基于PLC技术的无线数传水肥一体化系统设计

2022-10-21陈君霞甘文丁欣韦乐

装备制造技术 2022年7期

陈君霞，甘文，丁欣，韦乐

（广西水利电力职业技术学院，广西南宁 530000）

0 引言

根据《中共中央国务院关于做好2022年全面推进乡村振兴重点工作的意见》，为了不发生规模性返贫的情况，助推乡村振兴工作取得新进展。结合本地区域经济特色，果园种植已经成为农民收入的重要经济支柱，是实现乡村振兴的有效举措。但是果园传统的粗放型灌溉施肥方式，造成水肥消耗高、生产效率低、土壤板结等一系列问题，制约了果园种植业的可持续发展。水肥一体化技术在节水、节肥、省工、增效方面有明显的优势，是优质高效设施农业的发展趋势。因此，水肥一体化技术在果园中的推广势在必行。

提出了一种基于PLC技术的无线数传水肥一体化控制系统。无线数传即无线数据传输，只需在终端设备上连接无线数传设备和架设天线就可以完成数据传输，省去了有线通信方式中需要大量人力和物力来安装布线的麻烦。该系统能根据农作物特点和土壤的状况制定适宜农作物生长的水肥一体化灌溉计划[1]。

1 系统设计与原理分析

系统总体设计如图1所示。水肥一体控制系统以控制器为核心，主要由5大子系统构成，分别是：首部系统、施肥系统、远程监控系统、土壤墒情监测系统、田间阀控系统。首部系统的功能是进行清水灌溉。施肥系统的功能是进行肥料的配兑、水肥耦合。远程监控系统的功能是实现手机端的远程监控。土壤墒情监测系统的功能是采集土壤的温度、湿度、pH值、EC值信息。田间阀控系统的功能是根据控制器发出的指令实现对灌区启动灌溉或停止灌溉。

图1 系统总体设计

水肥一体控制系统工作模式分为手动控制、自动控制。当进行手动控制时，人为操作现场的控制按钮或者操作手机端控制界面，就可以进行水泵、阀门等设备的启动或停止，完成手动清水灌溉或者水肥一体灌溉。当进行自动控制时，土壤墒情监测系统把采集到的土壤墒情信息通过无线数传模块传送给控制器，并与设定值进行比较。当土壤湿度低于下限时，执行灌溉决策：启动抽水泵、打开灌溉总阀、打开田间电磁阀，进行清水灌溉；通过实时检测管道的压力，控制变频器的输出频率保证恒压供水；当土壤湿度高于上限时，停止灌溉。当采集到土壤的pH值、EC值不足时，根据果园作物种类、作物生长阶段、用户需求等信息，执行施肥决策：注入一定量的清水与肥料进行配兑，通过启动搅拌机使肥料稀释均匀，混肥罐中配兑出的肥料符合pH值、EC徝要求时，启动施肥泵、打开施肥阀门，实现水肥耦合。为了避免在高温的中午进行灌溉，执行灌溉决策时还需要对土壤的温度进行比较，选择在温度较低的早晨或傍晚进行灌溉。

2 关键硬件设计

本系统的硬件关键技术在于：利用无线技术采集土壤墒情信息、进行田间电磁阀的控制；进行水肥一体系统的远程监控。设计如图2所示。

图2 关键硬件设计

2.1 控制器

控制器为水肥一体化控制系统的核心器件，本系统采用西门子S7-200 SMART PLC为控制器，如图2所示。CPU模块标配以太网接口，省去了专用编程电缆的麻烦。通过以太网接口可与触摸屏等进行通信，其轻松的组网方式，为实现水肥一体系统的远程监控奠定基础。S7-200 SMART自带1个RS485接口，该接口与无线数传模块的RS485A、B端相接，通过对PLC软件的Modbus RTU通信编程，就可以实现与无线数传模块的通信。

2.2 无线数据传输设备

为了省去田间远距离布线的麻烦，本系统采用了无线数传模块采集土壤墒情信息和进行田间电磁阀的控制。本系统无线数传模块采用的型号是YL-500D。YL500D具有体积小、接收灵敏度高、抗干扰能力强、功耗小、距离远、传输速度快等优点，使用简单方便，该模块支持RS485通信接口，非常适合各类串口设备代替有线通信。YL500D模块可进行一对一的无线数据通信，一块无线数传模块通过RS485的A、B端在机房连接PLC，另一块无线数传模块在田间通过RS485的A、B端连接土壤墒情传感器和继电器控制模块，如图2所示。

为了实现无线数传技术对田间电磁阀的控制，田间阀控系统选择支持RS485通信方式的继电器控制模块ZZ-IO4O4D，如图2所示。ZZ-IO404D模块的OUT1～OUT4为四路继电器输出端，本系统将OUT1的常开端子连接外置继电器KA线圈的负极，KA线圈的正极接24VDC的正极。田间电磁阀控制原理：PLC写数据并通过无线数传模块发送给ZZIO4O4D，使OUT1的常开端子接通，则KA线圈得电导通。这时，KA的常开触点导通，田间电磁阀YV导通，进行田间灌溉。停止田间灌溉的控制方式相同，PLC只需要给OUT1端写一个断开的控制指令即可。

土壤墒情监测系统采用了RS485输出的土壤综合传感器YDBS-3001-TR，一个传感器可同时测量土壤温度、湿度、pH值、EC值的信息。YDBS-3001-TR优点：测量精度可达到3%以内；不会随时间的变化而产生漂移；除结合部分外整个机身做了防水防尘处理。土壤墒情信息采集原理：PLC通过无线数传模块发送读数据的指令，通过读取不同的寄存器来获取不同的墒情信息。

2.3 远程监控设备

为了实现对系统的远程监控，触摸屏选型时，要求能满足远程监控的要求：能使用手机等监控设备对水肥一体化系统进行远程监控。本系统的触摸屏选用威纶通cMT-SVR-200。cMT-SVR-200人机本体无屏幕的设计，可以直接将触摸屏安装于控制箱中，免除了屏幕耗损的顾虑；即便现场设备上需要屏幕显示时，也只需安装一台cMT-iV5即可。cMT-SVR-200支持威纶通的EasyAccess 2.0平台远程监控，可远程存取人机信息或进行PLC穿透工作。

3 软件设计

系统软件设计包括PLC程序设计和远程监控界面设计两部分。

3.1 PLC主程序设计

主程序分为自动控制和手动控制，如图3所示。

图3 主程序流程

自动控制程序根据土壤湿度变送器的采集信息决定是否要执行自动灌溉施肥程序。通过控制抽水泵的电机转速和电磁阀的开合进行清水灌溉。需要水肥一体灌溉时，如果混肥罐中配兑出的肥料符合pH值、EC徝，则启动施肥泵、施肥阀门，进行水肥耦合。当土壤湿度高于设定参数后自动停止灌溉施肥。

手动控制程序中，用户参考系统实时采集的状态参数、结合实际需求控制输出设备动作，用户可以随时开启或停止输出设备的动作，输出设备之间的动作不存在条件关联[2]。

3.2 无线数据传输程序设计

S7-200 SMART Modbus从站的数量最多为32个，各RS485设备均为PLC的从站。参与无线数传的RS485设备的地址必须各不相同，在进行编程设计前要确认或修改好RS485设备的地址。

PLC主站将采用轮询的方式访问从站，轮询前主站要进行初始化设置，MBUS_CTRL指令用于初始化主站通信[3]。MBUS_MSG用于启动对Modbus从站的数据读写发送请求。例如，需要采集土壤墒情信息时，要进行读数据，如图4所示。Slave：从站地址；RW：读写操作设置，0表示读，1表示写，现设置RW=0，则PLC读取土壤墒情从站数据。如果要控制田间电磁阀，则PLC需向从站发送数据，这时RW=1；Addr为起始的MODBUS寄存器地址，此地址使用时一定要正确编写；Count：读写的格式，表示从Addr这个地址开始的连续多少个地址进行数据的读写。DataPtr：读写数据存放的地址，使用指针的方式表示，实际地址以十六位的方式表示，现将采集到的土壤墒情数据存放在VW2000寄存器中。Done：完成位。当执行完成后，该为位1，因此当出现需要使用多个MBUS_MSG指令是，可以使用每个指令的Done来实现轮询的功能。

图4 读取从站数据

3.3 远程监控界面设计

远程监控界面使用EBpro软件来进行设计。利用威纶云平台的EasyAccess 2.0进行远程监控。远程监控界面设计包括：手动控制界面、自动控制界面、历史数据查询界面等。以手动控制界面为例，该界面设计了系统中输出设备的控制按钮和指示灯，如图5所示。当用户按下输出设备的接通按钮，输出设备打开，对应指示灯点亮；当用户按下输出设备的关闭按钮，输出设备关闭，对应指示灯熄灭。用户通过点击返回首页按钮，返回首页操作界面[2]。