自动浇灌控制器

自动浇灌控制器

摘要：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。

关键词：PLC,灌溉自动控制器,开发

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［1］。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,2009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S7200PLC

作为灌溉自动控制器核心部件,通过使用湿度传感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1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S7200PLC、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,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入PLC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。

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S7200PLC、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。灌溉时间比较长,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。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(即土壤中的水分图1灌溉自动控制系统图2系统控制原理含量与田间持水

量之差)及其变化率Δe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PLC

中,PLC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Δe,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］。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Δe。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。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入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。3.3主程序设计由于PLC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MATLAB预先编制程序进行

模糊推理与模糊判决,建立离线的模糊控制查询表,在PLC编程软件Micro/win的数据区(DataBloack)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,PLC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。

4元件选择及电路设计

选用西门子S7200系列型号为

CPU222AC/DC/继电器的PLC作为控制器的核心

器件,它有8点输入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EM231,它通过总路线可直与PLC连接,无需外加接口电路,输入信号可以根据需要通过DIP开关设置选择

电压信(±2.5V)号或电流信号(0～20mA);湿度

传感器采用华旦牌FDR-3型土壤湿度传感器,工

作电压为5VDC,输出信号为0-2.5VDC,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400米;水位开关采用GSK-1B型干簧式水位开关;选用工作电压

为交流220V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。制研究。

5结束语

2009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2009年7月15日开始到2010年5月22日结束,共计工作170天(2009年10月25日到2010年4月12日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