC/PPI屬性設(shè)置

程序初始化時(shí)啟動(dòng)定時(shí)中斷，設(shè)定定時(shí)中斷的時(shí)間為100 ms。

3.4 系統(tǒng)輸出模塊程序

模擬量的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)是A0～Am，和4～20 mA電流信號(hào)對(duì)應(yīng)，通過(guò)模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換后得數(shù)值為D0～Dm(6 400～32 000)，則標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)A為

A=(D-D0)×(Am-A0)/(Dm-D0)+A0

(1)

同理可得通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換后數(shù)字量D方程為

D=(A-A0)×(Dm-D0)/(Am-A0)+D0

(2)

本系統(tǒng)使用溫度傳感器，當(dāng)溫度達(dá)到滿(mǎn)量程100 ℃時(shí)，溫度傳感器的輸出電流是20mA，AIW0的數(shù)值是32 000?？梢?jiàn)，每毫安對(duì)應(yīng)的A/D值為32000/20，由此可得出AIW0的數(shù)值轉(zhuǎn)換為實(shí)際溫度各個(gè)點(diǎn)的連續(xù)值。

本系統(tǒng)使用主機(jī)和模擬量擴(kuò)展模塊EM235，傳感器測(cè)量的溫度范圍是0～100度，測(cè)量溫測(cè)量模擬量輸入AIW和模擬量輸出AQW輸出程序以及溫度測(cè)量主程序。其中模擬量輸入通道AC0信號(hào)范圍0. 0～1. 0，模擬量輸出通道VD5輸入范圍0.0～1.0。

4 結(jié)論

論文以PLC為主機(jī)采用PID法對(duì)棉花農(nóng)作物的噴灌系統(tǒng)進(jìn)行控制，使系統(tǒng)基本上達(dá)到控制要求。具體得出結(jié)論如下：

4.1 該系統(tǒng)對(duì)棉花作物噴灌控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究；

4.2 本系統(tǒng)能通過(guò)土壤濕度，土壤溫度對(duì)棉花能農(nóng)作物溫濕度測(cè)量來(lái)控制澆灌的水量和時(shí)間，具有一定的智能；

4.3 基于PID算法的PLC對(duì)控制穩(wěn)定性好，精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)水目的。

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)了上述功能，但仍有下一步工作可以開(kāi)展

4.3.1 經(jīng)過(guò)PLC與PC的通信，可以設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件系統(tǒng)在線(xiàn)檢測(cè)功能，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)溫濕度等參數(shù)在上位機(jī)上顯示，通過(guò)上位機(jī)上的數(shù)值向噴灌區(qū)PLC發(fā)出控制指令，來(lái)控制棉花農(nóng)作物的噴灌。

4.3.2 控制系統(tǒng)的安裝位置、管道的布置應(yīng)該深入研究，這些都對(duì)灌溉的成本有著重要的影響。

[1] 孫剛,鄭文剛,趙春江,等.基于Mobus協(xié)議的無(wú)線(xiàn)灌溉控制系統(tǒng)研究[J].節(jié)水灌溉,2008,(4):54-5.

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Research of Cotton Irrigation Control System Based on PLC

Li Jianjun

(College of Mechanic and Electrical Engineering, Tarim University, Alar, Xinjiang 843300 )

Research on the status of agricultural irrigation control system introduced, the paper used programmable controller, frequency and analog devices, and modules to achieve the detection of cotton and other crops sprinkler control. This paper studied the temperature and humidity detection by hardware design and software programming system based on PID algorithm, realized cotton irrigation automatic control after the host computer and programmable controllers communicate.

PID; control system; water saving

2014-05-15基金項(xiàng)目：塔里木大學(xué)校長(zhǎng)基金(TDZKSS201321)作者簡(jiǎn)介：李建軍(1972-)，男，講師，工程師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)控制技術(shù)和可再生能源發(fā)電技術(shù)。 E-mail:lijianjuntd@163.com

1009-0568(2015)01-0107-04

TM571.61

B

10.3969/j.issn.1009-0568.2015.01.019