基于PLC的屋顶花园灌溉系统的应用

摘 要：由于屋顶花园特殊的环境， 本文针对屋顶花园植物在高温状态下出现光合午休现象以及高温胁迫问题， 提出了在屋顶花园的工程实践中引入基于PLC的节水灌溉系统：手动灌溉模式能根据用户要求设定各灌区的灌溉顺序和灌溉时间；自动灌溉模式通过内置程序把湿度传感器测定的土壤湿度信号输入到PLC，与土壤最佳含水量对比，从而判断是否灌溉。

关键词：PLC；节水灌溉；土壤湿度；空气温度；太阳能

1 灌溉系统工作原理

本文以松下公司FP1系列的PLC为核心，选用C40C型可编程控制器来开发了此套灌溉控制系统，此控制系统能手动设置对各轮灌区定时灌溉，也可以通过土壤湿度传感器，空气温度传感器，雨量传感器与控制器形成全自动闭环控制系统，在一定条件下自动灌溉。

系统具体的工作原理如下：

（1）土壤湿度对灌溉设施启停的控制。土壤水分同时受到土壤孔隙毛管引力和土粒分子引力的作用，土壤引力愈大， 土壤含水量就越低； 土壤吸力越小， 土壤孔隙中的水分越多， 则土壤含水量越高。由于土质不同，其含水量也就不同， 而且土壤湿度传感器对土壤湿度的检测具有滞后效应， 所以，在灌溉区域设，系统设立了多个土壤湿度传感器。当70%以上的湿度传感器达到系统的设定值时， 系统对土壤湿度取平均值， 用于判决渗灌设施的启停；不足70%的湿度传感器达到系统的设定值时，系统用单个土壤湿度传感器的湿度值来判决局部区域灌溉设施的启停。

（2）在高温期间，为了能显著提高植物的光合速率和水分利用率，应该避免高温和干旱逆境因子交叉的发生。在32°～42°的高温下，会导致光合作用的急剧下降以及植物降温效果的下降。因此， 温度系统的门限值设定为32°。系统在灌溉区域应均匀设立几个温度传感器， 在70%以上的温度传感器达到系统的门限值时， 系统自动启动灌溉设施； 70%以下的温度传感器的值达到系统的整定值时， 系统对单个温度传感器的湿度值来判定，当湿度值达到温度系统的门限值时，启动局部区域的灌溉设施，反之，则不启动局部区域灌溉设施。

2 控制系统的各部分功能

本文选用C40C可编程序控制器作为灌溉系统的核心控件，它具有24点（X0～X23）输入，16点（Y0～Y15）输出，带有RS232口及日历/时钟功能，供电电源为24 V太阳能电池板，同时可以控制4路A/D、4路D/A。系统可以方便地扩展输入输出口，系统中除温度，湿度传感器为模拟信号外，其它输入输出信号均为开关量。

根据灌溉控制系统的要求，系统由这几部分组成：PLC控制器C40C，直流24 V太阳能电池板电源，数据采集器件（包括土壤湿度传感器、空气温度传感器，雨量传感器），各类按钮和执行输出器件（包括电磁阀，带动水泵的电机，报警装置为报警指示闪烁灯或报警电铃）。某个指示灯亮表明当前系统处于某个对应的工作状态。系统中电机采用太阳能启动，启动时继电器接通，2s后继电器断开，继电器接通，即完成太阳能启动。

手动灌溉模式是指人为的对当前灌溉系统进行控制，具有手动设定各电磁阀的开启时间和开启顺序的功能，当某个电磁阀闭合时，其对应的指示灯亮，断开时，指示灯灭。当雨量传感器有信号，即下雨时，将停止灌溉，同时雨量报警器报警。

自动灌溉模式是指系统控制器收集土壤湿度传感器得到的土壤湿度信号，并与设定的适于作物生长的土壤湿度进行比较，然后决定是否灌溉，自动控制电机与电磁阀的启停。在本系统中，选用2000YZ型土壤负压传感器来测量土壤湿度。它的测量范围为0～-85kPa，一般说来，当土壤吸力大于-70kPa值，土壤就需要补水，否则会影响植物的正常生长，所以它基本上能满足植物的需水范围。2000YZ型土壤负压传感器的输出为0～50 mv，测量深度为200 ～2000 mm，使用环境为0～500℃，总精度为±2%。在该系统中，把湿度传感器得到的土壤湿度信号放入PLC的数据寄存器DT0中，把所设定的土壤湿度上限值放入DT4，下限值放入DT2中，同时可以通过相应的指示灯来判断当前土壤是否缺水。在植物开花期土壤最佳含水量用土壤负压表示为-50kPa到-60kPa，即当土壤负压小于-60kPa时，灌溉系统自动打开灌水阀门对植物进行灌溉。

3 灌溉系统的优点

本系统有显著的优点：首先， 实现了太阳能的高效利用， 因而使用方便、安全节能； 其次， 温度、湿度两个因素控制灌溉系统的启停， 比单一的干湿或温度等单因素控制灌溉系统更为合理； 再次， 能够充分利用屋顶的太阳能资源优势， 与屋顶花园结合使用可实现资源的优化配置， 同时也大大降低了灌溉系统后期的维护成本， 实现屋顶花园的现代化、科学化管理。

4 结语

本文以C40C可编程序控制器为核心来构建屋顶花园灌溉控制系统，系统具有手动设定功能，能根据实际情况来设定对某一区域的灌水时间；系统还具有自动灌溉功能，能根据土壤湿度传感器和温度传感器得到的土壤湿度信号和温度信号与土壤的最佳湿度值和空气的温度门限值对比，自动进行灌溉系统的启停；系统采用太阳能启动电机，采用太阳能驱动温湿控制，有效的利用的太阳能资源，节省大量电能。

参考文献

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3 常斗南，李全利，张学武.可编程序控制器原理・应用・试验[M].北京：机械工业出版社，2002