农田节水灌溉自动控制系统的设计

寇元金

（江西工业职业技术学院，江西南昌 330000）

1 系统控制原理与设计方案

1.1 系统控制原理

本系统采用恒压供水的思路，引入PID算法对PLC控制的水泵驱动电机变频器进行闭环调控，以达到在任意状态下水泵都能够根据农田灌溉的实际需求进行自动化的合理供水，实现节水灌溉的目的。具体的控制过程为：通过PLC编程设定一个水压值，灌溉过程中外部模拟量模块和传感器实时采集实际的水压和水位值，并传输给PLC进行比较，当实际值低于设定值时，PLC即通过PID控制方法提升水泵驱动电机变频器的输出频率，提升输出的水流量；反之，则降低水泵驱动电机变频器的输出频率，降低输出的水流量，确保实际的灌溉输出水压与设定水压保持一致。采用上述控制模式，能够保证实际的输出水压精准地维持在恒定的设置值，避免由于开环输出导致的灌溉水资源浪费。

1.2 系统设计方案

根据系统的控制原理和过程，确定采用西门子S7-200型PLC+西门子MM440变频器+EM235模拟量模块+昆仑通泰触摸控制屏+压力传感器+液位传感器+水泵电机作为系统的硬件模块，以MCGS+STEP7+PPI通信线缆作为系统的软件模块，构建“上位机+下位机”一体的设计方案。其中，S7-200型PLC为硬件控制核心，用于对水压和水位数据进行比较，通过PID运算后向变频器发送具体的调控指令；以昆仑通泰触摸控制屏构建简单的上位机监控平台，实现农田节水灌溉现场中近距离的监控操作；压力和液位传感器用于实时采集灌溉水压和水位数据，并通过EM235模块采集运算后传输给PLC；MCGS是组态系统构建的平台，STEP7是系统梯形图控制程序编译的平台，PPI是系统数据通信的载体。具体的系统设计方案见图1。

图1 系统整体设计框图Fig.1 The overall system design block diagram

2 系统硬件设计

2.1 硬件选型及设计

对本系统主要硬件进行选型及相关设计阐述如下：①PLC模块。选用西门子S7-200型PLC，具体的CPU型号为226型，该款PLC自带2个RS485通信端口，内部集成PID模块，能够满足本系统所需的恒压变频节水灌溉控制需求。②模拟量变送模块。选用EM235模拟量变动模块，实现对灌溉水压、液位数据的采集处理。实际的接线设计上，将该模块的L+端与DC24V电源正极相连，M端连接电源负极，水压数据信号由模块输入通道C引入，液位数据信号由模块输入通道D引入，模块输出端的I0与M0相连。③上位机监控模块。选用昆仑通泰TPC7062K触摸屏作为上位机监控模块核心，该款触摸屏尺寸为7寸，分辨率为800×480，采用ARM CPU，主频达到400MHZ，内部存储空间为64M。④变频器模块。选用西门子MM440变频器，设置P2280为灌溉水压的PID比例增益系数，P2285为PID积分时间，P2269为PID反馈信号的增益。⑤水泵驱动电机。选用Y100L2-4型三相交流异步电机。

2.2 PLC的I/O端子分配

根据农田节水灌溉的实际需求和硬件整体设计方案，对S7-200型PLC的I/O端子进行科学分配，以便为梯形图控制程序的编译和系统硬件接线装配提供参照，具体的如下：①输入端口分配。i0.0=启动系统，i0.1=停止系统，i0.2=报警输入显示，i0.3=紧急制动系统，AIW0=灌溉水泵液位传感器，AIW1=灌溉水泵输出压力传感器。②输出端口分配。Q0.0=1#节水灌溉电机线圈，Q0.1=2#节水灌溉电机线圈，Q0.2=3#节水灌溉电机线圈，Q0.3=MM440变频器启动线圈，Q0.4=报警器输出线圈，AQW0=变频器评论设定。此外，本系统预留了大量的PLC输入及输出端子，以便技术人员根据农田灌溉规模、引水渠流量、不同季节灌溉需求等实际可变的因素，对输出水泵驱动电机、灌溉水泵液位传感器、灌溉水泵压力传感器的个数进行扩展。

3 系统软件设计

3.1 梯形图程序设计思路

系统梯形图程序编译流程如图2所示，基于STEP7软件平台设计，根据农田节水灌溉的实际需求，整个系统的梯形图程序设计由以下环节构成：①启动。按下启动按钮后，系统进行自检，同时开中断、定时器等。②执行灌溉。启动完成后，系统开始自动执行农田灌溉作业。③反馈比较。在进行农田灌溉作业时，水泵的压力和液位传感器会实时采集相关的数据，并通过EM235反馈给PLC与预制灌溉参数进行比较。④恒压节水调控。倘若比较结果与预制设置值一致，不启动PID调控，反之，则启动PID调控，以达到恒压供水灌溉的目的。⑤返回。程序执行完一次后返回，之后循环执行。

图2 系统梯形图程序设计流程Fig.2 The program design flow of system ladder diagram

3.2 PID控制设计

本系统PID控制的目标为：通过执行PID实时运算和调控，确保水泵电机驱动输出的水压与预制参数一致，以恒压供水的方式达到节水灌溉的目标。具体的PID参数设计及工作原理为：压力传感器实时采集水泵电机输出的实际水压PV（n），将其与PLC内的预制压力值SP（n）进行比较，计算得到误差值e（n），进行PID核算后，得到待调整输出值M（n），经过数模转换传送给变频器进行恒压变频调控。具体的PID控制功能图如图3所示：

图3 节水灌溉系统PID控制功能Fig.3 The PID control function of water saving irrigation system

4 结语

在对系统硬件和软件部分进行结构性设计的基础上，采用MCGS组态软件编写系统的上位机监控平台，主要设置启动、停止、报警3个按钮控件，增加图表报警、流动块、水泵电机、压力阀等工具控件，根据PLC输入和输出端子的排列表对上述控件进行变量关联，并通过RS485通信口将昆仑通泰触摸屏与PLC连接起来，建立监控系统，以实现对农田节水灌溉系统运行的中近程监控。本系统以经济性和实用性作为设计理念，运用PLC构建了完整的农田节水灌溉系统，对中小型规模农田的节水灌溉具有重要价值，希望得到进一步的推广应用。