基于PLC的灌溉自动控制器的开发.pdf

自 动化技术与应用 2 0 1 1 年 第3 O 卷 第0 1 期 经 验 爻 流 T e ch nic al Com mun i c a t i o ns 基于 P L C的灌溉 自动控制器的开发 ★ 张涛 新疆昌吉职业技术学院， 新疆昌吉8 3 1 l 0 0 磊 面作 为 核 心 器 件， 采 用 模 糊 控 制 理 论， 开 发 的 一 种 低 成本 、 操 作 简 单 、 能 按 作 物 需 水 量 进 行自 动 灌 溉 的 灌 溉自 动控制系统， 并对灌溉自动控制系统的软件和硬件进行了设计。试验研究结果表明， 灌溉 自动控制系统精度高、稳定、操作简 单， 能满足灌溉自动控制的要求。 ’ 关键词 土壤湿度； 模糊控制； 灌溉； 控制器 中图分类号 TP 2 9 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 7 2 4 1 2 0 1 1 0 1 0 0 9 6 0 3 De s i g n a n d Re s e a r c h o f PL C Au t o ma t i s m I r r i g a t i o n Co n t r o l l e r ZHANG T a o X i n j i a n g C h a n g j i C o l l e g e ， C h a n g j i 8 3 1 1 O 0 C h i n a A b s t r a c t Th i s p a p e r d e s c r i b e s a n a u t o ma t i c i r r i g a t i o n c o n t r o l s y s t e m wi t h l o w c o s t a n d s i m p l e o p e r a t i o n． I t t a k e s P LC a s c o r e a p p a r a t u s ， a n d u s e s f u z z y c o n t r o l t h e o r y ． Th e s o f t wa r e a n d h a r d wa r e o f t h e s y s t e m i s d e s i g n e d ． Te s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e c o n t r o l l e r i s wi t h h i g h p r e c i s i o n ，s t a b i l i t y ，s i mp l e o p e r a t i o n ， a n d c a n s a t i s f y t h e r e q u i r e me n t o f i r r i g a t i o n a u t o ma t i c cont r o1 ． Ke y wo r ds s o i l mo i s t u r e ， f u z z y c o n t r o l ； i r r i g a t i o n ； c o n t r o l l e r 1 引 言 新疆是个缺水地区， 农业节水灌溉势在必行 ， 灌溉 自动化可大大减轻灌水的劳动强度 ， 提高劳动生产率 ， 减少灌溉水量损失， 是灌溉农业发展的方向和趋势 【 l 】 。 目前市面上虽然也有各种灌溉 自动控制系统 ， 但价格过 高 ， 系统庞大 ， 这制约了节水灌溉 自动化的推广 ， 为解这 一 问题 ， 2 0 0 9年新疆昌吉职业技术学院与新疆昌吉市致 远农业科技发展有限公司联合开展了一种新的小型灌 溉 自动控制器的研制， 该灌溉 自动控制器设计要求一是 低成本 ， 二是要操作简单、可靠 ， 能按作物需水量进行 自动灌溉 ，以达到降低灌溉成本 、提高灌溉质量的 目 的。在综合考虑制作成本、运行可靠性及操作的复杂性 等因素后， 经过反复对比， 最终确定使用西门子 S 7 2 0 0 PL C作为灌溉 自动控制器核心部件， 通过使用湿度传感 基金项 目新疆维吾 尔自治区高校科研计划科学研究重点项 目 [ 2 0 0 7 】1 0 5号 收稿 日期 2 0 1 0 - 0 9 0 7 器测定被灌溉土壤含水量及其变化情况 ， 采用模糊控制 原理 ， 进行实时灌溉。经过一年多的实际应用 ， 此控制 器各项功能运行可靠、准确， 操作方便，目前该控制器 已通过省级新产品鉴定 ， 并投放市场。 2 系统功能概述 灌溉 自动控制器使用与灌溉供水管道连为一体 ， 其 的结构如图 l所示， 系统主要由水箱、渗灌主管道 、渗 灌装置 、灌溉控制器等构成。灌溉系统中设置高位水箱 用以储水， 同时又作为肥料混合装置 ， 在进行灌溉的同 时对作物进行施肥。水箱底部高度为 1 ． 5米 ， 由水泵或 进水电磁阀将水注入其中， 同时将灌水电磁阀、灌溉管 道 、水泵、高位水箱连成输水通道 ， 并由灌溉控制器根 据灌区中土壤湿度控制灌水 电磁阀的开关， 实现 自动灌 溉。灌溉 自动控制器由西门子 7 2 0 0 P LC、灌水 电磁 阀、土壤湿度传感器、模拟量输入模块、水箱水位开关 等组成 ， 并留有水泵控制端 口和进水电磁 阀控制端 口， 经 验 交 流 自 动 化 技 术 与 应用 2 0 1 1 年 第3 0 卷 第0 1 期 用于与不同水源进行对接 。系统可设置为进行 自动灌 溉 ， 也可设置为人工控制灌溉。灌水电磁阀的通断控制 灌溉的开始与结束， 在 自动进行灌溉时， 灌溉控制器根 据湿度传感器检测到的土壤湿度信号 ， 并经模拟量输入 模块转换之后送人 P LG与预设值进行比较， 从而决定灌 溉与否 。在人工控制模式下 ， 系统将屏蔽湿度传感器的 信号， 灌溉与否只受人工控制。 接东漂 图 1 灌溉自动控制系统 3 控制器软件设计 3 ． 1 模糊控 制原 理 灌溉 自动控制器主要 由西门子 S 7 2 0 0 P L C、模拟量 输入模块、水位传感器 、湿度传感器和电磁阀等构成。 控制器 采用模糊控 制原理 ， 控 制原理 如 图 2所示 。根据 土壤含水率的变化情况 ， 通过控制系统不断查询模糊辨 别查询表 ， 从而确定每次灌水循环 中电磁阀开启时间。 根据模糊控制规则， 当土壤含水率的检测值与设定值差 距 比较 大 时 。灌溉 时问 比较 长 ，当测 定值 接近 设 定值 时 ， 灌溉 时 间相 应的减少 ， 直至检 测值等于 设定值 小 于 允许误差 时停 止灌溉 。 设定土 图 2 系统控制原理 3 ． 2 模糊控制算法的实现 在本控 制器 中 ， 将 土壤湿 度偏差 e 即土壤 中的水分 含量与田间持水量之差 及其变化率 A e作为输入量 ， 将灌溉时长 Y 作为输出变量。在离线状态下使用计算 机对模糊控制表进行优化 ， 然后将其下传至 P L C 中， P LC将湿度传感器检测到的湿度与设定值进行比较， 计 算 出偏差 e和偏 差变化 率 A e ， 并进行量 化 ； 在查询模 糊 控制表得相应的控制量 ， 根据该控制量的大小来确定灌 水电磁阀的开启及开启时间 【 2 1 。算法实现主要分以下 几 个 步骤 第一步 计算偏差。根据湿度传感器测到的实测数 据 ， 与控制器中事先设定好的值进行对比， 并计算出温 湿度 偏差 e及其变 化率 A e。 第二步 模糊化 。通过湿度传感器及信号处理后得 到的误差是精确值 ， 必须将其模糊化变成模糊控制器所 能接受的模糊量， 同时把语言变量的语言值化为某适当 论域上模糊子集。表 1为各变量取值 。 表 1 各变量取值 参数 论域 量化值 土壤湿度偏差 e 1 ％ 一 1 1 ％ 0 6 土壤湿度偏差变化率 △e 1 ％ _ 6 ％ O 一 6 灌溉 时间 Y 分钟 2 - 3 2 O 一 6 第三步 建立模糊控制规则。根据湿度控制的经验 可 以得 出对应控 制量 的一系列 语言规 则 ， 分别 建立两 输 入单输出的模糊规则。 第四步 应用模糊推理合成规则 ， 计算出相应的模 糊控制量 ， 建立模糊控制查询表 ， 将此表存于控制器 中， 控制器将根据实际输人量 的模糊值通过查询表得到实 际控制量 ， 解模糊后加到灌水电磁阀上控制其工作。表 3为模糊 控制查 询表 。 表 2 模糊控制查询表 土壤湿度偏差变化率的模糊变量 O I 2 3 4 6 O O O 0 0 O 0 O 0 0 l 3 3 3 2 2 1 l 1 土 壤湿 度 2 4 4 4 3 2 2 2 偏 差的 模 3 4 4 4 3 3 3 2 3 糊 变量 4 3 3 3 2 4 4 3 3 3 5 6 6 6 4 4 2 4 6 3 ． 3 主 程序设计 由于 P L C 程 序执行 采取循环 扫描方 式 ， 在程序 设 计 时 ， 根据 建立 的模糊语 言变量赋 值表和模 糊控 制规则 表 ， 利用 MATL AB 预 先编制程序进行模糊推理 与模糊 自 动 化 技 术 与 应 用 2 0 1 1 年 第3 o 卷 第0 1 期 经 验 交 流 判决， 建立离线的模糊控制查询表 ， 在 PL C编程软件 Mi c r o ／ wi n的数据区 D a t a B l o a c k 中定义 V数据区， 并 将模 糊 控制 查询 表 中数据 作为 初始 值 ， 存 储在 V 数据 区。实时控制时， PL C对采样得到的土壤湿度值进行量 化 ， 得到其相应的模糊化论域元素 ， 再通过查询模糊控 制查询表获得输出控制量的量化值 ， 并对灌水 电磁阀进 行控制。其主程序设计流程见图 3 。 图3 主程序设计流程 4 元件选择及 电路设计 选用西门子 S 7 2 0 0 系列型号为 C P U 2 2 2 AC ／ D C ／ 继电器的 P LC作为控制器的核心器件， 它有 8点输人 6 点输出， 数值运算能力强， 性价 比高； 模拟量输入模块选 用西门子 E M2 3 1 ， 它通过总路线可直与P L C连接 ， 无需 外加接 口电路 ， 输入信号 可以根据需要通 过 DI P开关设 置选择电压信 2 ． 5 v 号或电流信号 0 ～2 0 mA ； 湿度传 感器采用 华旦牌 FDR一3型 土壤湿度传感 器 ， 工作 电压 为 5 V DC ， 输出信号为 0 - 2 ． 5 V DC， 测量精度及稳定 性好。为扩大连接线长度 ， 将湿度传感器采用采用差分 采集方式接于模拟量输入模块上 ， 这样可以使连接线最 大延长至 4 0 0米 ； 水位 开关采用 GS K-1 B 型干簧式水位 开关， 选用工作 电压为交流 2 2 0 V的继电器作为驱动进 水 电磁阀和水泵的接 口； 控制面板使用四个按钮分别控 制控制器的手动、自动工作方式及水泵、电磁阀起停控 制 ； 控制器的控制电路框图， 如图4所示。 图4 控制器硬件系统 5 结束语 2 0 0 9年 7月将本控制系统安装于枣园进行进行性 能测试 ， 试验从 2 0 0 9 年 7 月 1 5日开始到 2 0 1 0 年 5月2 2 日结束 ， 共计工作 1 7 0天 2 0 0 9 年 1 0月 2 5日到 2 0 1 0年 4 月 1 2 13因季节原因未进行实验 。经过调查记录， 控制 器在手动状态下 ， 能够 由控制器面板上按钮进行灌溉控 制； 控制器在 自动状态下运行时， 当土壤湿度没有达到设 定值时系统能 自动进行灌水 ， 当土壤湿度达到设定值时 系统能自动关闭灌水， 且无超调情况出现 ， 灌水控制精 确 。在试验期间控制器运行正常， 性能稳定 ， 自动运行 状态下无须人员管理， 节省大量灌溉管理费用， 提高了 水的利用效率。 经应用实验结果表明， 本系统具有 以下优点 1 控制器方案设计合理 ， 系统运行可靠 ， 控制 精 度 高 。 2 控制器操作简单， 制作成本低， 适用于中小型 节水灌溉系统 。 参考文献 【 l 】 康银红， 马孝义， 李娟等． 地下滴渗灌灌水技术研究进 展[ J ] ．灌溉排水学报， 2 0 0 7 ， 2 6 6 3 4 4 O ． 【 2 】 任文涛， 杨懿， 张本华等． 温室节点式渗灌自 动控制系 统设计与实觋[ J 1 ． 农业工程学报 ， 2 0 0 9 ， 2 5 8 2 9 -3 6 ． 作者简介 张涛 1 9 6 6 一 ， 男， 副教授， 主要从事节水灌溉控 制 研 究 。