池雄飛，張科強(qiáng)，張寧芳

（1.鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū) 鄂爾多斯 017000；2.鄂爾多斯市云東農(nóng)林牧產(chǎn)業(yè)投資集團(tuán)，內(nèi)蒙古自治區(qū) 鄂爾多斯 017000）

中國(guó)老齡化全國(guó)委員會(huì)（CNCA）統(tǒng)計(jì)，到2020年中國(guó)60歲及以上的公民人數(shù)達(dá)到2.49×108人，約占中國(guó)總?cè)丝诘?7.4%，而在中國(guó)農(nóng)村地區(qū)，人口老齡化現(xiàn)象尤為突出，絕大多數(shù)青年人都到了城市工作、生活，老年人成為農(nóng)村地區(qū)的主要?jiǎng)趧?dòng)力，勢(shì)必要求農(nóng)業(yè)逐步實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化。近年來(lái)，因拉尼娜（LANINA）現(xiàn)象導(dǎo)致內(nèi)蒙古包頭農(nóng)村地區(qū)干旱嚴(yán)重，加之農(nóng)村地區(qū)勞動(dòng)力缺乏，粗放式的農(nóng)田灌溉系統(tǒng)具有跑水、漏水、溢水和高耗能等缺陷，本文設(shè)計(jì)了一套基于PLC S7-300的農(nóng)田節(jié)能綠色灌溉系統(tǒng)，有效提升了農(nóng)村地區(qū)設(shè)備的自動(dòng)化程度，改變了粗放式、高耗能、環(huán)保差的灌溉模式。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)灌溉面積約為7 000 m2，從節(jié)能性、實(shí)用性和方便性角度設(shè)計(jì)了變頻泵控制農(nóng)田灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合液位二位式控制和壓力PID控制方法。系統(tǒng)設(shè)備、元件使用不銹鋼材質(zhì)和PPR（三丙聚丙烯）管，該管材是目前最流行供水管，具有無(wú)毒無(wú)害、強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、不結(jié)垢、使用壽命長(zhǎng)和食品級(jí)材料的特點(diǎn)[1]，保證了綠色和環(huán)保性能。

為使灌溉田有100%的灌溉率，系統(tǒng)將田地分為6行1列，每塊小田約為1 170 m2，并每2塊小田中間有一圍堰，每塊小田的側(cè)面圍堰都有一個(gè)電動(dòng)閥門(mén)控制進(jìn)水狀態(tài)，在灌溉時(shí)，首先打開(kāi)第1個(gè)小田電動(dòng)閥閥門(mén)，關(guān)閉其他6塊小田的閥門(mén)，只有第1塊小田灌溉完成后才能啟動(dòng)第2塊小田的電動(dòng)閥門(mén)并自動(dòng)關(guān)閉第1塊小田的閥門(mén)，以此方式將6塊小田依次完成灌溉，為了使系統(tǒng)節(jié)能、環(huán)保，在每個(gè)小田的地勢(shì)高處設(shè)定一個(gè)水位開(kāi)閉閥傳感器，判定該小田是否完成灌溉，在水位到達(dá)該閥時(shí)，該檢測(cè)閥閉合，將信號(hào)狀態(tài)反饋給PLC，自動(dòng)關(guān)閉該小田的進(jìn)水閥門(mén)，開(kāi)啟第2塊小田的灌溉，直到將整個(gè)田地灌溉完成，自動(dòng)停止整個(gè)控制系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 PLC硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和成本考量，硬件系統(tǒng)采用Siemens S7-300中端PLC，CPU（控制器）：313C-2DP，DI16/D016；SM331（模擬量輸入模塊）：AI8*13bit；SM332(模擬量輸出模塊)：4*12bit；POWER模 塊（MW明 緯 開(kāi) 關(guān) 電 源AC-DC,220/24V）：150W。詳細(xì)硬件配置如表1所示。

表1 硬件系統(tǒng)配置Tab.1 Hardware system configuration

控制系統(tǒng)啟動(dòng)后首先先監(jiān)測(cè)田井或水庫(kù)中水泵深度，水位高于水泵0.50 m時(shí)控制器發(fā)送指令啟動(dòng)變頻器，利用變頻器啟動(dòng)水泵開(kāi)始將水泵入水箱，并打開(kāi)水箱出水電動(dòng)閥門(mén)，當(dāng)水箱高度高于1.50 m時(shí)，PLC控制器停止變頻器將水泵轉(zhuǎn)為待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)水箱水位低于0.90 m時(shí)PLC控制器重新啟動(dòng)變頻器，水泵由待機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)，給水箱注水直到水位再次達(dá)到1.50 m，變頻泵再次進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)變頻泵為水箱注水時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)水箱進(jìn)水管道壓力PID控制，且壓力設(shè)定值為0.25 MPa，當(dāng)水泵達(dá)到設(shè)計(jì)管道壓力時(shí)，水泵以0.25 MPa的壓力工作，灌溉系統(tǒng)采用PLC二位式控制和PID控制，可有效節(jié)約能源，改變以前粗放式的灌溉模式。

水箱充水后，PLC控制器將打開(kāi)水箱出水電動(dòng)閥，通過(guò)PPR主管道給田地供水，此時(shí)第1塊小田進(jìn)水電動(dòng)閥打開(kāi)，其他5塊小田進(jìn)水閥門(mén)關(guān)閉，當(dāng)?shù)?塊小田水位傳感器閉合時(shí)，該小田已灌溉完畢，PLC控制器關(guān)閉第1塊小田進(jìn)水電動(dòng)閥，并打開(kāi)第2塊小田電動(dòng)閥門(mén)為第2塊小田灌溉，直到將所有小田灌溉完畢后，自動(dòng)停止系統(tǒng)。

為了方便灌溉農(nóng)田，可以通過(guò)程序設(shè)計(jì)調(diào)整優(yōu)先級(jí)，打開(kāi)任意1塊小田或同時(shí)打開(kāi)幾塊小田進(jìn)水閥灌溉田地，為了提升灌溉效率或壓力，可以在水箱出水口增加1臺(tái)出水泵，控制出水壓力，解決同時(shí)灌溉幾塊小田的問(wèn)題。

2.2 PLC軟件程序設(shè)計(jì)

PLC軟件程序采用STEP7 v5.6版本編程，考慮使用者的實(shí)際操作能力，可采用自動(dòng)/手動(dòng)控制2種模式，自動(dòng)控制模式出現(xiàn)故障時(shí)可切換到手動(dòng)模式控制，能單獨(dú)對(duì)某個(gè)閥門(mén)開(kāi)閉或設(shè)備啟停。程序設(shè)計(jì)I/0分配表如表2所示。

表2 系統(tǒng)I/0分配Tab.2 System I/0 allocation

水箱進(jìn)水二位式控制方法，首先水箱液位傳感器監(jiān)測(cè)水箱液位高度L，控制器調(diào)用庫(kù)standard library中TI S7 converting blocks FC105塊采集傳感器液位高度L[2]，利用CMP指令比較L和0.90的大小，當(dāng)L≤0.90 m，變頻泵以0.25 MPa壓力進(jìn)水，再利用CMP指令比較L和1.50的大小，當(dāng)L≥1.50 m，變頻泵轉(zhuǎn)為待機(jī)狀態(tài)，PLC控制器依據(jù)液位高度L啟停變頻泵，從而控制變頻器的工作狀態(tài)。

當(dāng)變頻泵為水箱注水時(shí)，PLC控制變頻器以0.25 MPa壓力工作，PLC調(diào)用庫(kù)standard library中PIDcontrol blocks[3]，控制塊為FB41，并用該塊輸出到FC106塊，控制變頻器以0，25 MPa的恒定壓力輸出[4]。

3 系統(tǒng)成本分析

對(duì)2017年—2019年內(nèi)蒙古包頭地區(qū)普通農(nóng)田漫灌成本數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)比包頭地區(qū)普通農(nóng)田漫灌方式和本系統(tǒng)灌溉方式進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果如表3所示：

表3 包頭地區(qū)普通農(nóng)田漫灌和本系統(tǒng)灌溉數(shù)據(jù)Tab.3 General farmland flood irrigation and irrigation data of this system in Baotou

通過(guò)對(duì)比分析農(nóng)田漫灌方式和本系統(tǒng)灌溉方式可得出，應(yīng)用本系統(tǒng)可有效地解決農(nóng)田粗放式、高耗能、底環(huán)保的灌溉模式。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)農(nóng)村地區(qū)勞動(dòng)力缺乏、人口老齡化嚴(yán)重、內(nèi)蒙古包頭地區(qū)干旱少雨等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套基于PLCS7-300的農(nóng)田綠色自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方法、軟件編程思路和成本分析，結(jié)果表明該系統(tǒng)有效解決了高耗能、粗放式的農(nóng)田灌溉模式，解決了農(nóng)村地區(qū)勞動(dòng)力問(wèn)題，提升了農(nóng)村地區(qū)灌溉系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)。