基于PLC技术的自动化喷灌智能控制系统的设计.doc

基于PLC技术的自动化喷灌智能控制系统的设计摘要：随着科技的发展，农业物联网开始应用于农业生产中，托普仪器农业物联网就是在这种情境下应用而生，而且取得了良好的效果。浙江托普仪器有限公司和浙江大学合作积极响应科技兴农政策突出农业科技创新重点，研发出农业物联网智能控制系统通过通过射频识别（rfid）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备等新型技术将农业和互联网连接起来提大大提高了农业生产的工作效率和精细管理，避免了“瘦肉精”、 “毒辣椒粉”、“红心鸭蛋”等问题的再次发生，保证了食品的安全和产量。目前此物联系统已在全国多家科技园、示范园区、农场、科研所、院校等区域成功运行，技术稳定成熟，功能齐全。为在农业种植业、畜牧养殖业等领域的生产关键环节建立智能化控制、信息化管理的现代农业项目提供了强有力的技术支持。物联网的实施将大大提高国家推进科技创新增强农产品的步伐。农业物联网将开启农业生产腾飞的新篇章。 随着我国农业科技的发展，滴灌施肥智能化控制技术越来越引起人们的关注，成为未来优质高效设施农业的发展趋势。为此，通过市场调研，采用PLc控制技术，进行了自动化灌溉施肥系统的设计开发；通过性能测试，实验取得了较好的效果，为将PLc技术引入到灌溉施肥控制系统的后续研究提供了借鉴。关键词：PLc技术；自动化灌溉施肥系统；变频技术，托普农业物联网O 引言随着我国现代化农业的发展以及滴灌技术应用的深入，滴灌施肥智能控制技术在节水、节肥、省工、增效方面的优势得到了人们的普遍认同，成为未来优质高效设施农业的发展趋势。针对我国精密施肥装置主要依赖进口、自动化施肥装置与市场需要严重脱节的现状，本文进行了自动化施肥系统的设计开发，将PLC技术引入到灌溉施肥控制系统中。1 系统硬件设计11系统设计要求灌溉施肥系统以滴灌形式来进行全自动恒量滴灌施肥，根据用户设定的营养液浓度EC值和pH值，满足农作物不同生长阶段所需的水以及肥，适时调整水肥比例、供给量以及供给时间。本系统要求根据设定的EC值和pH值来进行恒量定比滴灌施肥。注肥比例由肥液、酸(碱)液以及灌溉水按照设定值进行在线闭环调控实现，Ec值和pH值作为反馈信号控制注肥泵和注酸泵的运转速度来控制肥液和酸液的输入。其控制参数的精度要求Ec值为±O，15mscm，pH值为±015，稳定时间在3 min以内，系统超调小于20，能以分钟为单位实现按时灌溉施肥，精度为30s【2旬J。12系统硬件设计与选型系统由电气控制、主水管路、传感器和注肥管路4部分构成。主水管路由过滤器、压力表、流量表以及阀门组成，用来获得系统所需压力和流量，保护滴灌水源和灌水器。注肥管路选用机械隔膜泵来作肥料注入设备，并配置压力表和流量计。电导率(Ec)传感器和酸碱度(pH)传感器的测量管路用细管从主水管道中旁路引出，引出点设在过滤器前。电气控制由控制器和传动机构组成，控制器选择PLC，传动机构选用交流变频调速驱动方式，实现系统预定的灌溉施肥目标。5J。自动化灌溉施肥控制系统如图l所示。 考虑系统所需LO点数，输出控制3个电磁阀和3个控制电机的中间继电器以及两个变频器使能信号控制用的中间继电器，选取具有40个LO点(2416)的Fx2N16MR一00l作为控制器。采用三菱F940GOTLwDC触摸屏，通过cOMO RS 422串口与PLC进行通信。系统中流量、电导率和pH值传感器，它们的信都是模拟量，须进行模数转换才能使PLC接收。系统所用的模拟输入输出单元为FX2N一5A。变频凋速器选用台达公司的VFD007M46A，460V075kW型交流马达驱动器，设定420mA电流信号控制方式。肥料和酸液注入泵选择上海欣泉公司DBY10型电动隔膜泵，流量范围05m3h，吸程3m，扬程30m，电机功率1 450rmi栅55kw。EC和pH传感器选择浙江托普仪器的TZS-ZC-I型电导仪和PH2202 PH仪6。2系统软件设计系统程序的编制包括PLc程序设计和可编程显示器程序设计。系统主程序流程图如图2所示。比例灌溉施肥程序是系统控制器的实现部分，如图3所示。其中，营养液的表征参数电导率(Ec值)的控制，采用开环阶跃响应环节来检测肥液的静态增益K，将K作为智能PID控制器的自适应因子。针对pH控制中酸液浓度配制可保持恒定，本文设计开环阶跃控制先行的PID控制器，其中的自辨识结构判断注酸管道是否充满管道、配合开环控制时间，通过对检测值PV与初始值PV(0)的差E来控制开关Sw，从而完成进行PID控制和阶跃控制两个控制模式的切换¨J。触摸屏编辑软件SwOPCFxDUwINCL提供了多种控制器件、图形控件及功能组件可实现显示与控制功能，画面由参数设置界面、操作控制界面和生产管理界面等组成，对PLC中的实时数据进行显示、存储和处理。三菱Fx2N16MROOl型PLC可在其编程软件SwOPCFxGPwINC的运行环境中用梯形图或语句表编程。3 系统的安装与性能测试完成了系统设备的设计选型后，需进行系统的机械总装和电器的安装与调试，可采用机械部分和电气部分物理结构独立的设计方法同时进行。系统装配调试好后，本文进行了营养液Ec值和pH值的控制性能测试，如图4所示。结果表明，EC值的稳定时间在3min之内，精度达到0.15ms/cm，起调量小于20%，PH值的稳定时间3分钟左右，精度在0.15PH，起调量小于20%，基本满足要求。4结论本文通过市场调研，分析了泵人式注肥系统的功能需求，进行了自动化灌溉施肥系统的软硬件设计以及选型，完成了控制系统的安装与性能测试，取得较好的效果，为将PLC技术引入到灌溉施肥控制系统的后续研究提供了硬软件平台。参考文献：1 李富先，吕新，潘冬梅棉花膜下滴灌比例混合变量施肥装置的研发与应用J节水灌溉，2007(2)：22242 于英杰，张书慧，齐江涛，等基于ARM的变量施肥控制系统的研究J农机化研究，2008(1)：47503 王晓健单片机模糊控制节水灌溉系统设计J安徽农业科学，20lO(1)：365366，422