基于PLC S7-300的农田节能绿色灌溉系统设计

池雄飞，张科强，张宁芳

（1.鄂尔多斯职业学院，内蒙古自治区 鄂尔多斯 017000；2.鄂尔多斯市云东农林牧产业投资集团，内蒙古自治区 鄂尔多斯 017000）

中国老龄化全国委员会（CNCA）统计，到2020年中国60岁及以上的公民人数达到2.49×108人，约占中国总人口的17.4%，而在中国农村地区，人口老龄化现象尤为突出，绝大多数青年人都到了城市工作、生活，老年人成为农村地区的主要劳动力，势必要求农业逐步实现现代化。近年来，因拉尼娜（LANINA）现象导致内蒙古包头农村地区干旱严重，加之农村地区劳动力缺乏，粗放式的农田灌溉系统具有跑水、漏水、溢水和高耗能等缺陷，本文设计了一套基于PLC S7-300的农田节能绿色灌溉系统，有效提升了农村地区设备的自动化程度，改变了粗放式、高耗能、环保差的灌溉模式。

1 控制系统设计要求

控制系统设计灌溉面积约为7 000 m2，从节能性、实用性和方便性角度设计了变频泵控制农田灌溉系统。该系统结合液位二位式控制和压力PID控制方法。系统设备、元件使用不锈钢材质和PPR（三丙聚丙烯）管，该管材是目前最流行供水管，具有无毒无害、强度高、质量轻、不结垢、使用寿命长和食品级材料的特点[1]，保证了绿色和环保性能。

为使灌溉田有100%的灌溉率，系统将田地分为6行1列，每块小田约为1 170 m2，并每2块小田中间有一围堰，每块小田的侧面围堰都有一个电动阀门控制进水状态，在灌溉时，首先打开第1个小田电动阀阀门，关闭其他6块小田的阀门，只有第1块小田灌溉完成后才能启动第2块小田的电动阀门并自动关闭第1块小田的阀门，以此方式将6块小田依次完成灌溉，为了使系统节能、环保，在每个小田的地势高处设定一个水位开闭阀传感器，判定该小田是否完成灌溉，在水位到达该阀时，该检测阀闭合，将信号状态反馈给PLC，自动关闭该小田的进水阀门，开启第2块小田的灌溉，直到将整个田地灌溉完成，自动停止整个控制系统。

2 系统设计

2.1 PLC硬件系统设计

根据系统设计要求和成本考量，硬件系统采用Siemens S7-300中端PLC，CPU（控制器）：313C-2DP，DI16/D016；SM331（模拟量输入模块）：AI8*13bit；SM332(模拟量输出模块)：4*12bit；POWER模 块（MW明 纬 开 关 电 源AC-DC,220/24V）：150W。详细硬件配置如表1所示。

表1 硬件系统配置Tab.1 Hardware system configuration

控制系统启动后首先先监测田井或水库中水泵深度，水位高于水泵0.50 m时控制器发送指令启动变频器，利用变频器启动水泵开始将水泵入水箱，并打开水箱出水电动阀门，当水箱高度高于1.50 m时，PLC控制器停止变频器将水泵转为待机状态，当水箱水位低于0.90 m时PLC控制器重新启动变频器，水泵由待机状态转为工作状态，给水箱注水直到水位再次达到1.50 m，变频泵再次进入待机状态。当变频泵为水箱注水时，系统设计水箱进水管道压力PID控制，且压力设定值为0.25 MPa，当水泵达到设计管道压力时，水泵以0.25 MPa的压力工作，灌溉系统采用PLC二位式控制和PID控制，可有效节约能源，改变以前粗放式的灌溉模式。

水箱充水后，PLC控制器将打开水箱出水电动阀，通过PPR主管道给田地供水，此时第1块小田进水电动阀打开，其他5块小田进水阀门关闭，当第1块小田水位传感器闭合时，该小田已灌溉完毕，PLC控制器关闭第1块小田进水电动阀，并打开第2块小田电动阀门为第2块小田灌溉，直到将所有小田灌溉完毕后，自动停止系统。

为了方便灌溉农田，可以通过程序设计调整优先级，打开任意1块小田或同时打开几块小田进水阀灌溉田地，为了提升灌溉效率或压力，可以在水箱出水口增加1台出水泵，控制出水压力，解决同时灌溉几块小田的问题。

2.2 PLC软件程序设计

PLC软件程序采用STEP7 v5.6版本编程，考虑使用者的实际操作能力，可采用自动/手动控制2种模式，自动控制模式出现故障时可切换到手动模式控制，能单独对某个阀门开闭或设备启停。程序设计I/0分配表如表2所示。

表2 系统I/0分配Tab.2 System I/0 allocation

水箱进水二位式控制方法，首先水箱液位传感器监测水箱液位高度L，控制器调用库standard library中TI S7 converting blocks FC105块采集传感器液位高度L[2]，利用CMP指令比较L和0.90的大小，当L≤0.90 m，变频泵以0.25 MPa压力进水，再利用CMP指令比较L和1.50的大小，当L≥1.50 m，变频泵转为待机状态，PLC控制器依据液位高度L启停变频泵，从而控制变频器的工作状态。

当变频泵为水箱注水时，PLC控制变频器以0.25 MPa压力工作，PLC调用库standard library中PIDcontrol blocks[3]，控制块为FB41，并用该块输出到FC106块，控制变频器以0，25 MPa的恒定压力输出[4]。

3 系统成本分析

对2017年—2019年内蒙古包头地区普通农田漫灌成本数据统计，对比包头地区普通农田漫灌方式和本系统灌溉方式进行数据统计分析，分析结果如表3所示：

表3 包头地区普通农田漫灌和本系统灌溉数据Tab.3 General farmland flood irrigation and irrigation data of this system in Baotou

通过对比分析农田漫灌方式和本系统灌溉方式可得出，应用本系统可有效地解决农田粗放式、高耗能、底环保的灌溉模式。

4 结语

针对农村地区劳动力缺乏、人口老龄化严重、内蒙古包头地区干旱少雨等问题，设计了一套基于PLCS7-300的农田绿色自动化灌溉系统，介绍了系统硬件设计方法、软件编程思路和成本分析，结果表明该系统有效解决了高耗能、粗放式的农田灌溉模式，解决了农村地区劳动力问题，提升了农村地区灌溉系统自动化技术。