基于自动控制器控制的温室自动喷灌系统设计.doc

基于自动控制器控制的温室自动喷灌系统设计摘要 介绍了1种实用的温室大棚微喷灌及自动控制系统。该系统采用LOGO!为控制器,结合微喷灌系统一些实用性设计,给中小规模温室大棚基地提供一个实用可行的自动灌溉系统方案。关键词 温室大棚;微喷灌;自动控制系统;LOGO!目前,微喷灌技术和智能控制技术在温室大棚中的应用越来越广。微喷灌为节水灌溉主要形式,它具备灌水均匀、空气湿度低、病虫害少、节省劳力等优点,但也存在着投资大、灌水器易堵的缺点,这在很大程度上影响了这项技术的推广使用。灌溉系统自动控制为温室大棚智能控制的一部分,其形式可分为基于定时器的自动控制和基于微机的智能控制。前者投资少,但功能上只具备定时功能,缺少模拟量控制及逻辑控制功能;后者功能齐全,但控制元件多,投资大,一般适用于规模较大的大棚基地。某高校的园艺实训基地建有30m×8m温室大棚10栋。其中8栋用于观叶植物栽培,因其叶面水分挥发量大,采用喷灌;2栋用于蔬菜和花卉栽培,采用微喷灌。根据实训基地教学与生产的要求,设计了自动灌溉系统,该系统也适合中小型温室大棚基地推广使用。1 系统组成自动灌溉系统由水源、首部枢纽、输配水管网、灌水器4部分组成,系统结构见图1所示。1.1 水源处理  经试验,当地井水可用于植物和农作物的浇灌,因此,系统以井水为水源,采用深井泵汲水。但井水温度太低,一般只有1921,且水质太硬,含钙量高,容易结成水垢,堵塞灌水器,不能直接用于浇灌。因此,先将井水抽取到沉淀池内进行曝气和沉淀,以提高水温及水的含氧量,沉淀泥沙及矿物质,降低水的硬度。沉淀池的容量应根据温室规模及用水量确定,保证抽入的水有24h以上的曝气时间,才能用于浇灌。沉淀池分为2个区,容量较大的区主要用于曝气与沉淀,容量较小的区用于汲水。2个区下部用水泥墙隔开,上部装设金属过滤网,曝气后的井水水温上升,上浮至上部,经过滤网进入汲水区,用于灌溉。沉淀池2个区底部均开有排污口,定期手动排污。沉淀池若长期未清洁和排污,会产生藻类浮游物,极易堵塞灌水器,可投入适量漂白粉(NaClO3),消除浮游物。1.2 首部枢纽 首部枢纽由离心泵、重力池、过滤器、控制电磁阀及相应管道组成。因微喷灌面积较小,采用重力微喷灌方式即可达到要求。离心泵由三相交流电动机驱动,将灌溉水输送至2个不同的灌溉区,微喷灌电磁阀开启,将水送至重力池,实施微喷灌;喷灌电磁阀开启,直接将水送至喷头,实施喷灌。选择离心泵流量及压力时,应考虑可满足喷灌与微喷灌同时开启。重力池是给微喷灌系统提供水源和压力的装置,其底部离地面高度应根据输配水管网长度及弯曲情况确定,一般在1.5m左右。其液面采用自动控制,可及时补充水量,因此,容量不需太大,一般在11.5m3即可。重力池可用混凝土浇铸,也可直接用大塑料桶改装而成,其出水口离底面5cm,并在底部设一排污口,用普通水龙头手动关启。重力池也可充当自动施肥施药器使用,将肥料或农药先充分溶于水,倒入重力池配成一定浓度溶液,打开微喷灌电磁阀,即可实施自动施肥施药。此过程控制系统处于手动状态,施肥施药结束后,应再通清水20min,以免肥料药液在灌水器出口处形成结晶,堵塞灌水器。在重力池后,应装设过滤器,以减少灌水器的堵塞。因水源在沉淀池内已经过沉淀与过滤,此外选择价格较低的筛网式过滤器,即可满足要求。根据不同作物灌溉要求,灌水器可选择滴头或微喷管,它们所需的水压范围大致一样,输配水管网的干管与支管间也可加设手动阀门,进行分垄浇灌,这可根据具体情况确定。2 自动控制系统LOGO!LOGO!是西门子公司开发的一种小型可编程控制器。其特点是体积小,编程简单,参数设置方便,安装与维护方便,价格便宜,并且具有较强的逻辑功能,实时时钟功能及数字量/模拟量输入输出功能。2.1 选型及硬件接线图 LOGO!型号有多种,根据温室大棚的控制要求,笔者选用230RC型,其具有面板输入及显示功能,方便编程,有8个输入点、4个输出点,每个输出点电压为115240V(DC/AC),电流可达10A,可直接联接电磁阀线圈。确定输出输入电压均为交流220V,所用器件可方便购买到。其硬件接线图见图2。各输入输出单元分配见表1。   KM2是离心泵电机主接触器,其由KA1或KA2中间继电器接通,只要Y1或Y2一个得电,KM2即得电,启动离心泵运行。2.2 软件原理(图3)2.3 控制特点(1)手动与自动控制转换。根据控制要求,设置手动与自动2种控制模式,由转换开关SA设定。SA闭合时为自动模式,断开时为手动模式。手动模式时,控制按钮SB2、SB3通过RS触发器模块B08、B12同时起开启和关闭电磁阀的作用,可节省控制元件。(2)定时与延时控制。在自动控制模式下,利用LOGO!内置定时模块实现灌溉的时间和时长自动控制。B10与B15为定时模块,可设定灌溉开始时间与时长,如B10设定第1次微喷灌开启时间为10:00,结束时间为10:30,时长30min。每个定时模块可设定3个时间段,并可根据月份、星期设定不同的时间段。  (3)沉淀池和重力池液面控制。通过上浮子开关S2、S3,下浮子开关S1、S4,可实现2个池液面的自动控制。液面在S1、S4下方时,通过反相器B01、B03,将S1、S4断开信号转换为高电平,驱动深井汞或离心泵起动供水;液面达S2、S3处时,通过置位复位模块切断水泵电机电源,停止供水。重力池液面也可采用手动控制。3 总结该系统经1年多的使用,稳定可靠,操作方便,很适合中、小规模的大棚基地使用。其优点有以下几方面:  (1)投资少,经济实用。该系统在满足灌溉要求的条件下,简化了首部枢纽、输配水管网的设置,减少了阀门管道的数量,并且用重力池代替施肥器可节省投资,有利于节水灌溉的推广。同时LOGO!也较其他控制器更具功能强、扩展容易的优点,有较高的性价比。(2)有效减少灌水器堵塞。灌水器堵塞是微喷灌系统中常发生且较难解决的问题,发生堵塞后,滴头和滴管往往会报废,造成一定的经济损失。该系统采用沉淀池处理水源,并用2道过滤装置,大大减少了灌水器堵塞现象。(3)自动控制系统操作方便,设置调整简单。系统设置手动与自动2种控制模式,即有一定的智能性,又有很好的随机性。采用LOGO!为控制器,对电源要求不高,但工作稳定性高,且有面板输入功能,可根据灌溉作物、季节、气候不同,随时调整灌溉时间与时长,操作方便。(4)在控制对象及控制功能上具备扩展能力。LOGO!为一种积木式控制器,可在基本模块上增加扩展模块,如大棚数量增加,只要增加扩展模块,扩充控制点数即可,而不需更换控制器。增加模拟量模块,可增加其控制功能,如大棚温度控制,可通过测温传感器与模拟量模块联接,控制喷雾冷却系统或加热系统工作,达到控温目的。附录托普物联网简介托普物联网是浙江托普仪器有限公司旗下的重要项目。浙江托普仪器是国内领先的农业仪器研发生产商，依据自身在农业领域的研发实力，和自主研发的配套设备，在农业物联网领域崭露头角！托普物联网以客户需求为源头，结合现代农业科技、通信技术、计算机技术、GIS信息技术，以及物联网技术，竭诚为传统行业提供信息化、智能化的产品与端到端的解决方案。主要有：大田种植智能解决方案、畜牧养殖管理解决方案、食品安全溯源解决方案、食用菌种植智能化管理解决方案、水产养殖管理解决方案、温室大棚智能控制解决方案等。托普物联网三大系统产品我们知道物联网主要包括三大层次，即感知层、传输层和应用层。因此托普物联网产品主要以这三个层次延伸，涵盖了感知系统（环境监测传感设备）、传输系统（数据传输处理网络）、应用系统（终端智能控制平台。）托普物联网模块化智能集成系统托普物联网依据自身研发优势，开发了多种模块化智能集成系统。1、传感模块：即环境传感监测系统。它依据各类传感设备可以完成整个园区或完成对异地园区所需数据监测的功能。2、终端模块：即终端智能控制系统。它可以完成整个园区或远程控制异地园区进行自动灌溉、自动降温、自动开启风机，自动补光及遮阳，自动卷帘，自动开窗关窗，自动液体肥料施肥、自动喷药等各类农业生产所需的自动控制。3、视频监控模块：即实时视频监控系统。主要是通过监控中心实时得到植物生长信息，在监控中心或异地互联网上既可随时看到作物的实时生长状况。4、预警模块：即远程植保预警系统。可以通过声光报警、短信报警、语音报警等方式进行预警。5、溯源模块：即农产品安全溯源系统。该系统对农产品从种植准备阶段、种植和培育阶段、生长阶段、收获阶段等对作物生长环境、喷药施肥情况、病虫害状况等实施实时信息自动记录，有据可查，在储藏、运输、销售阶段采用二维码或者RFID射频技术对各个阶段数据记录，这样就能实现消费者拿到农产品时通过终端设备或网络就能查看到各类信息，才能放心食用。6、作业模块：即中央控制室。可通过总控室对整个区域情况进行监测，包括各个区域采集点参数、控制作业状态、实时视频图像、施肥喷药状况、报警信息等。4 参考文献1 吴晓梅.PLC在智能浇花机械臂控制系统中的应用J.机电一体化,2003,(2):81-83.2 叶盛,鲍一丹.温室环境远程测控与数据远程采集系统研究J.浙江大学学报(农业与生命科学版),2003,29(2):181-184.