基于PLC草坪自动喷灌系统设计.pdf

第 5 1卷第 8期 2 0 1 5年 8月 甘 肃 水 利 水 电 技 术 GAN S U WAT E R l I ES OU RC E S A ND HYD ROP OWER T E CHN 0L OGY Vo 1 ． 5 1 ． No ． 8 Aug ． ， 2 01 5 设计与研究 基于 P L C草坪 自动喷灌系统设计 蒋晓 云 甘 兰水利水电建筑设计院， 甘肃 兰州 7 3 0 3 0 0 摘要 我国节水灌溉技术研究起步较晚， 草坪灌溉的技术上大多以地面漫灌作为主要灌水方法， 或者通过进水阀门 进 行控制灌溉 ， 这 些灌溉 方法对 于改 变土壤 湿度 方 面能达 到理 想效果 ， 但 对草坪 小气候环境 的影响不 大， 对 于水资 源的浪费也十分严重， 而且灌溉时需要人员长时间值守， 灌溉水利用率较低。本文研究基于西门子 s 7 2 0 0 P L C为核 心控制器的 自动化喷灌系统， 通过布设的 自动气象站和埋设在土壤中的湿度传感器采集示范区草坪的墒情信息， 运 用彭曼公式以手动、 自动两种控制方式实现草坪喷灌的精确控制， 为草坪提供一个理想的生长环境， 给草坪节水灌 溉 自动控 制研 究提 供一种的可借鉴模式。 关键词 草坪； 喷灌； P L C； 自动控制 中图分类号 2 7 5 ． 5 文献标志码 B 文章编号 2 0 9 5 0 1 4 4 2 0 1 5 0 8 0 0 3 6 0 5 1 前言 草坪是指草本作物通过人工栽培或者修剪后形 成 的具有美化环境作用与和观赏作用的坪状草地。 草坪覆盖 的土地 ， 可以营造一个 良好的人与 自然和 谐共处的环境 ， 改善城市空气质量 ， 减少浮尘 ， 防止 水土流失 。近年来 ， 兰州市草坪种植面积不断的扩 张， 其规模和范围每年都在扩大， 草坪的规模化发展 对兰州市城市化进程起了很大推动作用。然而草坪 对土壤水分 的变化及其敏感 ， 土壤含水量过多、 过少 都会对草坪 的正常生长产生影响 ，甚至导致枯萎 。 中国是一个人 口大 国、 农业大 国、 也是水资源大 国， 水资源分布南北不均⋯， 兰州市地处西北地区 ， 水资 源及其匮乏 ， 草坪灌水相对频繁。 在进行灌溉过程中 存在很大程度的水资源浪费问题 ， 供水需求矛盾突 出。美国、 1 3 本 、 德 国、 以色列 等国开发了一系列用 途广泛 、 功能完善的 自动控制灌溉设备l 2 ] 。 我国在 自 动灌水器 的研发过程 中起步较迟 ． 一些设备还处于 研 发 、 试 用 阶段 ， 较发 达 国家 相 比有一 定 的差距 ] 。 随着水资源 的 日趋短缺及信息技术 的高速发展 ． 开 发具有 自主知识产权的节水灌溉控制系统不仅具有 巨大的经济效益 ． 而且具有广阔的市场前景 5 。 本 文 以西 门子 公 司 生 产 的 S 7 2 0 0 P L C为 核 心 控制器 ， 开发了一套 自动控制喷灌系统 ， 所开发的控 制系统可以通过手动设置每一个灌 区的时间和灌水 量 ， 如果 需 要施 肥 ， 可 以设 置施 肥 时间 和施肥 量 。草 坪墒情 信 息采集 系 统是通 过 埋设在 草 坪土壤 中的水 分传感器和布设 于草坪上 的自动气象站．在预设 的 采样周期 内将采集的信息传递至中央控制器 ，达到 无人值守的操作 目的[ 8 - 9 ] 。系统构成 根据草坪灌溉 要求 ， 选择了以下的硬件作为控制核心 ． 西门子 P L C C P U 2 2 4 X P 、模 拟 量 输 入输 出 E M2 3 5扩 展模 块 、 P C机、 自动控制柜 、 土壤温湿度传感器 、 自动气象站 等 ， 灌溉部分主要 由电磁 阀、 施肥器 、 过滤器 、 喷头等 组成 。草坪 自动喷灌系统结构见图 1 。 张力计 报警器 图 1 系统结构示意图 2基 本 设计 2 ． 1 示 范 区介绍 草坪 自动控制喷灌示范区位于兰州安 宁区， 示 范区 占地面积 4亩 ， 分 4个灌水小区。该区属于中 温带 气候 区， 内陆性 气候特 征明显 ， 四季分 明 ， 光 照 充 足 。 气 候 干 燥 ， 年 降 水 量 3 4 9 ． 9 mm， 年 蒸 发 量 1 6 6 4 mm， 年平均气温 8 ． 9℃， 年 13照 2 4 7 6 ． 4 h， 无 收稿 日期 2 0 1 5 ～ 0 6 0 2 作者简介 蒋晓云 1 9 7 6 一 ， 女， 甘肃甘谷人 ， 工程师， 主要从事水利水电工程设计。E ma i l 4 1 4 7 0 1 3 1 3 q q ． c o m 3 6 第 8期 蒋 晓云 基于 P L C草坪 自动 喷灌 系统设计 第 5 1 卷 霜期 1 7 1 d 。主要 自然 灾害 有 、 和风 灾 。 2 ． 2土壤墒情采集系统设计 草坪墒情信息采集系统主要采集土壤的水分 、 土壤温度 、 大气温 、 风速 、 风 向、 雨量信息 。由于草坪 根系区主要分布在 2 0 C B处 ，而且土壤水分是影 响 草坪 的 主要 因素 ．选 用 D B T 一 1型土壤 水 分传 感 器 ， 该传感器稳定可靠 ， 寿命长 ， 具有很高的抗干扰能 力 ，适合草坪灯范围较大土壤监测系统使用。主要 参数为 工作 电压 5 一 l 2 V， 测量精度 3 ％； 测量 主频 1 0 0 Mh z ； 输出信号为 0 5 V； 测量稳定时间 2 s ； 响应 时间小于 1 s ； 电缆长 3 IT I 。 自动气象站气象 自动监测 系统选用生产 的产 品， 该测站可测量雨量 、 风向、 风速 、 温度 、 大气压力 、 湿度等常规气象要素 ， 也可根据用户需求定制其 它 测量要素。具有性能稳定 ， 检测精度高， 无人值守等 特 点 ， 风 速 范 围 0 ～ 3 O ． 0 m ／ s ， - 0 ． 2 m ／ s ； 温 度范 围一 4 O ～ 7 O℃ ， 误 差 为 0 - 3℃ 湿 度 范 围 l ％～ 9 9 ％， 误 差 为 2 ％； 大气压范围 3 0 0 ～ l 1 0 0h P a ， 误差为 ． 0 3 h P a ； 雨量计精度 0 ． 5 mm； 测量精度高 。 无须人工参与。 2 ． 3控 制 程序 设计 为实现 自动化喷灌的控制 目标 ， 选用性能较为 可 靠 的控制器 。西 门子 P L C P r o g r a m ma b l e L o g i c C o n t r o l l e r ， 简称可编程逻辑控制器 ， 是德 国西门子 公 司开发的一款逻辑控制器 ， 它具有强大的编程能 力 ， 扩展性 良好 ， 价格也相对低廉 ， 是一种理想的小 型工业 自动化控制设备 。 S 7 2 0 0集成 了一定数字的 I ／ O接 口的 C P U， 分为 4种类型 ， 分别为 2 2 1型 、 2 2 2 型 、 2 2 4型 、 2 2 6型以及数字量 、 模拟量扩展模块和一 些特殊功能模块 。经综合考虑 ， 由于 自动喷灌系统 被控对象不多， 所以控制器硬件线路较为简单 ， 触摸 屏 的使用更是减少 了 P L C输入点的 占用 ， 也大大简 化 了硬件线路。整个系统 1 0点 占用了 2 4个 ， l 4个 输 入 点 、 1 0个输 出点 。 本 系统选 用 2 2 4型 C P U， 该 型 号 I O点 占用了 2 4个 ． 1 4个输人点 、 1 O个输出点 ． 用 户 程 序 区 内存 8 k B． 存 储 区 5 k B． 模 拟 量输 入输 出 点 为 3 2 ／ 3 2．允许最大扩展模块 和智能模块都 为 7 块 ， 有 内置时钟功能 ， 还有 6个 3 0 k Hz 高速计数器 ， 通信 口为 1 x R S 4 8 5 ， P L C与计算机之间的通信采用 R S 4 8 5联 接 。 2 ． 4喷头 设计 草 坪灌 溉喷头 选用 雨鸟 3 5 0 4 一 P C S A M 型 喷 头 ， 该 喷头 由工程塑料和不锈钢组成 ， 强度较高 ． 耐 腐蚀性较好 ， 适用于公园 、 游乐场 、 校 园街道等中小 面积草坪的灌溉 。S A M 为可选装止溢 阀。 止溢高度 可 达 2 ． 1 I n ， 喷 头工 作 压力 0 ． 1 7 ～ 0 ． 3 8 MP a ， 流 量 范 围 0 ． 1 2 1 ． 0 4 m 3 ／ h ， 射程达到 1 O ． 7 i n ， 喷洒角度调节范围 4 0 。 3 6 0 。 。喷头呈正三角形布置 ， 间距等于射程 ， 共 计布置 2 5个 。 3控 制 系统软 件设 计 3 ． 1 编程 软件 介绍 西 门 子 P L C逻 辑 功 能 选 用 的 专 业 编 程 软 件 S T E P 7 一 Mi c r o ／ WI N， 该软件功能 强大 ， 操作 简单 ， 逻 辑功能易于实现。该软件主要由菜单栏 、 工具栏 、 浏 览条 、 指令树 、 输出窗 口等部分组成。 3 ． 2 P L C 对应 地址 设计 为了配合 自动控制喷灌系统 的运行及管理 要 求 ， 需要对程序管理进行一定的设置． 以达到 自动化 控制要求 。该 系统主要要实现以下 目标 草坪土壤 墒情信息采集与处理 、 喷灌系统全程监控 、 不同控制 方式之间的切换方式 、系统运行信息的管理 。在开 始编程时 ， 需要对西门子 S 7 2 0 0 P L C的地址进行定 义 ， 自动喷灌 P L C电气控制系统设计部分地址分配 表 见表 1 。 表 1 自动喷灌的 P L C电气控制 系统设计部分地址分配 元件 地址 元件 地址 手动启动按钮 I O ．0 电源指示灯输出 Q O ． 0 手动停止按钮 I O ． 1 运行指示灯输出 Q O ． 1 电源正常状态输人 I O ．2 停止指示灯输出 O O -2 井泵启动正 常输 入 I O ．3 井泵启 动输 出 Q O ． 3 加压泵启动正常输入 1 0 ．4 加压泵启动输出 O O -4 进水阀打开输入 1 0 ．5 管道压力异 常报警输 出 Q O ． 5 进水阀关闭输入 1 0 ．6 排沙电动阀打开输出 Q O ． 6 排沙电动阀开足信号输入 1 0 ．7 排沙电动阀关闭输 出 O O ． 7 排沙电动阀关足信号输入 I 1 ．0 进水阀门打开输出 Q 1 ． 0 进水电动阀开足输入 I 1 ． 1 进水阀门关闭输出 O 1 ． 1 进水电动阀关足输入 I 1 ．2 系统入口压力 A I W0 肥料 1 低液位输入 I 1 ．3 系统 出 口压力 A I W2 肥料 2 低液位输入 I 1 ．4 电磁 流量 A I W4 肥料 3 低液位输入 I 1 ．5 加肥器水肥流量 A I W6 3 ． 3 控 制 系统各 部分 功 能及 设计 系统首 先通 过采 集 系统 中 的各 种传 感 器 ．对 气 象 、 墒情信息进行实时数据采集 ， 通过不 同的信号输 入转换模块将数据传送 到控制室中的控制系统 ， 并 通过专业的分析软件进行分析判断将分析结果报 知控制管理人员 ， 为了保证整个 系统的稳定性 ， 系统 设置了手动和 自动两种控制模式 ．手动控制模式通 过控制柜的按钮或者通过 中央控制机进行喷灌的启 停操作 ，自动控制模式是通过埋设在土壤中的土壤 墒情采集系统将采集的数据发送至专家决策系统 ， 2 0 1 5年第 8期 甘肃水利水 电技术 第 5 1卷 咖l * 月份 图 6 不同灌水方式下草坪月灌水量比较图 5小 结 本 自动化喷灌系统是将节水灌溉技术 、 计算机 技术 、 传感与检测技术相结合起来 ， 将 自动控制技术 与农业工程结合起来 。通过计算机和 P L C设计程 序 ， 模拟了示范区草坪的水环境和小气候环境 ， 对示 范区内的草坪进行节水灌溉 。本系统结合了 自动气 象站采集信息和土壤含水量 。 通过彭曼公式作为参 考是否灌水的依据 ． 下雨天 当降雨量达到一个预设 值时， 系统会 自动停止灌水 ， 与传统的借鉴灌水经验 进行灌水的灌水模式有所区别 ， 比仅仅依靠 土壤含 水量来判断是否灌水 的控制方法更节约灌溉水量 ， 将高校节水理论推广到现实应用水平 _ 1 。 。 。 该系统适用于在一个生育期 内作物灌溉的次数 多 、 灌水量较少的作物。经现场的调试表明， 该灌溉 控制系统稳定可靠 ． 能够按照草坪的灌水需求 ， 分周 期和水量对示范区内 4个小区分别进行定 时、 定量 灌溉 ． 操作十分简单方便 ， 仅需 1 人就可以完成所有 操作 。有效地提高了控制和管理水平 ， 也节约 了水 和肥料 ， 降低了系统的运行费用。采用了西 门子S 7 2 0 0 P L C作为控制核心 ， 该模块易于扩展 ， 编程简单 ， 可以将多套喷灌控制电动阀通过 4 8 5总线连接成网 络 ， 实现更大区域 的集 中控制喷灌 。设置好 网络参 数后 ，还能通过 T C P ／ I P协议连上 I n t e ra c t 网络 ， 进 行远程网络监控 [ 1 1 - 1 2 ] 。 参考文献 [ 1 ]胡明秀． 我国水资源现状及开发利用对策[ J ] ． 武汉工业 学院学报 ， 2 0 0 4 ， 2 3 1 1 0 4 1 0 8 ． [ 2 ]李俊利，张俊飚． 农户采用节水灌溉技术的影响因素分 析来 自河南省的实证调查 [ J ] ．中国科技论坛 ， 2 0 1 1 ． 2 7 8 1 4 1 1 4 5 ． [ 3 ]K a z u h i r o N A K A N O， T a k a k o A I D A， D i g u i Y A N G e t ． De v e l o p me n t o f Au t o ma t i c I r r i g a t i o n S y s t e ms f o r N e t t e d Me l o n Cu l t i v a t i o n i n G r e e n h o u s e Us i n g F u z z y C o n t r o l l e r [ J ] ． Me c h i n e a n d a n g r i c u h u r e ， 2 0 0 9 ， 4 0 1 5 7 6 5 ． [ 4 ]X u X u ， H u a n g G u a n H u a ， Q u Z h o n g Y i e t ． A s s e s s i n g t h e g r o u n d wa t e r d y n a mi c s a n d i mp a c t s o f w a t e r s a v i n g i n t h e H e t a o I r r i g a t i o n D i s t ri c t ， Y e l l o w R i v e r b a s i n ． 1 J j ． A g r i c u l t u r a l Wa t e r Ma n a g e m e n t ， 2 0 1 0 ， 9 8 2 3 0 1 - 3 1 3 ． [ 5 ]李明思， 康绍忠， 杨海梅， 等．地膜覆盖对滴灌土壤湿润区 及棉花耗水与生长的影响 [ J ] ． 农业工程学报 ， 2 0 0 7 ， 2 3 6 4 9 5 4 ． ’ [ 6 ]陈可言． 甘肃水资源现状及可持续发展的思路[ J ] ． 水利 水电科技进展， 2 0 0 0 ， 2 0 5 1 0 1 2 ， 5 2 ． [ 7 ]白忠， 华玲 ， 毛德发 ， 等． 我国微灌器材生产与微灌技术发 展回顾[ J ] ． 节水灌溉， 2 0 0 8 ， 3 3 3 5 7 5 7 ， 6 0 ． [ 8 ]张振华， 蔡焕杰， 郭永昌， 等墒 灌土壤湿润体影响因素的 实验研究[ J ] ．农业工程学报， 2 0 0 2 ， 1 8 2 1 7 2 0 ． [ 9 ]雷川华 ， 吴运卿． 我国水资源现状、 问题与对策研究[ J ] _ 节水灌溉 ， 2 0 0 7 ， 3 2 4 4 1 4 3 ． [ 1 0 ]彭致功， 刘钰， 许迪等．农业节水措施对地下水涵养的作 用及其敏感I生 分析[ J ] 农业机械学报， 2 0 1 2 ， 4 3 7 3 6 _ 4 1 ． [ 1 1 ]康立军， 张仁陟 ， 吴丽丽， 等． 节水灌溉联动控制系统 [ J ] ． 农业工程学报， 2 0 1 1 ， 2 7 8 2 3 2 2 3 6 ． [ 1 2 ]魏学良． 基于工控机控制的喷灌系统自动化研究[ D] ． 武 汉 华中科技大学， 2 0 04． 引洮一期正式运行二期开工建设 引洮供水一期工程正式运行暨二期工程开工建设动员大会 8 月 6日上午在陇西马河镇举行， 省委书记、 省人大常委会主 任王三运宣布引洮供水二期工程开工建设 ， 水利部部长陈雷， 省委副书记、 省长刘伟平分别讲话。 陈雷说， 引洮供水工程是甘肃有史以来投资规模最大、 引水渠线最长、 覆盖范围最广 、 受益群众最多的大型跨流域调水工 程， 对于从根本上解决甘肃中部水资源短缺问题、 改善生态环境、 促进区域经济社会发展具有十分重要的意义。在甘肃各级党 委、 政府的坚强领导下， 在工程参建各方的共同努力下 ， 经过 8 年艰苦奋战， 克服了复杂地质条件的不利影响， 圆满实现了一期 工程的全线建成和运行通水。 引洮供水二期工程是一期工程的延伸， 是国务院确定的 1 7 2 项节水供水重大水利工程之一。 二期 工程将进一步扩大受益地区和人口， 不仅对全面发挥引洮供水工程整体效益至关重要， 也将为” 丝绸之路经济带” 甘肃黄金段建 设提供坚实的水利支撑和保障。希望甘肃省委、 省政府以及工程沿线地方各级党委、 政府切实加强对工程建设的组织领导， 为 工程的顺利实施创造良好条件； 甘肃省水利厅要加强对工程建设的监管和指导； 项 目法人要强化施工组织和现场管理； 参建各 方要认真落实建设管理三项制度， 周密组织 ， 精心设计 ， 科学施工， 真正把C l O g 供水二期工程建成经得起 自然和历史检验的放心 工程、 精品工程 ， 造福广大群众的民心工程、 德政工程。 ， 4 0