计算机与PLC一体化控制系统在节水灌溉中的应用与实现

陈鑫钢

摘 要：随着我国经济技术的发展，农业以及现代化事业都飞速进步，节水灌溉自动化也是发展的必然产物，节水灌溉自动化技术的应用与实现对我国农业发展具有不可估量的作用。近几年来，水资源日趋紧张，不止中国，世界范围内各个国家都在探索和研究有效的节水方式。为了解决水资源不足的问题，提高灌溉和节水效率，对计算机与PLC一体化控制系统在节水灌溉中的应用与实现问题进行了探析。

关键词：计算机；PLC；控制系统；节水灌溉

中图分类号：TP273.5 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.06.161

1 我国农业灌溉情况及“PLC”的概念

从我国整体用水程度上看，农业灌溉是用水较多的地方，农业用水量在我国总用水量中所占的比例很高。农业是我国生产、生活的重要支撑，所以要保障其用水。但目前农业灌溉效率不高，致使水的利用率较低。由此来看，解决农业节水灌溉的问题是目前的首要任务。只有合理利用水资源，才能缓解水资源的紧张状况，农业灌溉作为用水大户也是最有节水潜力的领域。可就实际情况来看，农业节水灌溉用水浪费的主要问题体现为农田分布范围太广，不同植物的用水需求也各不相同。应用传统大面积的溝渠灌溉技术不仅浪费了农田使用面积，还不利于节水，容易造成浪费。

PLC，即可编程序控制器（Programmable controller）。该控制器是以微处理机为基础，结合了计算机、自动控制以及通信3方面技术设计的一种新型工业自动控制装置，目前主要被应用于我国工业生产中，其在生产过程中的程序控制和过程控制都具有显著的优点。可以说，PLC是针对工业生产环境而言最适合的数字运行控制系统。PLC控制系统具体表现为模块化结构，其组合方便、故障率低，能够在多种工业化模式中应用。PLC控制系统的控制过程采用可编程序的存储器存储生产及相关的信息指令，通过数字或模拟的输入/输出，达到控制机械及设备运转的目的。如果将计算机与PLC一体化控制系统引入农业节水灌溉问题的解决中，则可提高农业灌溉的用水率，达到节水的效果。

2 计算机与PLC一体化控制系统的应用

计算机与PLC控制的节水灌溉系统应具备下列功能：①应用模块化结构设计，多个控制系统由一台计算机控制，实现一机多控功能，即一台计算机同时控制多个操作终端，并且下位机部分也可不受影响独立工作。②监控系统完善。计算机显示器能够监控灌溉系统关键部分信息，包括电磁阀、水泵等的工作情况，能监测采集雨量、压力、湿度、空气温度、土质湿度、光照度等信息，超过标准值时能报警示意。③监控灌溉过程。计算机显示器能够展示灌溉进程画面，自动标注灌溉完成区域和未完成区域。④信息管理功能。能根据实际信息进行数据及信息管理，自动生成灌溉进程中的相关信息及参数，计算并生成业主水量、水费、电量、电费等数据。⑤可选择灌溉方式。灌溉过程中，既可以根据植物特性自动灌溉，又可以根据人工设定的控制指令、科学的参数达成灌溉指令。⑥时间和顺序可任意调换。根据灌溉区域及范围可以任意编组，灌溉时间随意，控制指令相关数据可以通过上位机或下位机设定。⑦可调整性。不同的土质、不同的植物生长环境及需水需求不同，可根据其特性随时调整，保障灌溉的科学性。同时，系统设有超压报警装置，水量达到标准值或者降雨时系统自动停止灌溉，系统发生故障时会有声音或者光学警报，方便技术人员修理。

3 计算机与PLC一体化控制系统的实现

3.1 一体化控制系统的构想与设计

计算机（上位机）由PC多媒体计算机构成，上位机内部设有监视及控制程序，中文Windows窗口平台为操控系统的显示主界面。其中，监控程序由C语言或C++高级编程语言编写实现。下位机由PLC组成，内部设定了PLC控制程序，上位机和下位机之间通过RS232数据串口达成通讯目的。执行机构部分主要包括设备和机械可控制部分，包括灌溉水泵启动器、电磁阀等。传感器部分则由各类传感器组成，包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器、光敏传感器等。在设计思想上，要保障整个控制系统的可靠性和实用性，采用了上位机和下位机分散独立控制的设计思想，以上位机和下位机可独立控制作为基本设计原则。在实际应用中，上位机与下位机能够通过编程语言对其独立编程，可不经过上位机控制由下位机去控制完成灌溉，传感器采集的温度、湿度等信息数据由下位机反馈给计算机，计算机对反馈数据进行分析处理起到应有的作用，参与下位机的控制过程。这种设计可由2部分分别独立控制完成灌溉，有效避免了上位机故障产生的严重后果。如果两者不能独立控制，则上位机故障系统瘫痪，停止灌溉，将造成严重损失。总体结构设计上可采用开放式结构系统设计，由用户农田实际特点决定控制系统的配置，即用户可选择“一台控制单台”或“一台控制多台”。如果预算不够，也可直接选用PLC控制系统控制执行终端，不使用计算机，既节约了成本，又解决了问题。

3.2 一体化控制系统信息传递的实现

计算机与PLC之间虽可独立控制工作，但作为一体的系统设计，两者之间要实现通讯功能。一般依靠PLC厂商提供的通信模块，因为国际发展还没有统一的PLC通讯标准，不同的PLC生产商都有自己的协议要遵循，无法统一标准。因此，用户应根据实际的PLC类型选用适宜的通信模块，可由厂商提供。本文在设计中选用的是日本生产的FP1型可编程控制器。这个型号的控制器通常采用FP1-C16型、FP1-C24型、FP1-C40型控制单元。另外，还需要采用RS232-C和具有时钟功能的FP1-C24C型、FP1-C40C型控制单元。FP1型可编程控制器可经过RS232/RS422适配器达到与计算机通讯的目的。串口通信的另一种方式就是FP1中的RS232数据串口与PC机直接通信。

参考文献

[1]陈维榕，王虎，彭志良，等.基于物联网的果园水肥一体控制系统的开发与应用[J].贵州农业科学，2016（08）：140-143.