李金鋮，徐智勇，羅 輝，吳晗平

(1. 武漢工程大學 光電信息與能源工程學院，湖北 武漢 430205；2. 武漢工程大學 光電子系統(tǒng)技術研究所，湖北 武漢 430205)

0 引言

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟命脈，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化是當今農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。灌溉作業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎和關鍵。而目前大多數(shù)農(nóng)田灌溉都是靠人工操作，導致灌溉效率低下，浪費了大量水資源[1-2]。智能灌溉系統(tǒng)的設計具有重要的實用價值，但目前的智能灌溉系統(tǒng)多基于時間控制，存在水源浪費和澆灌不均等缺點。為了提升效率，降低成本，讓灌溉作業(yè)走向智能化、高效化、安全化，本文設計基于 PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）和無線多點探測網(wǎng)絡的智慧農(nóng)業(yè)灌溉控制系統(tǒng)[3-4]?？梢詫崿F(xiàn)精準灌溉，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約水資源。

1 設計思路

構建一個智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)，滿足農(nóng)田灌溉基本要求的基礎上，提高系統(tǒng)的效率和精度。根據(jù)無線液位傳感器組成的多點探測網(wǎng)絡對水位信息進行采集與反饋。當水位達到恒壓水位設定值下限時，系統(tǒng)控制變頻水泵電動機開始變速運作，使水位達到預期值；當水位超過預期值時，系統(tǒng)控制水泵電動機停止或降速，來維持農(nóng)田恒壓水位的實現(xiàn)[5]。水泵電機需要變頻調節(jié)以減少能量的損耗，且恒定水位的調節(jié)精度控制在 1～5mm之間。

2 系統(tǒng)構成與工作原理

2.1 系統(tǒng)構成

智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)構成圖如圖1所示。智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)由設備執(zhí)行層及遠程監(jiān)控層組成。設備執(zhí)行層主要是由無線多點探測網(wǎng)絡、變頻器、水泵電機、電磁閥、擴展單元等組成通過Modbus總線或Profibus-dp總線連接[6]。遠程監(jiān)控層的建立是通過上位機軟件監(jiān)控整個灌溉流程，便于操作人員對生產(chǎn)灌溉的監(jiān)測和控制。

圖1 智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)構成圖Fig.1 Composition diagram of smart agricultural irrigation system

2.2 工作原理

智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)是以PLC為核心處理器，變頻器進行 PID（比例積分微分，Proportion Integration Differentiation）處理運算，無線多點探測網(wǎng)絡作為信息采集與反饋器件，繼電器與接觸器分別作為開關和提供對電路保護，三臺電機作為動能裝置，最后通過上位機組態(tài)進行觀測與操控。

2.2.1 控制原理

在系統(tǒng)的控制過程中，無線多點探測網(wǎng)絡測量到的實時信號與水位設定值有偏差時，控制系統(tǒng)根據(jù)液位變送器傳感器得到的信息發(fā)送一個電信號到變頻器上，變頻器將輸入的信號進行處理運算在輸出一個數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)過變頻器的驅動回路產(chǎn)生一個相應的頻率，再通過頻率來控制電機的轉速實現(xiàn)變頻驅動。變頻器對電機的控制就是對水泵注水速度的控制使其能夠根據(jù)不同情況來改變供水量。當水量達到一個程度時，系統(tǒng)會輸出一個反饋信號，信號再傳遞到變頻器PID調節(jié)器上，經(jīng)過PID處理運算并輸出一定的反饋信號給執(zhí)行器件，控制電機轉速[7]。這樣一個閉環(huán)調節(jié)控制可以維持農(nóng)田水位在一個恒定的小范圍內，最終使水位保持恒定。智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的控制原理圖如圖2所示。

圖2 變頻灌溉系統(tǒng)控制原理框圖Fig.2 Control principle block diagram of variable frequency irrigation system

2.2.2 變頻原理

灌溉系統(tǒng)主要是由PLC作為控制器、變頻器作為處理器、水泵電機作為執(zhí)行器件和無線液位傳感器作為信息采集裝置組成。變頻灌溉系統(tǒng)控制原理框圖如圖3所示，其中1#為變頻電機，2#為工頻電機，3#為備用工頻電機。

圖3 系統(tǒng)控制原理框圖Fig.3 System control principle block diagram

農(nóng)田水位降低至設定值，無線多點探測網(wǎng)絡采集信息轉換成電信號送入PLC內，通過A/D模塊變換成數(shù)字信號，再經(jīng)過變頻器的PID計算處理后輸出一個控制量，再一次通過D/A轉換成電信號來控制變頻水泵的轉速，進而控制進水量來維持農(nóng)田水位恒定[8]。此時變頻電機變頻運轉，工頻電機停止。

當農(nóng)田流失水量過大或變頻水泵電機達到頻率上限，變頻電機工頻運轉并且2#工頻電機開始運轉，以此維持農(nóng)田水位。

當農(nóng)田水位升高并且在水位設定值誤差范圍內時，工頻電機停止運轉。而當農(nóng)田水位大于水位設定值時，無線液位傳感器及時將水位信息傳達給PLC，經(jīng)過A/D模塊處理成數(shù)字信號，再經(jīng)過變頻器內PID調節(jié)器，最終控制變頻電機變頻運轉，維持農(nóng)田水位恒定。

但出于安全防護，3#電機作為一臺備用水泵電機，當2#工頻水泵電機出現(xiàn)故障時，3#電機馬上可以替代運行。

2.2.3 無線傳感原理

無線多點探測網(wǎng)絡是由大量部署在監(jiān)測區(qū)域內的具有感知、計算和無線通信能力的傳感器節(jié)點通過自組織方式構成的網(wǎng)絡。它綜合了微電子技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等先進技術，能夠根據(jù)環(huán)境自主完成監(jiān)測、目標發(fā)現(xiàn)、識別與跟蹤等任務[9-10]。

本設計采用了無線多點探測網(wǎng)絡結構。每一個節(jié)點分布在固定的位置，直接向PLC發(fā)送信號同時接受來自PLC的查詢。是由多個無線液位傳感器與數(shù)據(jù)收發(fā)模塊構成，多點無線液位傳感器對農(nóng)田液位信息進行收集，經(jīng)過處理器/儲存器運算處理，由無線收發(fā)單元進行信息反饋[11]。無線液位傳感器網(wǎng)絡節(jié)點結構圖，如圖4所示。

圖4 無線液位傳感器網(wǎng)絡節(jié)點結構圖Fig.4 Wireless liquid level sensor network node structure diagram

3 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件設計是智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)設計的基礎，主要由2個單元組成，包括系統(tǒng)硬件選型和系統(tǒng)主電路設計。硬件選型要求PLC可以高效率處理反饋信息，變頻器控制運算靈敏度高。硬件電路系統(tǒng)要求成功實現(xiàn)液位傳感器采集水位信息傳送給PLC的A/D模塊，在變頻器中進行處理運算，輸出一個變頻控制量來控制變頻水泵電機的運轉速度。

3.1 主要硬件選型

3.1.1 PLC選型

PLC作為核心處理器，其數(shù)字輸入端外接電路或讀入程序，給整個灌溉系統(tǒng)控制啟動或停止的命令；輸出端輸出一組經(jīng)過處理運算的控制信號到中間繼電器或接觸器[12]。

目前，可編程序控制器的產(chǎn)品很多，不同廠家生產(chǎn)的PLC以及同一廠家生產(chǎn)的不同型號PLC其結構各不相同，但其基本結構和基本工作原理大致相同。本設計選用臺達DVP24ES2-PLC作為系統(tǒng)主要元器件，臺達DVP系列PLC具有可靠性高、控制功能強、組成靈活、操作方便等特點，具備較強的環(huán)境適應性和較高的抗干擾能力，適合農(nóng)業(yè)灌溉的環(huán)境要求。

3.1.2 變頻器選型

變頻器的作用是將輸入變頻器的電流進行PID處理運算來改變頻率。本系統(tǒng)中輸入變頻器的是三相交流電，經(jīng)過變頻器處理輸出變頻的交流電，交流電再經(jīng)過繼電器與接觸器傳送到變頻電機上，隨著變頻器輸出的交流電頻率的不同，變頻電機的轉速也將隨之變化，最終實現(xiàn)變頻灌溉供水。

選用VFD-PU01變頻器與水泵電機相匹配。VFD-PU01變頻器采用交-直-交變頻變壓方式，變頻調速很容易實現(xiàn)電機的正反轉。VFD-PU01變頻器具備節(jié)能的優(yōu)點，節(jié)電率可以達到25%-70%，控制精度可達0.5 mm。圖5為VFD-PU01變頻器控制電路的控制框圖。

圖5 VFD-PU01變頻器控制電路控制框圖Fig.5 Control block diagram of VFD-PU01 inverter control circuit

3.2 主電路設計

智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的主電路主要由DVP24ES2-PLC，06XA-E2型號A/D模塊，VFD-PU01變頻器和無線多點探測網(wǎng)絡構成，如圖6所示。

圖6 智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)主電路圖Fig.6 Main circuit diagram of smart agricultural irrigation system

DVP24ES2-PLC通過程序控制輸出脈沖，在經(jīng)過繼電器和接觸器的保護下連接到電機和變頻器上，變頻器再連接變頻電機對其進行變頻控制，A/D模塊主要用于接收液位傳感器傳導的信號。在經(jīng)過變換傳送到 VFD變頻器內進而通過改變頻率來改變變頻電動機的轉速。變頻器控制變頻電機的電路圖如圖7所示。

圖7 變頻器控制變頻電機電路圖Fig.7 Inverter control variable frequency motor circuit diagram

L1、L2、L3 為三相電源接口；中間繼電器為三臺水泵提供熱過載保護；交流接觸器則是起到開關作用，控制電路通斷來控制電機的啟停。

4 系統(tǒng)軟件設計

灌溉系統(tǒng)的軟件設計是智慧農(nóng)業(yè)灌溉的功能主體，主要包括系統(tǒng)程序流程和梯形圖程序設計。要求確定系統(tǒng)的運行邏輯以及完善的梯形圖程序，來確保智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的功能要求得到實現(xiàn)。軟件設計程序流程圖如圖8所示。

圖8 軟件設計程序流程圖Fig.8 Software design program flow chart

本研究中變頻恒壓水位系統(tǒng)有兩種控制方式，一種是手動控制，另一種是自動控制。

4.1 手動控制

如圖 9所示，可以通過按鈕選擇手動控制，進而可以對每個水泵進行單獨控制，使水泵按照要求隨意切換。其中1#為變頻水泵電機，2#和3#為工頻水泵電機。

圖9 手動控制流程圖Fig.9 Manual control flow chart

4.2 自動控制

選擇自動控制方式運行。在1#變頻水泵、2#工頻水泵都無故障的情況下，自動控制啟動，1#水泵開始變頻運行；如果系統(tǒng)檢測到水位下降時，1#水泵轉為工頻，增加注水量；如果系統(tǒng)依舊檢測到水位下降，說明1臺水泵工頻運行無法維持水位恒壓，此時將啟動2#工頻水泵，兩臺水泵同時注水維持水位恒壓；當系統(tǒng)檢測到超過恒壓水位設定值，1#水泵變頻，2#水泵停止。如此循環(huán)往復形成一個閉環(huán)系統(tǒng)，自動控制系統(tǒng)主要是通過變頻器運算處理液位變送器的反饋信號，來決定水泵電動機的運行狀態(tài)或停止。

若在自動控制方式下，2#工頻水泵電機出現(xiàn)故障，3#備用水泵電機代替2#水泵電機進行正常運作。自動控制流程圖如圖10所示。

圖10 自動控制流程圖Fig.10 Automatic control flow chart

4.3 梯形圖設計

A/D模塊DVP06XA-E2中的寄存器設定如圖11所示。采用2號寄存器中的模式6（H0006），電流輸入（4-+20 mA），3號、4號與5號寄存器均不使用；輸出采用 6號寄存器中的模式 2（H0002），電流輸出（4-+20 mA），同時關閉 7號寄存器。

圖11 寄存器參數(shù)設定梯形圖Fig.11 Register parameter setting ladder diagram

如圖12所示，M1000表示運行監(jiān)視常開接點（A接點），第一行表示讀取 D9900此位置所存儲的模擬量數(shù)據(jù)，D0表示液位傳感器反饋回來的液位反饋值。第3、4、5行就是將讀取到的模擬量位置進行轉移。第7行則是進行運算，因為多點探測網(wǎng)絡的量程是0-1 m，所以除以32 000將模擬量化為一個數(shù)值所對應的距離。第8行則是通過D2、D4來計算實時液位D6。

圖12 源程序梯形圖Fig.12 Source program ladder diagram

如圖13所示，第一行計算1CM所對應的數(shù)字量，第2行可以進行手動設定恒壓水位設定值D408（液位設定）。其中D24表示為液位PID設定值。

圖13 液位設定梯形圖Fig.13 Liquid level setting ladder diagram

對PID運算參數(shù)進行設定如圖14所示，第1行定義了PID采樣時間為1S，第2行確定PID為自動控制方向，定義輸出上限為10 V，定義輸出下限為0 V。其中M1002表示啟始正向脈沖。

圖14 PID參數(shù)設定梯形圖Fig.14 PID parameter setting ladder diagram

PID運行如圖15所示，D420為PID運算中的P值，D422為PID運算中的I值。故第1行為比例給定，第2行為積分給定。M1表示運行指示，第3行就是PID運算，其中D24表示液位PID設定值，D0代表液位反饋值，D30則表示PID結果，第4行則是將液位PID結果寫入D9904中。

圖15 PID運行梯形圖Fig.15 PID running ladder diagram

如圖16所示為系統(tǒng)控制程序，其中X0表示電機1過載，X1表示電機2過載，X2表示電機3過載，M2表示系統(tǒng)啟動，M3表示系統(tǒng)停止，M5表示報警。Y0、Y1、Y2分別表示電機1、2、3啟動，Y3表示變頻器啟動。

圖16 系統(tǒng)控制梯形圖Fig.16 System control ladder diagram

5 系統(tǒng)驗證

在PLC實訓操作臺上進行智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的調試與測試，要求灌溉系統(tǒng)可以實現(xiàn)變頻調節(jié)農(nóng)田水位，并且具備高靈敏度，高效率的特點。

5.1 硬件連接

依據(jù)智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的主電路圖將實驗室操作臺上的相關元器件連接起來，主要接口連接如表1、表2所示。

表1 變頻器連線接口Tab.1 Inverter connection interface

表2 PLC A/D模塊連線接口Tab.2 PLC A/D module connection interface

實際連接效果如圖17所示，電路正常運行。

圖17 實物連線圖Fig.17 Physical connection diagram

5.2 軟件仿真

進行軟件編程之前要準備好編程軟件WPLSoft 2.45，WPLSoft 2.45是臺達PLC的編程軟件，另外需要安裝好組態(tài)王6.53，進行模擬操作。

編寫過程如下，打開WPLSoft 2.45，打開菜單欄中“文件—新建”，會彈出“機種設置”的窗口，在“程序標題”中輸入名稱“智慧農(nóng)業(yè)”，在機種里選擇所需要的機種，在通信設置中可以選擇傳輸方式。本文選擇的是ES2，COM0。點擊“確定”，就回到主窗口中，開始編寫梯形圖程序。

編寫程序可以在工具欄中找到相應的輸入、輸出的符號，點擊就可以添加到程序窗口中，也可以雙擊藍色方塊，就可以以指令模式輸入程序。如圖18所示。

圖18 程序編寫界面Fig.18 Programming interface

編寫完一個簡單的程序后，依次點擊菜單欄中的“編譯—梯形圖=>指令”，軟件就會自動編譯程序。編譯完成后，依次點擊菜單中的“通信—PC<=>PLC”，確定后將程序下載到PLC中，就可以進行調試了。

打開組態(tài)王 6.53，新建文件，輸入名稱“智慧農(nóng)業(yè)”，輸入工程名“灌溉系統(tǒng)”。進入后設置COM1的數(shù)據(jù)口為 7，點擊“數(shù)據(jù)詞典”設定需要的數(shù)據(jù)名稱及其寄存器，如圖19所示。

圖19 數(shù)據(jù)詞典設置界面Fig.19 Data dictionary setting interface

設置完數(shù)據(jù)后，點擊新建“畫面”，操作界面如圖20所示。

圖20 操作界面Fig.20 Operation interface

在經(jīng)過硬件連接與軟件仿真后，系統(tǒng)可以根據(jù)多點探測網(wǎng)絡的反饋信息進行變頻調節(jié)水位。當農(nóng)田水位達到水位設定值下限時，控制系統(tǒng)控制變頻水泵電動機開始變速運作，使水位達到預期值；當水位或水壓超過預期值時，控制系統(tǒng)控制水泵電動機停止或降速，來維持農(nóng)田水位保持一個固定值，且水位精度在1 mm。

6 結論

在智慧農(nóng)業(yè)變頻灌溉系統(tǒng)構建中，主要解決了兩個問題：一是PLC對變頻器的控制，增強了系統(tǒng)的靈敏度與安全性；二是上位機組態(tài)可以實時監(jiān)測變頻灌溉系統(tǒng)的運行，具有即時性?？刂葡到y(tǒng)簡單易操作，有通用性強、靈敏度高和經(jīng)濟實惠等特點。變頻灌溉系統(tǒng)很好地克服了傳統(tǒng)澆灌控制方式的缺點，具有其實用價值和應用前景。