基于PLC的全自动灌溉控制系统的设计

广西水利水电GXWATERRESOURCES&HYDROPOWERENGINEERING2004(3) ·农田水利· 基于PLC的全自动灌溉控制系统的设计* 张兵，袁寿其，成立，将惠凤 (江苏大学，江苏镇江212013) [摘要]介绍了可编程序控制器(PLC)在节水灌溉控制系统中的应用，系统具有手动灌溉模式，能根据用户设 定各灌区的灌溉顺序和灌溉时间；同时系统具有自动灌溉模式，通过内置程序把湿度传感器测定的土壤湿度信号 输入到PLC，与土壤最佳含水量对比，进一步控制电机和电磁阀的启闭；为了减小水泵电机的启动电流，减轻对电 网形成的冲击，减小能耗，系统启动采用Y／A启动。 【关键词]PLC；节水灌溉；土壤湿度；Y／&启动；梯形图 [中图分类号]8275；TP311．1[文献标识码]B【文章编号】1003—1510(2004)03—0016—03 当前，随着电气信息技术在节水灌溉工程中的 应用，发达国家如美国、以色列、荷兰、加拿大、澳大 利亚等成功开发了一系列用途广泛、功能极强的灌 溉控制器。而我国在开发灌溉自动控制系统方面与 发达国家差距较大，还处于研制、试用阶段，随着水 资源的日趋紧张及信息技术的发展，开发具有自主 知识产权的节水灌溉控制系统不仅具有广阔的市场 前景，而且具有巨大的社会效益【1，2I。 本文以松下公司FPl系列的PLC为核心，选用 CAOC型可编程控制器来开发了一套灌溉控制系统， 所开发的控制系统能手动设置对各轮灌区定时灌 溉，也可以通过土壤湿度传感器与控制器形成全自 动闭环控制系统。同时为了减少水泵电机启动电 流，减轻对电网形成的冲击，减小能耗，水泵电机采 用Y／△启动。 1 PI￡grx／输出点分配及系统结构框图 本文所选用的CAOC可编程序控制器输入24 点(xo～x23)，输出16点(YO～Y15)，带有RS232 口及日历／H寸钟功能，供电电源为24V直流或100 ～240V交流，同时可以控制4路AID、4路D／A。 系统可以方便地扩展输入偷出口，系统中除湿度传 感器为模拟信号外，其它输入偷出信号均为开关 量，PLC各个输入／输出点分配情况见113]。 表1 PLC各输入／输出点分配 输入设备名称 输入点 电机启动按钮 停机按钮 手动模式按钮 自动模式按钮 雨量传感器 报警消音按钮 土壤湿度传感器 XO X1 愆 Ⅺ x4 瑙 经多路开关接A／D 输出设备名称 输出点 电机KMY接通按钮 电机KM&接通按钮 手动显示灯 自动显示灯 一号电磁阀 二号电磁阀 三号电磁阀 一号电磁阀运行指示灯 二号电磁阀运行指示灯 三号电磁阀运行指示灯 电源指示灯 系统运行指示灯 雨量报警器 土壤缺水指示灯 土壤湿度适宜指示灯 土壤水分过量指示灯 根据灌溉控制系统的要求，系统由PLC控制器 CAOC，直流24V电源，起／停按钮，数据采集器件包 括土壤湿度传感器、雨量传感器和各类按钮，执行输 出器件包括电磁阀，带动水泵的电机，报警装置为报 [收稿日期]2004．04．09 [基金项目]国家高技术研究发展计划(863计划)，项目编号(2004AA224010)。 [作者简介]张．-兵(1976一)：男，山西大同人，江苏大学农业电气化及自动化博士研究生，研究方向为节水灌溉控制系统。 16 ⅦⅥⅥW w¨w WⅦwⅧⅢm mⅢw 万方数据 广西水利水电GXWATER脚URCES&HYDROPOWERENGINEERING2004(3) 警指示闪烁灯或报警电铃，同时当系统处于某个工 作状态时对应的指示灯亮，如果在大规模的灌区中， 要实现集中化管理，可以通过PLC的RS232口与管 理机通信，控制系统的结构框图见图1。 图1控制系统的结构框图 (水泵电机) (报警器) 2控制系统各部分功能及设计 控制系统包括电机Y／△启动，手动控制模式， 自动控制模式。因本系统除了湿度传感器和雨量传 感器输入为模拟量外，其他输入偷出均为数字量， 编程控制器本身的抗干扰能力能满足要求。PLC 的容量包括I／0点数、用户存储器的容量。系统采 用FPl可编程控制器专用编程软件编制梯形图。 2．1电机Y／△启动 系统要求当按下启动按钮时，首先电动机运行， 带动水泵抽水。同时系统中电机采用Y／A启动，启 动时继电器KMy接通。2S后KMy断开，继电器 KM△接通，即完成Y／△启动，控制梯形图见图2。 图2水泵电机Y／△启动梯形图 2．2手动灌溉模式 系统具有手动设定各电磁阀的开启时间和开启 顺序的功能，当某个电磁阀闭合时相应的指示灯亮。 当雨量传感器有信号，即下雨时，将停止灌溉，同时 雨量报警器报警，本灌溉系统要求为一号灌区灌溉 10min，打开2号灌区电磁阀灌水5rain，然后打开3 号灌区电磁阀灌水15min，最后停止灌溉。所设计 的控制梯形图见图3。 xoI x{，l’{lTO⋯C1100l02I oj、 YT 【卜 [TgX 0， K 2001u -L ． 一卜——一7 } 100I 301x0，l K 菇’r_i—1IYI C101C100X2 Y5 I，I I，l I，l r 1 YB [卜 』T”2 1， K 1001 ． 一叫K13甜1。O升lXO 对厂_—五 弋l T2 elolC102x2 YB —J L——．J，L———JL———J，L———JL———J r 1一 Y9 [卜一 『T帆 2， K 1001U -L ． 一卜——一02}901x9，． I xa’‘ YI r 1 J Y12 r 1 ． X5 Y12 一I [卜 X2 Y2 一I [卜 图3手动灌溉模式梯形图 17 万方数据 张兵，袁寿其，成立，等：基于PLC的全自动灌溉控制系统的设计 2．3自动灌溉模式 本灌溉控制器能根据土壤湿度传感器得到的土 壤湿度信号，与设定的适于作物生长的土壤湿度进 行比较，然后决定是否灌溉，自动进行电机与各电磁 阀的起闭。在本系统中选用2000YZ型土壤负压传 感器来测量土壤湿度，测量范围为负压值0～一85 kPa，基本上在植物的需水范围，一般说来，当土壤 吸力大于一70kPa值，土壤就需要灌水，否则会影 响植物的生长，该压阻传感器输出为0—50mv；测 量深度为200mm～2000mn-i，地面以下部分根据 需要而定，总精度为±2％左右；使用环境为0～ 500C。，在小麦拔节一抽穗期土壤最佳含水量用土 壤负压表示为一50kPa～一60kPa，即当土壤负压 小于一60kPa时，打开灌水阀门对作物进行灌 溉HJ。在该系统中把湿度传感器得到的土壤湿度 信号放入PLC的数据寄存器DT0中，把所设定的 土壤湿度上限值(一50kPa)放入DT4，下限值(一60 kPa)放人DT2，同时当土壤缺水或适宜时，相应的 指示灯亮，所对应的拔节一抽穗期自动灌溉程序见 图4。 3 结语 本文以CAOC可编程序控制器为核心来构建节 水灌溉控制系统，系统具有手动设定功能，能根据用 户要求设定对某一灌区的灌水时间；系统还具有全 图4自动灌溉模式梯形图 自动灌溉功能，能根据土壤湿度传感器得到的土壤 湿度信号与土壤的最佳湿度值对比，自动做出灌溉 计划；系统采用Y／△变换启动水泵电机来减少启动 电流，减轻对电网形成的冲击，减小能耗。 参考文献 [1]张兵，袁寿其，成立．国内外节水灌溉自动化技术 发展现状与展望．排灌机械，2003(2)：37—41． [2]张兵．智能化节水灌溉控制系统的设计与研究[D]． 镇江：江苏大学，2003． [3]常斗南，李全利，张学武．可编程序控制器原理·应用· 试验[M]．北京：机械工业出版社，2002． [4]RenatoSilviodaFrotaRibeiro．Fuzzylogicbasedauto— matedirrigationcontrolsystemoptimizedvianeuralnet— works[A]．AdissertationpresentedforthePHI)．Theu— niversityofTennessee．America，1998：74—83． (责任编辑：刘征湛) DesignoffullautomaticirrigationcontrolsystembasedonPLC ZHANGBing，YUANShou—qi，CHENGLi，JIANGHui—feng (JiangsuUniversity，Zhenjiang212013，China) Abstract：Theapplicationofprogrammablelogiccontroller(PLC)inwater-savingirrigationcontrolsystemisin— troduced．Thesystemisdesignedwithmanualirrigationmodebywhichtheirrigationorderandtimeforvarious irrigationareasconbesetaccordingtouser’Sdemand．Thesystemisalsodesignedwithautomaticirrigation modebywhichthesoilmoisturemeasuredwithsensorisinputtedtoPLCandcomparedwiththeoptimalwater contentofsollbytheprograminPLC，thentheelectricalmotorisputintooroutofoperation，andtheelectro— magneticvalvesareopenedorclosedbasedonthecomparison．Inordertoreducethestart．upcurrentofelectrical motorofwaterpump，alleviatetheimpactonpowernetandreduceenergyconsumption，Y／Astartisadopt． Keywords：PLC；water—savingirrigation；soilmoisture；Y／Astart；trapezoiddiagram 18 万方数据 基于PLC的全自动灌溉控制系统的设计 作者： 张兵， 袁寿其， 成立， 将惠凤 作者单位： 江苏大学,江苏,镇江,212013 刊名： 广西水利水电 英文刊名： GX WATER RESOURCES & HYDROPOWER ENGINEERING 年，卷(期)： 2004(3) 被引用次数： 4次 参考文献(4条) 1.张兵.袁寿其.成立 国内外节水灌溉自动化技术发展现状与展望[期刊]-排灌机械 2003(02) 2.张兵 智能化节水灌溉控制系统的设计与研究 2003 3.常斗南.李全利.张学武 可编程序控制器原理·应用·试验 2002 4.Renato Silvio da Frota Ribeiro Fuzzy logic based automated irrigation control system optimized via neural networks 1998 引证文献(4条) 1.程文锋.杨祥龙.王立人.王华 PLC和触摸屏在自动喷灌控制器中的应用[期刊论文]-农机化研究 2009(5) 2.夏洪.林刚勇.朱兆优.徐雯 一种PLC控制的自动灌溉系统[期刊论文]-机床与液压 2007(7) 3.成立.闫巍.王振宇.张兵.施卫东 采用改进型遗传算法的农网运行优化[期刊论文]-中国农村水利水电 2006(4) 4.李凯.欧丹.吴云 智能自动灌溉系统的设计与实现[期刊论文]-现代电子技术 2010(15) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_gxslsd200403005.aspx