基于PLC技术的棉田智能滴灌控制系统--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

基于PLC技术的棉田智能滴灌控制系统

发表时间：2020/11/4 来源：《基层建设》2020年第21期作者：刘淑荣王贺光张霄郭联峰张万耕

[导读] 摘要：新疆作为我国的三大产棉区之一，日照充足，光热资源丰富，昼夜温差大，空气湿度小，这些都有利于棉花的生产。

        长春工程学院电气与信息学院长春 130012
        摘要：新疆作为我国的三大产棉区之一，日照充足，光热资源丰富，昼夜温差大，空气湿度小，这些都有利于棉花的生产。本文以新疆北部农六师生产建设兵团棉田生产基地为实例，依据基地现有滴灌管道系统，采用PLC为核心，通过传感器自动检测土壤水分，并据此确定供水时间、供水量等灌溉参数，实现能够按时、适量、按需自动调节棉田滴灌的智能灌溉控制。
        关键词：新疆棉田；PLC；滴灌；智能灌溉
        0引言
        新疆作为我国的三大产棉区之一，日照充足，光热资源丰富，昼夜温差大，空气湿度小，这些都有利于棉花的生产。据调研得知，2019年，新疆棉花播种面积3810.75万亩，较2018年增长2％，占全国种植面积的76%。棉花单产为131公斤/亩，高于全国单产平均值13.7公斤/亩，新疆棉花总产、单产、种植面积、商品调拨量连续25年位居全国第一[1]。虽说新疆光照充足，但地处严重干旱地区，由于日益加重的水资源情况，因此，灌溉效率尤为重要。市面上传统的棉田灌溉系统基于手工控制，十分耗费人力财力，且效率不高。还有一部分系统基于单片机控制，其优点是经济实惠，成本相对较低，但用单片机制作的主控板受制版工艺、布局结构、器件质量等因素的影响导致抗干扰能力差，故障率高，不易扩展，对环境依赖性强，开发周期长。一个采用单片机制作的主控板不经过很长时间的实际验证很难形成一个真正的产品。
        基于PLC控制的滴灌系统，因PLC自身的抗干扰能力强，故障率低，易于设备的扩展，便于维护，开发周期短等优点，近年来在恶劣的生产环境中得到广泛的应用。基于新疆的自然环境和地理特点，相比于其他控制技术，以PLC为控制核心的滴灌系统，尤其适用于新疆的干旱与强风等恶劣天气条件，更适用于在生产生活中的长期应用。本文采用以PLC为核心的智能灌溉系统，通过传感器自动检测土壤水分，并据此确定供水时间、供水量等灌溉参数，实现按时、适量、按需控制，做到小水勤灌，减少无效的棵间蒸发，相对节省水35-75%，使作物根区能够保持着最佳供水状态和供肥状态，充分实现了自动调节棉田滴灌的智能灌溉控制。
        1 智能滴溉系统整体设计
        1.1系统的组成
        本文设计的智能滴溉系统由水源工程、首部枢纽、输配水管网和灌水器四部分组成，如图1。
        其中：
        水源工程：为系统提供满足灌溉要求，具有一定水质清洁度和酸碱度的水源。
        （1）水源清洁，须经过严格的过滤、净化处理。
        （2）滴灌水质的pH值一般应在5.5-8之间，含铁不应大于0.4mg ∕ kg，总硫化物含量不应大于0.2mg ∕ kg。
        首部枢纽：首部枢纽是整个滴灌系统的控制中心，由PLC控制器、施肥罐、过滤器、控制阀等组成。
        （1）施肥装置是向灌溉系统注入可溶性肥料。
        （2）过滤器是将灌溉水的杂质滤掉。
        输配水管网：输水管配网将首部枢纽处理过的水，按要求输送、分配到每个灌水源和灌水器，包括干管、支管、毛管等三级管道及相应的三通、直通、弯头等部件。
        灌水器：灌水器即滴灌管是滴灌系统的核心部件，水流在这里通过减压变为水滴，直接施入土壤，并在土壤中向四周扩散。

        图1 工艺流程图
        1.2系统的控制方式
        系统控制方式分为手动灌溉模式和自动灌溉模式。
        手动灌溉模式是按照经验，当需要灌溉时，各区域按照设定的灌溉时间，启动灌溉，灌溉定时到，自动停止灌溉。
        自动灌溉模式是通过上位机设定开始灌溉时间和结束灌溉时间，以及启动灌溉湿度值和停止灌溉湿度值，根据设定的参数自动进行灌溉。系统具有状态显示，当湿度在正常范围内，土壤湿度合适指示灯显示；当土壤湿度过高，水分过多指示灯显示；当土壤湿度过低，缺水指示灯显示，同时系统具有过载、短路、急停等多种保护。
        1.3系统设计[3 4]
        本系统以PLC为控制核心，由按键控制系统启动运行，通过触摸屏实现灌溉参数的设定和修改，由温湿度及压力检测器实现温湿度及压力变化的实时采集及信息传递，综合灌溉参数的设定在PLC内部进行综合处理，最后由滴灌装置对棉田进行滴灌，同时，系统由报警装置对土壤水分进行实时监测报警以及通过触摸屏实时观察系统的灌溉效果以及各个设备的运行状态，如图2。

        图2 系统设计原理方案图
        2 系统监控界面设计
        系统监控界面即棉田智能滴灌控制系统管理软件，可以直接发出操控整个系统的指令，实时显示灌溉过程中各个检测信号的变化及各个灌溉阀门的工作情况，设计中是很重要的环节，可以说是整个灌溉系统的枢纽[5]。该监控工作界面如图 3所示。

        图3 软件工作界面
        智能灌溉系统上位机软件界面主要包括登录界面、手动控制界面、自动控制界面、状态监控界面等，这里给出部分的监控界面。工作人员可以通过相应的界面修改参数，发出控制指令，使系统启动，保证棉田灌溉的正常运行。
        3 结论
        现代高效的农业生产成为了我国农业生产的一个大趋势，农业现代化进程的加快和结构的调整要求农业灌溉趋于更加智能化，因此，随着现代科学技术的发展，如何借助现代科技的观念把握农田信息，提高科学灌溉的自动化程度，对现代农业的发展具有极其重要的意义。目前，我国为促进农业的现代化和可持续发展，正全面大力推广高效节水灌溉技术，智能滴灌模式发展前景广阔。
        本设计基于 PLC 技术，研究并设计了一种棉田智能滴溉控制系统，该系统具有设计合理、运行可靠、实用性强的优点，能够很好地满足棉田灌溉控制的要求，解决了传统灌溉水资源浪费大、灌溉不及时的问题，实现了智能灌溉的目的，希望对农业灌溉生产方面具有一定的实际应用价值。
        参考文献：
        [1] 中国农村统计年鉴.2019中国农村统计年鉴[M].北京：中国统计出版社.2019
        [2] 艾木都力•吾守尔.阿克苏某灌区节水灌溉工程设计要点分析.水利科学与寒区程[J]，2020，2，132-135.
        [3] 涂小华，张正.蔬菜大棚自动喷（滴）灌PLC控制系统的设计.江西化工[J]，2017，10，195-198
        [4] 廖常初主编.S7-1200PLC编程及应用.北京：机械工业出版社[M]，2017，5
        [5] 韩贵黎，蔡宗慧.基于PLC和物联网感应的智能灌溉节水系统设计.农机化研究[J]，2017，12，215-218
        基金项目：
        2020 年长春工程学院大学生创新创业训练计划项目，项目编号：202011437066。