基于PLC的智能溫室灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)_李建峰.pdf

2 0 2 5年 第8期 中國農(nóng)機(jī)裝備 智能農(nóng)業(yè)裝備 基于 PLC 的智能溫室灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì) 基于 PLC 的智能溫室灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì) 李建峰 珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 珠海 519000 摘要 傳統(tǒng)灌溉方式因高耗水 低效率已難以滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求 為了通過智能化技術(shù)提升灌溉系統(tǒng)的精準(zhǔn)性與適 應(yīng)性 設(shè)計(jì)了以西門子S7 1200 PLC為核心 融合多源傳感器與智能控制算法 集自動監(jiān)測 決策與執(zhí)行于一體的溫室灌 溉控制系統(tǒng) 系統(tǒng)通過梯形圖編程實(shí)現(xiàn)自動與手動雙模式控制 結(jié)合HMI人機(jī)界面提供可視化操作與數(shù)據(jù)追溯功能 確保 灌溉過程精準(zhǔn)匹配作物需求 為節(jié)水農(nóng)業(yè)提供了技術(shù)支撐 具有廣泛的應(yīng)用前景 關(guān)鍵詞 溫室灌溉 控制系統(tǒng) PLC 智能監(jiān)控 設(shè)計(jì) 隨著人均資源緊張和糧食生產(chǎn)對水資源需求量的 擴(kuò)大 水荒壓力逐年加劇 聯(lián)合國糧農(nóng)組織指出目前 全球用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的淡水資源占水資源消費(fèi)總量的 70 而傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉中約 50 的用水會因蒸發(fā) 滲漏等形式造成浪費(fèi) 精確灌溉系統(tǒng)可以根據(jù)土壤水 分含量和作物的實(shí)際需水情況來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉 是發(fā) 展節(jié)水農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵 中國 十四五 全國農(nóng)業(yè)綠色 發(fā)展規(guī)劃 中提出 發(fā)展智能灌溉裝備 推進(jìn)傳統(tǒng) 農(nóng)業(yè)向智能化 數(shù)字化轉(zhuǎn)變 1 灌溉控制技術(shù)發(fā)展概述 智慧灌溉是指利用物聯(lián)網(wǎng) 大數(shù)據(jù)和人工智能等 新技術(shù) 使灌溉從單純的水源 水路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè) 走向控制技術(shù) 形成灌溉的智能化系統(tǒng) 傳統(tǒng)灌溉系 統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)難以適應(yīng)現(xiàn)今農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要 新一代 的灌溉技術(shù)能夠集成多種數(shù)據(jù) 形成 感知土壤濕度 數(shù)據(jù) 感知?dú)庀髷?shù)據(jù) 感知作物蒸騰數(shù)據(jù) 等的多層 級立體感知系統(tǒng) 從而隨時(shí)進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的探測 借 助機(jī)器學(xué)習(xí)的預(yù)測功能來對作物需水的規(guī)律進(jìn)行分 析 并利用天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)對作物進(jìn)行實(shí)時(shí)灌溉 以降 低水資源的損耗 精準(zhǔn)的灌溉系統(tǒng)會以滴灌 微噴 灌溉結(jié)合壓力補(bǔ)償?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)均勻施水 可變流量電 磁閥和智能水泵的配合使用使得供水量誤差非常低 例如某些灌溉系統(tǒng)采用圖像識別技術(shù) 可以通過觀察 作物冠層溫度 葉片的顏色等從而對缺水的數(shù)據(jù)進(jìn)行 監(jiān)測 并作出決策 未來灌溉系統(tǒng)能夠進(jìn)行自主學(xué)習(xí) 與農(nóng)業(yè)機(jī)械和農(nóng)業(yè)植保機(jī)械合作構(gòu)建起完整的智慧農(nóng) 業(yè)系統(tǒng) 對于保障糧食安全以及生態(tài)安全起到重要的 作用 1 2 智能溫室大棚灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 1 控制要求 環(huán)境調(diào)控應(yīng)保證系統(tǒng)的安全 可靠與精細(xì)化 智 能化 自動灌溉系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測得到的環(huán)境條 件和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行不間斷地判斷決策和智能調(diào) 整 并保證灌溉 施肥調(diào)整能與作物生長適宜同步 在檢測到環(huán)境超標(biāo)或設(shè)備運(yùn)行異常時(shí) 系統(tǒng)會自動執(zhí) 行安全保護(hù)程序 并停機(jī)和告警 手工可作為輔助控 制手段 提供對所有執(zhí)行元器件控制的實(shí)時(shí)干預(yù)操作 權(quán)限 以防突發(fā)事件發(fā)生 2 2 控制系統(tǒng)功能分析 正常滴灌控制需采用數(shù)據(jù)驅(qū)動邏輯閉環(huán)系統(tǒng) 在 采集多類型傳感器信息以及相關(guān)裝置反饋信息的基礎(chǔ) 上 進(jìn)行參數(shù)的自動調(diào)節(jié)和肥料精準(zhǔn)添加 組成 監(jiān)測 決策 行動 反饋 閉環(huán)控制模式 人機(jī)界面控制由 控制人員實(shí)時(shí)在線控制 界面中設(shè)有正常模式和手動 模式 在一些突發(fā)故障發(fā)生時(shí) 可采用手動模式進(jìn)行 干預(yù) 切換回自動模式控制后不會導(dǎo)致參數(shù)的丟失 2 2 3 系統(tǒng)控制方案 溫室灌溉系統(tǒng)將多源數(shù)據(jù)感知 智能決策與遠(yuǎn)程 基金項(xiàng)目 珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院質(zhì)量工程項(xiàng)目 項(xiàng)目編號 JY20250201 常用電氣設(shè)備控制與檢修 活頁式教材 項(xiàng)目編號 JY20250403 德行匠新 建峰工作室項(xiàng)目 項(xiàng)目編號 XG20240202 2023 年廣東省高職教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目 項(xiàng)目編 號 2023JG398 作者簡介 李建峰 1982 女 講師 研究方向 電氣自動化技術(shù) 2 0 2 5年 第8期 中國農(nóng)機(jī)裝備 智能農(nóng)業(yè)裝備 基于 PLC 的智能溫室灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì) 拓展功能融合一體 從而構(gòu)建出灌溉遠(yuǎn)程控制平臺 以實(shí)現(xiàn)信息的采集和遠(yuǎn)程操控和擴(kuò)展的功能 系統(tǒng)采 用西門子 S7 1200PLC 和 TP1900Comfort 具備遠(yuǎn)程 控制和手動兩種控制模式 可靈活選擇全自動或人工 操作控制 也可根據(jù)不同系統(tǒng)自動調(diào)整控制執(zhí)行裝置 便于對各自動控制模式的精細(xì)管控 用水位 酸堿液 位 濕度 pH 和 EC 傳感器對農(nóng)田環(huán)境中的參數(shù)進(jìn) 行采集和監(jiān)測 通過監(jiān)測獲取農(nóng)田信息 將采集的信 息導(dǎo)入平臺 供自動決策分析和判斷農(nóng)田的水分 鹽 堿度等 從而控制電磁閥的開關(guān)進(jìn)行灌溉和水位的調(diào) 節(jié) 3 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測試 3 1 PLC 控制單元設(shè)計(jì) 3 1 1 CPU 選型 系統(tǒng)選用西門子 PLC 型號為 S7 1200 系列中的 CPU1214CDC DC DC 作為 PLC 主控裝置 該 PLC 的 處理速度高 I O 點(diǎn)數(shù)多 通信性能強(qiáng) 適合用來設(shè) 計(jì)灌溉控制系統(tǒng) 3 1 2 配置 I 0 接口 系統(tǒng)根據(jù)需求選擇數(shù)字輸入 DI 數(shù)字輸出 DO 和模擬量輸入 AI 模塊 DI 模塊用來采集水位開關(guān) 酸堿液位開關(guān)等開關(guān)量信號 DO 模塊用來控制進(jìn)水 泵 出水閥 酸堿 EC 進(jìn)料泵等執(zhí)行器 AI 模塊用來 采集濕度 pH 值 EC 值等模擬量信號 3 2 HMI 人機(jī)組態(tài)與界面設(shè)計(jì) 采 用 SiemensTP1900ComfortSIPLUS 人 機(jī) 界 面 觸 摸屏 這種觸摸屏采用高分辨率 高亮大可視范圍顯 示 即使戶外強(qiáng)光下也能準(zhǔn)確顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài) 觸摸屏結(jié)實(shí)可靠 適用于農(nóng)田工作 也可采用不同的 通訊協(xié)議以方便與 PLC 通訊 系統(tǒng)硬件方面的 HMI 界面如圖 1 所示 HMI 界 面上采用圖形界面設(shè)計(jì) 直觀反映系統(tǒng)重要參數(shù) 指 示燈和控制按鈕 主要包括系統(tǒng)運(yùn)行主界面上顯示實(shí) 時(shí)參數(shù) 指示燈和操作按鈕 手動 自動切換面板 設(shè)備控制界面 數(shù)據(jù)歷史記錄查詢等 系統(tǒng)運(yùn)行主界 面上實(shí)時(shí)顯示水位 濕度 pH EC 等現(xiàn)場實(shí)時(shí)參數(shù) 各執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)等 手動 自動切換面板為操作 員現(xiàn)場手動 自動控制模式選擇功能 設(shè)備控制界面 可對現(xiàn)場進(jìn)水泵 出水閥等設(shè)備進(jìn)行獨(dú)立控制 數(shù)據(jù) 歷史記錄查詢頁面中 可對現(xiàn)場歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢 以分析系統(tǒng)運(yùn)行情況 4 3 3 現(xiàn)場 I O 與傳感器設(shè)計(jì) 依據(jù)系統(tǒng)需求 選擇水位開關(guān) 酸堿液位開關(guān) 濕度傳感器 pH 傳感器 EC 傳感器等高精度 高可 靠性的傳感器 傳感器布置時(shí)應(yīng)綜合考慮溫室環(huán)境特 征 防止陽光直射 雨水浸泡等因素對傳感器產(chǎn)生不 利影響 如水位開關(guān)的安裝應(yīng)選擇較易觀測且不被水 流沖擊之處 濕度傳感器的布置應(yīng)多點(diǎn)設(shè)置 可獲得 較為準(zhǔn)確的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù) 傳感器采集到的原始信號被送到 PLC 進(jìn)行后處 理分析判斷 模擬信號進(jìn)入 PLC 后先由 PLC 內(nèi)部進(jìn) 行歸一化 再進(jìn)行比較 判斷 PLC 具有濾波功能 可以濾除干擾信號 使信號更加準(zhǔn)確 3 4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 選擇滿足系統(tǒng)功能需求的進(jìn)水泵 出水閥 酸堿 EC 進(jìn)料泵等執(zhí)行器 執(zhí)行器需要有高可靠 長壽命 和便于維護(hù)保養(yǎng)等特性 適用于溫室惡劣的環(huán)境 執(zhí) 圖 1 HMI 人機(jī)界面