基于PLC控制技术的农业自动灌溉系统设计

基于PLC控制技术的农业自动灌溉系统设计摘要：

水是一切生命过程中不可替代的基本要素，水资源是国民经济和社会发展的重要基础资源。我国是世界上13个贫水国之一，人均水资源占有量2300立方米，只有世界人均水平的1/4，居世界第109位。而且时空分布很不均匀，南多北少，东多西少；夏秋多，冬春少；占国土面积50％以上的华北、西北、东北地区的水资源量仅占全国总量的20％左右。近年来，随着人口增加、经济发展和城市化水平的提高，水资源供需矛盾日益尖锐，农业干旱缺水和水资源短缺已成为我国经济和社会发展的重要制约因素，而且加剧了生态环境的恶化。按现状用水量统计，全国中等干旱年缺水358亿立方米，其中农业灌溉缺水300亿立方米。20世纪90年代以来，我国农业年均受旱面积达2000万公顷以上，全国660多个城市中有一半以上发生水危机，北方河流断流的问题日益突出，缺水已从北方蔓延到南方的许多地区。由于地表水资源不足导致地下水超采，全国区域性地下水降落漏斗面积已达8.2万平方公里。

发达国家的农业用水比重一般为总用水量的50％左右。目前，我国农业用水比重已从1980年的88％下降到目前的70％左右，今后还会继续下降，农业干旱缺水的局面不可逆转。北方地区水资源开发利用程度已经很高，开源的潜力不大。南方还有一些开发潜力，但主要集中在西南地区。

我国农业灌溉用水量大，灌溉效率低下和用水浪费的问题普遍存在。目前全国灌溉水利用率约为43％，单方水粮食生产率只有10公斤左右，大大低于发达国家灌溉水利用率70-80%、单方水粮食生产率2.0公斤以上的水平。通过采用现代节水灌溉技术改造传统灌溉农业，实现适时适量的“精细灌溉”，具有重要的现实意义和深远的历史意义。在灌溉系统合理地推广自动化控制，不仅可以提高资源利用率，缓解水资源日趋紧张的矛盾，还可以增加农作物的产量，降低农产品的成本。

本次设计是采用PLC控制多路不同的土壤湿度，浇灌的开启和停止完全由土壤的湿度信号控制，能使土壤的湿度值保持在作物生长所需要的最佳范围之内。这样既有利于作物的生长，又能节约宝贵的水资源。

关键词：自动浇灌; PLC; 湿度传感器；农业自动灌溉系统

1 自动浇灌系统简介

系统采用自行研制的湿度传感器监测土壤的湿度情况，当土壤湿度低于所要求的值后，自动开启水泵电机和电磁阀，对该土壤浇水，当湿度达到所要求的值后，停止浇水。

为满足不同作物或同种作物在不同生长期对土壤湿度要求的不同，本系统采用PLC多路控制，在PLC的程序中设定相应的比较值（上下限），以便每一路均可设定不同的湿度控制范围。工作中把传感器的当前信号与程序的设定值进行比较，根据比较的结果决定土壤是否需要浇水，若当前信号达到设定的下限值，则开启浇灌系统对作物进行灌溉;当土壤湿度达到设定的上限值，则关闭浇灌系统。

2 电气原理

图1 自动浇灌装置电源图

图1中输入电压是AC220V。空气开关选用DC47-60 C5。是一种即有手动开关作用又能自动进行欠电压、失电压、过载和短路保护的开关。KHDY1开关电源具有两路输出，一路是DC24V，为PLC供电；另一路是DC5V，为湿度传感器电路和水位自动控制电路提供电源。KHDY2开关电源输出DC24V,为电磁阀和继电器提供电源。两个开关电源均为50W。

图2 PLC控制接线图

图2中PLC（可编程逻辑控制器）[1]采用的是TAIAN GENIE，型号为10HR-D。电源电压为直流24V，本身带有LCD显示屏及按键操作盘，可方便地编辑程序及修改程序。具有6个开关输入点，2个类比输入点，4个RELAY继电器输出点。当主令开关SA1打到自动工作方式,然后再按下SB3按钮，此装置进入自动工作状态。当主令开关SA1置于手动工作方式下,然后再按下SB1按钮，此装置1路工作。按下SB2按钮，此装置2路工作。当水箱的水位下降到下限时，水位控制器控制继电器J3闭合，通过PLC的逻辑控制控制水泵电机停止工作，保护了水泵电机，同时控制面板上蜂鸣器发出报警声、报警指示灯闪亮，提示为水箱加水。SB4是紧急停止按钮，当它按下时PLC停止工作，并且报警指示灯亮。在输入电路中串入FU1保险进行保护，在输出电路中串入FU2保险进行保护。

湿度检测装置是我们自行研制的[2]。此电路用了比较器电路、R-S触发器电路、门电路、输出电路等。把湿度信号转化为模拟电信号送入到PLC的类比输入端A1、A2，与PLC的上下限比较，以确定是否需要浇灌。

水泵电机采用直流电机，控制直流电机的电枢电压，就能控制电机的转速，而控制电机的转速就能控制水泵的出水量，再结合软件控制，使电机间歇运转，正好达到滴灌。

3PLC原理

图3 PLC梯形图上图是PLC梯形图。[3]有用功能块：

时间继电器T1 状态ON 延时5S

时间继电器T2 状态ON 延时15S

时间继电器T3 状态ON 延时5S

时间继电器T4 状态ON 延时15S

比较器G1 1路参考值<=3.5

比较器G2 1路参考值>=0.5

比较器G3 2路参考值<=3

比较器G4 2路参考值>=0.5

中间继电器M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 MA

输出继电器Q1 Q2 Q3 Q4

输入点:I1 I2 I3 I4 I5 I6(A1 A2)

输出点：Q1 Q2 Q3 Q4

当主令开关打到自动状态时，输入点I1闭合，按下自动按钮SB3，输入点I4闭合，中间继电器M9输出为1并自锁，系统处于自动状态。第一路湿度传感器的输出信号已接入PLC的模拟输入端A1，作为当前值，G1为上限类比比较器，其参考值可以根据要求随意定；G2为下限类比比较器，其参考值可以根据要求随意定。当A1>=G1时，继电器M2输出为0，继电器M4输出为0，输出继电器Q1为0，1号水阀YV1关闭。时间继电器T1、T2输出为0，继电器M3输出为0，输出继电器Q3为0，水泵关闭。当A1<=G2时，继电器M2输出为1，继电器M4输出为1，输出继电器Q1为1，1号水阀YV1打开。时间继电器T1为1并延时5秒后断开M3,水泵打水5秒钟；T2延时15秒后断开T1,T2也输出为0，T1又为1并延时5秒后断开M3,水泵打水5秒钟；T2延时15秒后断开T1,T2也输出为0，T1又为1，就这样周而复始，使水泵打水5秒、停15秒。（时间继电器所控时间可按要求随意定）。第二路湿度传感器的输出信号已接入PLC 的模拟输入端A2，作为当前值，G3为上限类比比较器，其参考值可以根据要求随意定；G4为下限类比比较器，其参考值可以根据要求随意定。工作原理与第一路相同。当水位下降到下限时，输入点I6为1，中间继电器MA为1，断开输出继电器Q3，水泵停止工作，并接通输出继电器Q4，使蜂鸣器发出声音报警，达到保护的目的。

4 发展前景

当前国内的浇灌系统多采用时间控制，浇水量完全由时间决定，不能精确控制土壤的湿度。有些浇灌系统虽然也采用湿度控制，但没有根据土壤不同的湿度

要求实现多路控制和每一路的自由调节。本系统采用PLC控制多路不同土壤，浇灌的开启和停止完全由土壤的湿度信号控制，能使土壤的湿度值保持在作物生长所需要的最佳范围之内。这样既有利于作物的生长，又能节约宝贵的水资源。

本系统可用于农场大片田地的浇灌管理，也可用于家庭名贵花草的养护，只需选择合适的传感器和调整PLC程序中湿度的设定值即可。本系统由于成本低，适用的范围宽，其推广应用的前景是比较乐观的。

参考文献：

[1]陆秀令,李可生,马莉.PLC在自动剪切线上的应用[J].机床电器2003(4).

[2]唐德清.实用555汽车闪光器[N].电子报,1994-11-27(2).

[3]丁炜,魏孔平.可编程控制器在工业控制中的应用[M].北京:化学工业出版社,2004:59-85.

附录---托普物联网

托普物联网是浙江托普仪器有限公司旗下的重要项目。浙江托普仪器是国内领先的农业仪器研发生产商，依据自身在农业领域的研发实力，和自主研发的配套设备，在农业物联网领域崭露头角！

托普物联网以客户需求为源头，结合现代农业科技、通信技术、计算机技术、GIS信息技术，以及物联网技术，竭诚为传统行业提供信息化、智能化的产品与端到端的解决方案。主要有：大田种植智能解决方案、畜牧养殖管理解决方案、食品安全溯源解决方案、食用菌种植智能化管理解决方案、水产养殖管理解决方案、温室大棚智能控制解决方案等。

托普物联网三大系统产品

我们知道物联网主要包括三大层次，即感知层、传输层和应用层。因此托普物联网产品主要以这三个层次延伸，涵盖了感知系统（环境监测传感设备）、传输系统（数据传输处理网络）、应用系统（终端智能控制平台。）

托普物联网模块化智能集成系统

托普物联网依据自身研发优势，开发了多种模块化智能集成系统。

1、传感模块：即环境传感监测系统。它依据各类传感设备可以完成整个园区或完成对异地园区所需数据监测的功能。

2、终端模块：即终端智能控制系统。它可以完成整个园区或远程控制异地园区进行自动灌溉、自动降温、自动开启风机，自动补光及遮阳，自动卷帘，自动开窗关窗，自动液体肥料施肥、自动喷药等各类农业生产所需的自动控制。

3、视频监控模块：即实时视频监控系统。主要是通过监控中心实时得到植物生长信息，在监控中心或异地互联网上既可随时看到作物的实时生长状况。

4、预警模块：即远程植保预警系统。可以通过声光报警、短信报警、语音报警等方式进行预警。

5、溯源模块：即农产品安全溯源系统。该系统对农产品从种植准备阶段、种植和培育阶段、生长阶段、收获阶段等对作物生长环境、喷药施肥情况、病虫害状况等实施实时信息自动记录，有据可查，在储藏、运输、销售阶段采用二维码或者RFID射频技术对各个阶段数据记录，这样就能实现消费者拿到农产品时通过终端设备或网络就能查看到各类信息，才能放心食用。

6、作业模块：即中央控制室。可通过总控室对整个区域情况进行监测，包括各个区域采集点参数、控制作业状态、实时视频图像、施肥喷药状况、报警信息等。