CN107852933A - 一种基于plc的模糊灌溉控制系统及其灌溉方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PLC的模糊灌溉控制系统及其灌溉方法，包括PLC控制器、供电模块、传感器模块和光伏水泵，其中，所述传感器模块与所述PLC控制器连接，所述供电模块为所述PLC控制器以及所述光伏水泵供电，所述PLC控制器的输出端通过电磁阀连接所述光伏水泵，所述电磁阀连接模糊PID控制器用以控制所述电磁阀开度进行灌溉。以可编程控制器PLC作为控制核心，采用模糊控制技术实现对作物灌溉进行控制，以降低系统成本，提高灌溉生产效益，稳定性高，抗干扰能力强，使用年限长。

Description

一种基于PLC的模糊灌溉控制系统及其灌溉方法

【技术领域】

本发明属于自动灌溉技术领域，具体涉及一种基于PLC的模糊灌溉控制系统及其灌溉方法。

【背景技术】

目前，我国农田灌溉大多使用水泵等设备进行排灌或者喷灌。在作物的温室栽培中，采用无控制的滴灌。在上述灌溉方法中，大都需要人工操作，或者通过定时的方法来控制开关水阀，可能会造成浇水不及时而导致作物干旱，又或者是浇水过多造成水资源的大量浪费。并且农业灌溉的水泵功率较大，需要提供电力能源，通常情况下，我国广大农村需要灌溉的地域距离农电网较远，需要搭建专线，或者采用柴油发电等方式，不仅麻烦且消耗大量的电力资源，又或者使用蓄电池进行动力传输，而蓄电池蓄电成本较高，且几年就需要更换一次。

我国有着丰富的太阳能资源，利用这些丰富的太阳能资源与有限的水资源相结合，开展节水灌溉，是我国经济、社会、生态可持续发展的一条有效途径。国内将光伏供电技术与节水灌溉技术相结合知识领域相对比较薄弱，我国的研究领域仍然停留在小范围、小规模的温室。与节水发达国家相比，缺乏配套的硬件设备以及先进的管理控制技术，灌溉技术也存在着多方面的问题。因此，要想促进我国农业发展，提高水资源的高利用率，实现农业自动化，就必须更进一步的研制出适合我国国情的智能化灌溉控制系统，以及合理的灌溉控制方法，以解决水资源及其能源问题。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于PLC的模糊灌溉控制系统及其灌溉方法，以解决现有技术中灌溉系统智能化不高以及偏远地区灌溉所需供电的技术问题。

本发明采用以下技术方案：

一种基于PLC的模糊灌溉控制系统，包括PLC控制器、供电模块、传感器模块和光伏水泵，其中，所述传感器模块与所述PLC控制器连接，所述供电模块为所述PLC控制器以及所述光伏水泵供电，所述PLC控制器的输出端通过电磁阀连接所述光伏水泵，所述电磁阀连接模糊PID控制器用以控制所述电磁阀开度进行灌溉。

进一步的，所述传感器模块包括土壤湿度传感器、水位传感器以及阀门开度传感器，所述土壤湿度传感器、水位传感器以及阀门开度传感器通过A/D模块与所述PLC控制器连接，用于将所述土壤湿度传感器检测的土壤湿度信息、水位传感器检测的蓄水池的水位信息以及阀门开度传感器检测的电磁阀开度信息传输给所述PLC控制器。

进一步的，所述湿度传感器为HA2001型频域反射仪。

进一步的，所述电磁阀还连接有自动施肥模块，用于按照设定的营养液浓度EC值和pH值来进行恒量定比滴灌施肥。

进一步的，所述自动施肥模块包括注肥泵和注酸泵，所述电磁阀与所述注肥泵和注酸泵连接，所述注肥泵和注酸泵经过过滤器与所述光伏水泵连接，用于自动灌溉施肥。

进一步的，所述过滤器上设置有EC/pH测量仪用于测量肥料的EC值和pH值，所述EC/pH测量仪通过A/D模块与所述PLC控制器连接，用于控制肥液和酸液的输入。

进一步的，所述PLC控制器与所述电磁阀之间设置有光电耦合，用于电气隔离。

进一步的，所述PLC控制器通过无线数传模块连接上位机用于远程监控。

进一步的，所述供电模块包括太阳能电池板以及与所述太阳能电池板连接的蓄电池。

本发明还提供一种基于PLC的模糊灌溉控制系统的灌溉方法，包括以下步骤：

S1：根据所述土壤湿度传感器检测的土壤湿度信息，判断是否需要浇水；

S2：根据水位传感器检测的蓄水池的水位信息，当蓄水池的水位低于最低水位时，报警提示，并打开进水阀，由光伏水泵抽取地下水送入蓄水池中；当所述蓄水池的水位高于最高水位时，光伏水泵停止抽水；

S3：根据灌溉需求，利用模糊PID控制器来控制出水阀的电磁阀开度，进行灌溉；

S4：关闭出水阀，停止灌溉。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明利用PLC控制器来控制灌溉系统，由模糊PID控制器来控制所述电磁阀的开度，将所述阀门开度传感器的信号输入到模糊PIC控制器中，能更精准地控制灌溉量，大大提高了灌溉系统的智能化，实现了智能节水灌溉，提高系统响应速度，减少反应时间。

进一步的，HA2001型频域反射仪具有简便安全、快速准确、定点连续、自动化、宽量程、少标定，测量精度高，性能可靠，确保正常工作，操作及维护简单。

进一步的，本系统还连接自动化施肥控制系统，以滴灌形式来进行全自动恒量滴灌施肥，要求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及肥，适时调整水肥比例、供给量及供给时间，以达到优质高产的目的。

进一步的，设置光电耦合用于电气隔离，提高系统抗干扰能力强。

进一步的，可分为远程模式与现场模式，既可以通过上位机对太阳能自动灌溉系统进行操作控制，又可以切换至现场模式，在现场直接控制所有的阀门和电机，以便于系统的调试、检修与维护。

本发明还提供利用一种基于PLC的模糊灌溉控制系统的灌溉方法，利用光伏供电模块为灌溉系统提供电能，既解决了在灌溉地区进行灌溉所需的能源问题，又具有很好的节能减排效应，且保护了生态环境。

综上所述，以可编程控制器PLC作为控制核心，采用模糊控制技术实现对作物灌溉进行控制，以降低系统成本，提高灌溉生产效益，稳定性高，抗干扰能力强，使用年限长。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

【附图说明】

图1为本发明系统图；

图2为本发明PID控制器原理图。

【具体实施方式】

本发明中PLC作为整个控制系统的底层单元，对整个控制系统的数据采集和处理具有重要作用，它完成土壤湿度数据的采集，将所采集到的土壤湿度数据经过A/D转换模块进行转换，将所转换的数据利用模糊控制技术进行处理，将输出信号给电磁阀模块，以实现自动灌溉的目的。同时上位机模块实时监控PLC的内部数据。

一种基于PLC的模糊灌溉控制系统的灌溉方法，包括以下步骤：

S1：根据所述土壤湿度传感器检测的土壤湿度信息，判断是否需要浇水；

S2：根据水位传感器检测的蓄水池的水位信息，当蓄水池的水位低于最低水位时，报警提示，并打开进水阀，由光伏水泵抽取地下水送入蓄水池中；当所述蓄水池的水位高于最高水位时，光伏水泵停止抽水；

S3：根据灌溉需求，利用模糊PID控制器来控制出水阀的电磁阀开度，进行灌溉；

S4：关闭出水阀，停止灌溉。

请参阅图1所示，本发明公开了一种基于PLC的模糊灌溉控制系统，包括PLC控制器、供电模块、传感器模块和光伏水泵，其中，所述传感器模块与所述PLC控制器连接，所述供电模块为所述PLC控制器以及所述光伏水泵供电，所述PLC控制器的输出端通过电磁阀连接所述光伏水泵，所述电磁阀连接模糊PID控制器用以控制所述电磁阀开度进行灌溉。

其中，所述传感器模块包括土壤湿度传感器、水位传感器以及阀门开度传感器，所述土壤湿度传感器、水位传感器以及阀门开度传感器通过A/D模块与所述PLC控制器连接，用于将所述土壤湿度传感器检测的土壤湿度信息、水位传感器检测的蓄池的水位信息以及阀门开度传感器检测的电磁阀开度信息传输给所述PLC控制器。

所述PLC控制器与所述电磁阀之间设置有光电耦合，用于电气隔离。所述PLC控制器通过无线数传模块连接上位机用于远程监控。所述供电模块包括太阳能电池板以及与所述太阳能电池板连接的蓄电池。

确定模糊控制器的输入、输出变量：

在灌溉控制系统中，把田间持水量作为灌溉临界点。根据人工灌溉定额的经验,以过度供水、充分供水、适度缺水、水分亏缺、严重水分亏缺作为供水的判断机制。过度的水分亏缺对植物生长有严重的抑制作用，而适度水分亏缺可增强植株和树体渗透调节机能,限制体内养分和能量的过度消耗，增强生长潜势，并提高水分利用效率。请参阅图2所示，在本控制系统中采用二维模糊控制器做温室灌溉系统的控制，以土壤湿度偏差和湿度偏差变化率作为灌溉模糊控制器的两个输入变量。土壤湿度偏差是由系统实时釆集的土壤湿度和作物的最适宜土壤湿度比较得到的。用土壤湿度偏差和前一个湿度采样值偏差作差，再除以系统采样周期，得到土壤湿度的偏差变化率。考虑到温室灌溉的实际情况和控制精度，土壤相对湿度上下限分别为85％和75％，最适宜土壤湿度取中间值80％，而土壤湿度传感器测得的值大多为容积含水量，土壤容积含水量和相对含水量关系为：容积含水量＝田间持水量×相对含水量×土壤容重。

所述电磁阀还连接有自动施肥模块，用于按照设定的营养液浓度EC值和pH值来进行恒量定比滴灌施肥。所述自动施肥模块包括注肥泵和注酸泵，所述电磁阀与所述注肥泵和注酸泵连接，所述注肥泵和注酸泵经过过滤器与所述光伏水泵连接，用于自动灌溉施肥。所述过滤器上设置有EC/pH测量仪用于测量肥料的EC值和pH值，所述EC/pH测量仪通过A/D模块与所述PLC控制器连接，用于控制肥液和酸液的输入。

自动化施肥装置具体需要满足的主要功能如下：

(1)设定功能：EC值、pH值、施肥时间、开始灌溉的时间、灌溉的时间间隔时间设定；

(2)定时控制：加酸、肥液的送液、停液进行定时控制；

(3)测试功能：实现实时检测EC值、pH值，以及水流量、肥流量；

(4)在线调控：实时调控EC值、pH值，提供作物适宜的营养液；

(5)手动控制：可以手动实现独立灌溉施肥；

(6)显示功能：实时显示当前测得的EC值、pH值，可以查询开始灌溉的时间、灌溉的时间间隔、当前系统时间和已灌溉时间。

本控制系统要求根据用户设定的营养液浓度EC值和pH值来进行恒量定比滴灌施肥，以满足农作物不同生长阶段适时调整水肥比例、供给量及供给时间，以达到优质高产的目的。注肥比例是由肥液、酸(或碱)液以及灌溉水按照设定值进行在线闭环调控实现的，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。系统的控制参数是EC值和pH值，精度要求EC值为±0.15mS/cm，pH值为±0.15pH，稳定时间3分钟以内，系统超调小于15％。自动灌溉施肥能够做到自动灌溉同步，能以分钟为单位实现按时灌溉施肥，控制参数为时间，控制精度为10秒。

混合好的营养液通过EC、pH传感器测量放大后经变送器输出4～20mA的电流信号给AD电路转换为数字信号，PLC控制器将其与设定值SV相比较，PLC控制器根据偏差值e经过处理运算后将控制信号经由DA模块转换为4～20mA信号，传递给变频调速器，由变频器控制交流电动机的转速n，从而实现营养液EC值和pH值恒定控制。

优选的，湿度传感器为HA2001型频域反射仪，所述PLC控制模块采用西门子S7-200系列，所述太阳能电池板采用SHP200W-1P电池板组件，采用雨鸟PGA系列的电磁阀，所述光伏水泵采用SHP0.7/30-24型号的光伏水泵。

变频器选型采用西门子MM3117型号变频器，西门子MM3117变频器一款高性能的通用变频器。它有一个模拟量输入端，五个数字量输入端，同时具备一个模拟量输出和多个继电器输出端口，通信接口采用RS485与上位机相连接。具有十分强大的过载能力，当电流过载1.4倍时，可以持续3s；当过载能力为140％额定负载电流时，持续时间为3秒，当过载电流为1.1倍时，持续时间为60秒；同时变频器还具有过热、过压、欠压等保护功能。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于PLC的模糊灌溉控制系统，其特征在于：包括PLC控制器、供电模块、传感器模块和光伏水泵，其中，所述传感器模块与所述PLC控制器连接，所述供电模块为所述PLC控制器以及所述光伏水泵供电，所述PLC控制器的输出端通过电磁阀连接所述光伏水泵，所述电磁阀连接模糊PID控制器用以控制所述电磁阀开度进行灌溉。

2.根据权利要求1所述的一种基于PLC的模糊灌溉控制系统，其特征在于：所述传感器模块包括土壤湿度传感器、水位传感器以及阀门开度传感器，所述土壤湿度传感器、水位传感器以及阀门开度传感器通过A/D模块与所述PLC控制器连接，用于将所述土壤湿度传感器检测的土壤湿度信息、水位传感器检测的蓄水池的水位信息以及阀门开度传感器检测的电磁阀开度信息传输给所述PLC控制器。

3.根据权利要求2所述的一种基于PLC的模糊灌溉控制系统，其特征在于，所述湿度传感器为HA2001型频域反射仪。

4.根据权利要求1所述的一种基于PLC的模糊灌溉控制系统，其特征在于，所述电磁阀还连接有自动施肥模块，用于按照设定的营养液浓度EC值和pH值来进行恒量定比滴灌施肥。

5.根据权利要求4所述的一种基于PLC的模糊灌溉控制系统，其特征在于：所述自动施肥模块包括注肥泵和注酸泵，所述电磁阀与所述注肥泵和注酸泵连接，所述注肥泵和注酸泵经过过滤器与所述光伏水泵连接，用于自动灌溉施肥。

6.根据权利要求5所述的一种基于PLC的模糊灌溉控制系统，其特征在于：所述过滤器上设置有EC/pH测量仪用于测量肥料的EC值和pH值，所述EC/pH测量仪通过A/D模块与所述PLC控制器连接，用于控制肥液和酸液的输入。

7.根据权利要求1所述的一种基于PLC的模糊灌溉控制系统，其特征在于：所述PLC控制器与所述电磁阀之间设置有光电耦合，用于电气隔离。

8.根据权利要求1所述的一种基于PLC的模糊灌溉控制系统，其特征在于：所述PLC控制器通过无线数传模块连接上位机用于远程监控。

9.根据权利要求1所述的一种基于PLC的模糊灌溉控制系统，其特征在于：所述供电模块包括太阳能电池板以及与所述太阳能电池板连接的蓄电池。

10.一种基于PLC的模糊灌溉控制系统的灌溉方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据所述土壤湿度传感器检测的土壤湿度信息，判断是否需要浇水；

S2：根据水位传感器检测的蓄水池的水位信息，当蓄水池的水位低于最低水位时，报警提示，并打开进水阀，由光伏水泵抽取地下水送入蓄水池中；当所述蓄水池的水位高于最高水位时，光伏水泵停止抽水；

S3：根据灌溉需求，利用模糊PID控制器来控制出水阀的电磁阀开度，进行灌溉；

S4：关闭出水阀，停止灌溉。