基于PLC的自动灌溉监控系统设计

2022-01-22侯伟程段金英孙瑶瑶耿伟杰

电子测试 2021年23期

侯伟程，段金英，孙瑶瑶，耿伟杰

（西京学院理学院，陕西西安，710123）

0 引言

近些年来，我国的农业数字化越来越普及，信息化手段被广泛应用于农产品加工和农业生产等各个领域。传统的自动灌溉系统已经无法满足现代化农业的要求。可编程控制器（PLC）具有高可靠性、强干扰防止能力和较强的适用性特性等特点[1-2]。此外，还可以利用PLC的串行通信和计算机的远程通信功能，实现多个PLC控制设备被计算机远程集中监控。因此，为提高农业生产效率为目的，可以从工业生产中的PLC的成功体验中，学习对农田作物的灌溉和生长状况进行实时监控，提高农田实际生产效率[3]。

1 自动灌溉监控系统总体方案

土壤湿度也被称作为土壤含水率，表示土壤干湿程度的物理量，是土壤含水量的一种相对变量，检测土壤湿度可以清楚的知道农田中土壤含水量为多少，需不需要灌溉，农作物如果严重缺水的话，会导致枯萎甚至死亡，而土壤中的湿度如果过高的话，就会恶化土壤的通气性，影响土壤微生物的活动，使农作物根部的呼吸、生命等活动受到阻碍，从而会影响到农作物地上部分的生长，所以控制土壤的湿度是很有必要的一个控制措施[3]。以西门子S7-200SMART PLC 作为整个灌溉系统的核心控制器，设计的总体方案如图1所示，输入信号有开关按钮信号、湿度传感器、雨量传感器和光敏开关，其中开关按钮信号和光敏开关为开关量输入信号，湿度传感器与雨量传感器为模拟量输入信号，电磁阀为输出信号。

图1 系统总体方案图

系统主要设置了3种灌溉模式，分别为手动灌溉模、自动灌溉模式和定时灌溉模式[4]。

（1）手动灌溉模式在于可以随时打开或者关闭灌溉控制系统，当下雨时，雨量传感器获取产生信号，使系统停止灌溉，同时雨量报警器输出报警。

（2）在自动模式下，PLC通过湿度传感器检测土壤的湿度值，根据设置的上下限自动开启灌溉。

（3）定时光灌溉模式，按下定时控制按钮，可以选择两种灌溉方式，可根据不同植物生长环境特性自由选择。第一种是每天白天的6：00或晚上20：00进行灌溉；第二种是每隔一天晚上根据光敏开关响应时进行灌溉浇水[5]。

2 自动灌溉控制系统硬件设计

2.1 I/O地址分配

根据自动灌溉监控系统设计要求，整个系统输入信号主要是为手动模式开关、自动模式开关、定时模式开关、手动启动开关、手动停止开关、自动启动开关、自动停止开关、光敏开关、定时模式下两种条件的选择和定时模式下早上6:00或晚上8:00灌溉选择，输出信号主要是电磁阀。中间变量有上位机手动模式状态位、上位机自动模式状态位、上位机定时模式状态位、上位机手动启动停止状态位、上位机自动模式启停状态位、上位机定时模式启停状态位。模拟量输入是土壤湿度传感器和雨量传感器，具体的I/O地址分配如表1所示。

表1 I/O地址分配表

2.2 PLC外围接线图

根据灌溉系统所编写的I/O地址分配表，画出如图2所示PLC开关量输入接线图，I0.0手动模式开关、I0.1自动模式开关、I0.2定时模式开关、I0.3自动启动按钮、I0.4自动停止按钮、I0.5手动启动按钮、I0.6手动停止按钮、I0.7早上6:00或晚上8:00选择、I1.0定时的两种模式的选择、I1.1光敏开关，输出接Q0.0电磁阀。

图2 PLC外围接线图

3 系统软件设计

3.1 PLC主程序流程图

自动灌溉监控系统的主程序流程图如3所示。系统初始化后进行灌溉，灌溉模式的选择，选择三种灌溉模式中的其中一种模式进行灌溉，手动模式主要是手动操作灌溉，模式和定时模式则需要判断湿度的值然后进行相应的操作。

图3 PLC 主程序流程图

（1）当选择的灌溉模式为手动模式时，直接进行手动打开电磁开关进行灌溉即可。

（2）当选择的灌溉模式为自动模式时，通过土壤湿度传感器检测到的湿度值判断土壤的湿度是否大于设定湿度最高值或者小于设定湿度最低值来进行PLC控制电磁阀的闭开。

（3）当选择的灌溉模式为定时模式时，通过土壤湿度传感器检测到的湿度值如果满足大于设定湿度最高值或者小于设定湿度最低值时，PLC开始判断是否满足两种灌溉的条件再来进行PLC控制电磁阀闭开的操作

3.2 MCGS组态画面监控设计

为了便于远程监控，本设计采用MCGS通用版设计了上位机监控界面。

3.2.1 监控界面设计

整个监控系统画面由水罐、当前时间、电磁阀、农田、农田的当前湿度、当前运行模式、当前运行状态、当时方式选择、参数设置组成，模拟当处于灌溉状态下时，水罐中的水流向农田，然后农田的湿度逐渐升高。按下手动按钮，手动指示灯灯亮，电磁阀打开后开始灌溉，再次按下手动按钮，灌溉模式停止，按下自动按钮，自动指示灯灯亮，只需要根据需要设置湿度上限和下限即可，当湿度传感器检测到湿度值处于低于最低值或是高于最高值时，电磁阀做出相应反应。按下定时按钮时，整个组态会根据画面中当前的时间进行相应反应，监控系统画面如图4所示。

图4 MCGS监控设计画面

3.2.2 MCGS与PLC通信

（1）打开“设备窗口”，双击“设备窗口”移动鼠标到空白处单机鼠标右键，选择“设备工具箱”，弹出“设备管理”双击“通用TCP/IP父设备”和“西门子_Smart200”进行添加,如图5所示。

图5 设备组态添加

（2）双击“通用TCP/IP父设备0--[通用TCP/IP父设备]”，在弹出的“通讯串口设备属性编辑窗口”设置如图6所示。

图6 TCP/IP父设备基本属性

（3）双击“设备0--[西门子-Smart200]”弹出“设备编辑窗口”，在连接变量处添加相应的通道如图7所示。

图7 TCP/IP父设备基本属性

4 调试与总结

搭建了自动灌溉监控系统的PLC控制系统，如图8所示。

图8 自动灌溉监控硬件实物

按下手动开关时，手动模式指示灯亮起，电磁阀处于打开状态，自动灌溉监控界面运行显示如图9所示。

图9 手动模式画面

按下自动按钮时，自动模式指示灯亮起，表示自动模式启动，由图10可以看到，设定的湿度上限为45%，设定的湿度下限是30%，当前农田的湿度为23%，低于设定湿度最小值30%，电磁阀处于打开状态。

图10 自动模式灌溉画面

图11 自动模式灌溉停止画面

在自动模式下，当土壤当前的湿度值为45%，而设定的湿度值上限为40%，湿度下限为30%，农田的湿度45%满足大于设定最高湿度40%，电磁阀处于关闭状态的，监控界面如图11所示。

按下定时按钮时，定时模式指示灯亮起，定时模式启动，由图12可以看到，设定的湿度上限为40%，设定的湿度下限是30%，当前农田的湿度为46%，满足低于设定湿度最小值30%，当前时间处于19:10，没有到所设置的6:00，所以此刻电磁阀是处于关闭状态的。当到达6:00以后电磁阀会处于打开状态，当选择晚上8:00灌溉时，第二种指示灯和8:00点指示灯会亮起，当系统的当前时间到晚上8:00以后，电磁阀会处于打开状态，否则电磁阀处于关闭状态。