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1、PLC控制基础上棉田水肥一体化控制系统设计新疆作为全国最大的优质商品棉生产基地,种植面积约占全国的1/3,产量占全国50%以上1。棉花生育期长,需水、需肥量大,为提高新疆棉花产业的竞争力,必须大力发展节水节肥技术2。膜下滴灌作为新疆棉花种植方式得到了大面积的应用,且基本实现了自动化控制;但在肥料施用方面,由于外界水压不稳定、施肥设备可靠性低等问题,仍主要依靠人工经验方式进行配施。为此,开发一种适用于新疆棉田的精准水肥一体化控制系统十分必要3。目前,国内在开发水肥一体化控制系统硬件上主要是以单片机作为处理器4,5,6,7,相比于长期放置于室外工况的设备,PLC具有较强的抗干扰能力和良好的稳定性,
2、更适用于棉田水肥一体化设备8,9,10,11,12。笔者设计的基于PLC控制的棉田水肥一体化控制系统,包括施肥泵排量自调整子系统、施肥子系统和反冲洗子系统,能够实时监测外部水压,优化水肥溶液排量,保证施肥的均匀性和系统的稳定运行,获得良好的棉田经济效益。1、系统组成及工作原理控制系统由触摸屏、PLC、变频器、A/D-D/A模块、变频电机、软管泵、逆止阀、电磁阀等组成,同时配备了液位计、电磁流量计、压力传感器及电接点压力表等用于检测工作参数的传感器,如图1所示。在不同的施肥环境内,系统可以根据用户设定的施肥时间、轮灌面积及检测得到的工作环境水压作为输入变量,经PLC控制器内部优化计算,得到PID
3、闭环控制的输入设定值;设定值利用D/A转换和A/D转换来控制变频器的频率,通过变频器的频率控制变频电机的转速,进而控制软管泵的排量。图1棉田水肥一体化系统示意图系统运行时,灌溉水源管路与注肥管路处于导通状态,注肥管路内部产生与灌溉水源相等的压力;注肥管路处的压力传感器实时采集压力信号传至PLC控制器的输入端,参与PLC内部程序优化计算,限定设定频率范围,避免施肥设备转速过低、负载过大,造成变频器出现过载现象。当系统开始反冲洗时,电接点压力表作为清水管路的限压开关,可以防止管路堵塞时产生的爆管事故。液位计用于实时检测液体肥料在施肥罐体内部的液位高度,提供罐体剩余量的参考值。施肥过程中,电磁流量计
4、用于实时检测肥液施出流量,并参与闭环PID控制,从而保证了施肥过程中的平稳性;施肥结束后,启动反冲洗子系统,利用软管泵可反向运作的功能,使用清水管路的过滤水来完成设备的反冲洗过程。控制系统工作流程图如图2所示。图2控制系统工作流程图2、系统硬件设计控制系统硬件包括1个SamkoonAK070MG触摸屏、1个三菱FX2NPLC、1个4A/D-2D/A模块。SamkoonAK070MG触摸屏基于Android系统开发,支持远程通讯功能,符合EN55022和EN55024标准及工业环境的电磁兼容要求,具有很强的电磁抗干扰能力。在通信方面,三菱FX2NPLC与SamkoonAK070MG触摸屏之间使用
5、RS422通讯串口连接,三菱FX2NPLC和4A/D-2D/A模块通过模块拓展口连接。三菱FX2NPLC在工作时,需外接220V交流电压,触摸屏和4A/D-2D/A模块由DC24V电源提供工作电压。4A/D-2D/A模块的模数转换模块中的需选择通道,分别与电磁流量传感器与液位传感器相连接,PLC输出端与变频器连接。其硬件系统I/O分配表如表1所示。3、系统软件设计3.1SamkoonAK070MG触摸屏软件设计触摸屏用于人机交互,需要与PLC相互配合,通过人机交互界面实现用户对水肥一体化系统的控制。采用SamkoonAKWorkshop来完成触摸屏程序的编写,采用SamkoonRemoteHM
6、I编写触摸屏远程监控界面,并通过登陆SamkoonPcAppSys软件来实现远程监控操作。系统的触摸屏人机交互界面包括开机界面、手动控制界面、自动控制界面、历史数据界面和动态监控界面。动态监控界面主要以图形和重要参数形式反映系统的实时运行状况,包括罐体液位、流量大小及压力区间等,如图3所示。图3动态监控界面SamkoonRemoteHMI软件是一款由显控科技公司推出的应用于物联网平台搭建的编程软件,用其来完成触摸屏远程监控界面的编写。在远程监控界面的监控参数中,包含了罐体剩余量、轮灌次数、施肥流量、需施肥量、施肥进度及已施肥量等实时动态信息,还提供历史数据界面的最近7次的施肥数据,同时提供下载
7、所有历史施肥数据的功能。数据值由传感器采集、用户输入及系统计算所得,对应了PLC不同数据地址,所有历史数据以表格的形式导出,便于后期对施肥参数的分析与研究。3.2FX-2NPLC软件设计采用三菱G-works2编程软件来完成PLC程序的编写,使用USB-RS232通讯网线下载控制程序。3.2.1传感器通讯设置系统运行主要依赖于传感器采集的数据信息,传感器输出信号为010V的电压信号或420mA的电流信号,需要通过A/D模数转换后进行传输至PLC。文中采用的是模拟量模块为4A/D-2D/A模块,需要外接24V直流电源。在三菱FX2NPLC中,模拟量输入区共有32个缓存存储区,由传感器传回的数据放
8、置在BFM#0-BFM#31之中,当BFM#30的ID值识别后,说明传感器与PLC之间通讯成功;此时,传感器数据被放置在缓存存储区中,通过相应通道送入到数据寄存器中。模拟量模块与PLC之间采用并行通信方式,系统部分模拟量通讯程序如图4所示。图4液位计与流量计的通讯梯形图3.2.2施肥泵排量自调整子系统软件设计施肥泵排量的自调整包括外界工况识别、设定参数判断和施肥频率的优化。在系统完成所有参数设定并开始运行后,系统根据压力传感器对所传输至PLC模拟量输入端的压力信号、寄存器D2所存储的液位高度及寄存在D11-D20寄存器中施肥参数(包括需施肥量、施肥时间、灌水时间、罐体剩余量参数等)进行参数优化
9、计算,获取最佳施肥频率。当寄存器D30-D40中储存的注肥管路内部的压力数据不为0、罐体剩余量寄存器D14所储存数据大于施肥量D11时,施肥系统开始工作。注肥口的压力发生变化,系统施肥泵排量也会发生相应的调节。3.2.3施肥子系统软件设计施肥子系统通过PID控制方式来实现施肥过程的稳定性。PID控制又称比例积分微分控制,属于闭环控制。施肥过程中,以施肥泵排量自调整确定的施肥频率参数作为设定量,电磁流量计作为流量检测传感器,电磁流量计内部将测量出的信号传至变送器,通过变送器转换为标准电压信号和电流信号,经A/D转换成数字量与PLC设定值比较,将二者的差值进行PID运算,输出结果送至D/A模块;经
10、D/A模块转换输出相应的电压或电流信号对变频器进行控制,从而实现施肥排量的闭环控制。3.2.4反冲洗子系统软件设计施肥期间Y0置0,电磁阀门处于关闭状态,肥液通过软管泵顺时针转动运送至出肥口,进而运送至肥水输送管路中。当已施肥的量大于等于需施肥量的时候,施肥泵自动停止转动,PID控制程序停止运作。此时,Y0-Y2自动置为1,变频器开始以指定频率反向运行,清水管路电磁阀门被打开,清水通过软管泵的反向运作,从施肥管路清水管路送至清水管路中,设备进入反冲洗状态。清洗结束后,施肥泵自动停止,Y0-Y2自动置为0,反清洗状态结束。图5反冲洗子系统梯形图4、系统运行试验2019年6月和2019年8月,分别
11、在新疆石河子市沃达农业科技股份有限责任公司的试验棉田及石河子市博励机电科技有限公司进行了系统运行试验,包括水肥排量自调整试验与远程监控平台试验,台如图6和图7所示。试验记录数据包括外部水压、运行频率及施肥流速;数据记录过程中保证外部水压稳定之后开始记录运行频率与施肥流速。试验结果如表2所示。试验结果表明:当水压为0.10.4MPa、变频器初始设定频率为35Hz时,可以实现施肥频率的自调整,保证水肥运行的稳定性。图6试验平台图7远程监控平台5、结论1)采用压力传感器实时检测施肥过程中的外界水压,并通过外界水压自动调整水肥排量的设定值,当水压为0.10.4MPa、变频器初始设定频率为35Hz时,能
12、够实现施肥频率的自调整,保证水肥运行的稳定性。2)使用触摸屏编写了人机交互界面设计,操作简单,功能强大,可以实时显示系统的运行参数和历史信息,用户可以便捷地制定灌溉施肥方案,掌握设备运行状态。3)使用SamkoonRemoteHMI编写了触摸屏远程监控界面、参数修改界面,可以在线读取设备运行参数,获取所有施肥数据,实现了施肥系统的远程监控。参考文献：1马琼.中国棉花生产外部性测度及其矫正研究D.武汉:华中农业大学,2014.2薛世柱.新疆节水滴灌存在问题简析J.吉林农业月刊,2017(2):84-84.3田敏.基于物联网技术的作物养分信息快速获取与精准施肥智能控制系统研究D.石河子:石河子大学
13、,2018.4郭强,汤璐,郭佳.基于STM32的智能水肥一体化控制系统的设计J.工业控制计机,2015(4):38-39.5金钰.工业控制计算机在自动化温室控制中的应用J.工业控制计算机,2000,13(1):16-18.6王利源,梁悦,杨欣.果园水肥一体化自动控制系统设计和实现J.农机化研究,2018,40(12):60-64.7蔚磊磊,魏正英,张育斌.基于模型设计的水肥灌溉控制器快速开发J.节水灌溉,2017(7):124-129.8牛寅.设施农业精准水肥管理系统及其智能装备技术的研究D.上海:上海大学,2016.9王梦阳,李亚敏,曾立华.大田卷盘拖管水溶肥平移灌溉控制系统的设计J.农机化研究,2018(1):80-84.10初光勇,宰青青,谭晓波,等.基于单片机的山地果园无线水肥一体灌溉系统设计J.自动化用,2018(2):17-18,35.11张伟.果园水肥一体化控制系统设计与实现D.南昌:华东交通大学,2017.12罗剑杰,齐家敏,刘伯圣.基于PLC的城市园林水肥智能化灌溉系统J.科学技术创新,2017(30)24-25.李冬冬,张立新,李春志,范锦杰,单永超.基于PLC控制的棉田水肥一体化控制系统设计J.农机化研究,2021,43(06):100-104.基金:自治区科技支疆项目(2017E0227).
