基于Lab Windows/CVI和PLC的供水系统设计综述

齐浩 佟维妍 郭明志 屠思银

摘 要 农业灌溉是影响农作物产量的重要因素，而传统灌溉系统普遍存在自动化程度低、可靠性差等问题。本文设计了一种基于Lab Windows/CVI和PLC的供水系统，根据土壤湿度传感器采集土壤湿度信息，利用PID控制算法对变频器的输出频率进行调节，进而对水泵供水量进行控制，实现智能灌溉。

关键词 Lab Windows/CVI;PLC控制;PID;变频器

引言

传统的人工灌溉采用水泵直接从地下井抽水，对耕地进行饱和式灌溉，水资源浪费严重[1-2]。滴灌、喷灌系统采用接触器控制，水泵直接启动，产生谐波对电网有影响，启动瞬间会形成水锤，对管网有损伤[3]。为了实现灌溉的方便性与稳定性，本文设计了一种基于Lab Windows/CVI和PLC的供水系统。

1 系统的总体设计

本系统使用一台变频器对4台水泵进行控制，M1与M2电机为日常供水机组，遵循着“先启先停”的原则，实现对电机的合理利用与保护。M3电机为备用电机，用于应急或者检修时使用。M4电机为滴灌供水电机，在滴灌节能运行时，M4电机采用变频运行方式。

2 硬件设计

系统的硬件设计包括控制器、传感器、执行机构、人机交互。利用西门子S7-200系列的PLC作为下位机控制器。CPU模块采用了224XP，并扩展了EM235模拟量模块。传感器使用的是AT8671型土壤湿度传感器，西门子440系列变频器和水泵为执行单元。人机交互单元的工控机选用了研华430系列工控机。

3 软件设计

3.1 PLC程序设计

本系统有手动控制和制动控制两种控制方式，下位机软件控制流程图如图1所示。手动控制是直接控制任意一台电机的启动与变频输出，应用于特殊情况设备的控制或设备的调试中。

自动模式的工作方式，将检测值与设定值进行比较，若偏差△S=0时，PID输出不变，说明土壤湿度符合植物生长需求。若△S<0时，说明土壤水分过多，灌溉系统停止工作。若△S>0时，说明作物正处于缺水的状态，需要进行大面积的灌溉。水泵按先起先停的原则进行运行，以提高水泵的使用寿命。为防止变频器与水泵切换过于频繁，设定了一个额定值区间为SMAX——SMIN，若土壤湿度实测值大于SMAX，且变频器输出频率小于20Hz，则水泵停止工作。若土壤湿度实测值小于SMIN，且变频器输出频率大于50Hz，则水泵M1、M2进行双工频运行。当水泵运行超过24h时，系统将自动切换另一台水泵运行。

3.2 Lab Windows/CVI上位机程序设计

上位机开发采用了NI公司推出的Lab Windows/CVi软件。用户操作页面的结构主要由登录界面、控制方式选择界面、人工操作界面、自动控制界面等四部分组成。“人工控制”界面，如图2。16个按键可分别控制接触器的吸合与断开，从而改变水泵的工作状态。还可以控制变频器输出频率，从而控制电机的转速，急停按钮可在紧急情况下对设备进行急停。串口部分可与下位机调试通信。“自动控制”界面，如图3。可以对供水系统的三种工作方式进行切换，方式一为正常運行方式，方式二为检修方式，方式三为节能方式，便于操作人员的使用。

4 结束语

本文针对农业灌溉系统，设计了基于Lab Windows/CVI和PLC的供水系统。该系统利用了PLC与变频器，根据压力，利用PID算法，调节供水量，使用Lab Windows/CVI编写用户操作界面，简化了操作过程，使农业供水的自动化程度得到提高。

参考文献

[1] 郑慧珍等.PLC控制的恒压供水系统的设计与应用[J]. 漳州职业技术学报，2018，20（2）：44-48.

[2] 吴楠.探究节水措施在农业水利灌溉中的应用价值[J].水利电力，2019，（10）：192.

[3] 周卫平.国外灌溉节水技术的进展及启示[J].节水灌溉，1997，（4）： 18-26.