浅谈可编程控制器集成控制在灌区用水量监测与调控技术中的应用

范世杰

由于自然因素和人类活动因素造成了我国的水资源极为短缺，随着社会发展我国总的用水量不断增加，我国农业用水平均占总用水量达60%以上，如果不控制农业用水量使其负增长或零增长就不能保证我国用水的安全同时生态环境承受巨大的压力，缓解水资源供需矛盾迫在眉睫。节水灌溉技术就是途径之一，他的理念是用先进的智能化技术对灌区用水量进行调度控制达到节约用水的目的。目前我省的大部分灌区灌溉技术还停留在人工灌溉或半自动手动灌溉上，十分落后。在灌溉自动控制系统方面与发达省份差距较大，其中灌溉系统是否应用可编程控制器 PLC成为重要标准之一。 淡水资源的日趋紧张及信息技术的发展，开发新型的用水量测与调控系统有巨大应用前景和经济价值。

一、贵州省耕地与水资源现状

根据贵州省水利厅水资源公报，2014年农田灌溉用水48亿立方米，2016年全省总供水量100.31亿立方，其中农业用水量占总用水量53.5%，农田灌溉用水53.7亿立方米，可见随着农村农业的发展，农业用水量的逐年增加对我省用水安全和生态安全形成挑战。根据我省第二次土地调查数据贵州省耕地面积6844万亩，2017年全省有效灌溉面积2378.49万亩，节水灌溉面积499.23万亩。如在没有采用节水灌溉的灌区中应用节水技术灌溉将产生巨大的节水效益，在贵州省，水田占比大，大多数种植水稻。水稻是属于好暖喜湿的短日照作物，植株下部和根整个泡在水里，加上种植的时候气温高，蒸发量大，所耗费的水量很多。我省在种植水稻时超灌现象严重， 水资源不仅被严重浪费，不合理的灌溉，则可能会破坏土壤团粒结构、使土壤养分淋失或土壤通气不良，如灌水量过大，还可能抬高地下水位，给土壤带来盐碱化的危险。通过合理的灌溉不仅能缓解水资源紧缺问题而且为农作物的生长发育创造良好的生活条件，提高作物产量，改善作物品质。本文将介绍利用PLC（可编程控制器）构建灌区灌溉系统。

二、可编程逻辑控制器简介

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Con troller），简称PLC，它采用现代大规模集成电路技术，具有很高的可靠性。它采用一类可编程的存储器，用于其内部执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。不同厂商PLC编程的语言也不尽相同，本文选用三菱公司FX2N系列PLC以及来构建节水灌溉系统。

三、基本原理

1.系统组成。整个系统主要由PLC、通讯模块、传感器、触摸屏、水泵、电脑端和手机端组成。系统构成如图1所示，其中PLC-触摸屏-电脑云端构成闭环系统，正常时以PLC为主进行控制，当PLC出现故障后可以通过英特尔远端控制，他们互为备用系统可靠性很高。

2.硬件设备概述。PLC采用三菱FX2N-64MR为控制核心并且扩展485-BD模块。它是控制的核心部分，从各个耕地传感器测量的数据汇集在此，根据天气预报数据、实时环境温度、土壤的湿度、空气湿度、农田水位数据、水源水位和风力的情况经过程序的判断发出灌溉指令，也可以通过就地控制触摸屏进行就地控制，也可以通过远程电脑端和手机端进行监测控制。远端电脑收集了区域数据之后就可以形成大数据，由大数据又产生节水灌溉以外的附加价值在此不再赘述。一般农田中传感器和PLC相距较远几百米甚至数公里不等，如果用数据线连接会造成数据线电压下降采集的数据失真而且架线成本很高，由于GRM200 模块具备短距离通信和长距离3G GPRS通信能力、发送短信功能，系统采用GPRS无线网络通讯，贵州地区多山一般通信收地理影响很大，如果采用手机基站进行通讯受地理位置而影响通信的几率下降，而且布局灵活。GRM200还可以定时发送数据并不需要长时间连续工作，工作电源需要DC 24V 500mA或DC 12V 1A直流电比较容易实现， GRM200无线通讯模块自带通讯口，模拟量输入，可以连接液位计，温湿度等各类传感器或仪表。

由于传感器部分在耕地中，供电的电源是最大的问题，如果使用农电供电，将在农田中架线成本极高，因此传感器电源我们采用风光互补的新能源发电方式独立为传感器与通讯模块供电，多余的电量可以用来驱鸟、点亮灭虫灯等。

手机端用APP监控耕地。

3.系统运行原理。在耕地中湿度傳感器和液位传感器等实时数据通过数据线连接GRM200无线通讯模块，GRM200通过实时数据传送到电脑云端同时也传递到PLC端GRM200无线通信模块，GRM200按照预定时间分别与通信模块通过RS485与PLC相连实现农田数据分时传送到PLC中，PLC根据数据进行独立的逻辑判断然后进行控制输出。我们可以通过近地触摸屏选择实地种植的农作物不同来选择程序，通过触摸屏还可以观测环境温度曲线、土壤湿度曲线、水位数据等历史数据。这些数据通过GRM200上传到云端，手机和电脑都可以查看。

4.软件概述。系统当中主要涉及PLC的编程、触摸屏的组态。PLC程序的编写的主要逻辑就是根据传感器数据精准的给农田供水，水稻、小麦、玉米等农作物浇水灌溉的方案不同因此PLC程序和触摸屏组态也不尽相同，（控制逻辑如图4）我们将编写适应各个环境的PLC程序以供选择和切换，我们还可以通过电脑远程改变PLC程序和更新触摸屏组态程序，实现灵活的供水控制。

四、结语

智能节水灌溉系统在贵州农田灌溉中大有可为，不仅可以提高水源的利用率，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。基于PLC技术的智能节水灌溉系统是中国发展高效农业和精细农业的必由之路。

课题‘计算机与PLC集成控制在灌区用水量测与调控技术中的应用研究课题编号：KT201802。