基于PLC的智能灌溉系统设计

摘 要 针对如何能有效率地减少灌溉系统水资源浪费问题，本文应用PLC设计了一个智能灌溉系统，通过用户设定水位值，液面变化传给接受器的电信号，经过PLC系统运算产生输出信号到电机驱动模块，电机运转调节水量。经过实验分析结果表明本文所设计系统能够正常运行并且能够准确、快速地控制液位，克服了传统液位控制系统的很多弊端。

【关键词】智能灌溉 PLC 液位控制 水资源浪费

1 引言

水是一切生命过程中不可替代的基本要素，也是维系国民经济和社会发展的重要基础资源。近年来随着科技不断进步，经济高速发展，水资源危机开始显现并日渐明显。随着中国农业现代化进程的高速发展、农业结构的调整，节水灌溉自动化技术的要求越来越高，灌溉控制器在我国有着巨大的市场。本文引入了可编程逻辑控制（PLC），供水系统采用基于PLC的PID控制原理，PID控制器具有典型的结构，程序设计简单，参数调整方便，有较强的灵活性和适应性，使供水系统更加的安全可靠。

2 系统整体设计方案

2.1 液位检测系统设计

液位检测系统主要基于PID调节，需要注意的是，系统运行前需要控制液位水箱水路上的手动阀全部打开，打开水箱的出水阀至适当的位置。系统通过PLC控制液位的高度，实现的方法是，首先通过液位传感器把检测到的信号变成相应的电信号传到PLC模拟输入通道中，然后由PLC经过PID算法计算得出的输出信号，最后经过信号处理输出到执行器电动调节阀中控制阀门的开度，使得液位达到指定的高度，这个过程需要一定的时间，输出的信号和电动调节阀的开度成正比，控制器参数选择不合适，则会使得控制质量变坏，达不到预期的效果，所以PID参数的选择是很重要的，需要对其进行整定，可以采用响应曲线法，扩充临界比例度法、归一化参数法和试凑法等，其中应用试凑法对PID控制器的参数进行整定，可以不依赖于受控对象的数学模型，因此，工程上，PID控制器的参数常常是通过实验来确定，通过试凑，或者通过实验经验公式来确定。鉴于本系统实验室具有基本实体对象，本文应用试凑法对PID进行整定，具体凑试法的整定步骤为“先比例，再积分，最后微分”。

2.2 系统控制电路设计

液位检测系统的控制，设SV为给定信号，由用户通过计算机设定，PV为控制变量，取差为PID调节器的输入信号，经过PLC的PID运算后输出，输出信号经过PLC的D/A转换成模拟电信号后输出到电机，电机控制阀门，控制水的流量，使得水箱的液位保持设定值。水箱的液位压力变化经压力传感器检测转换为相应的电信号输入到PLC的输入接口，再经过A/D转换成控制量PV，给定值SV与控制量PV经过PLC的CPU的运算，又输入到PID调节器中，又开始了新的调节，所以系统能实时调节水箱的液位。

2.3 液位变送器模块设计

液位传感器将感受到的水位信号传送到控制器，控制器内的计算机将实际水位与设定值进行比较，得出偏差值，然后根据偏差的大小，向给水伐发出“开”“关”指令，使容器内液体达到设定值。经过分析对比本文确定采用静压力式液位变送器。

用静压测量原理如下：当液位变送器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压强公式为：

P=ρ・g・H+p0

式中：P为变送器迎液面所受压强；ρ为被测液体密度；g为当地重力加速度；H为变送器投入液体的深度；p0为液面上大气压。

3 系统软件设计思路

液位控制系统由PLC主控系统、电机驱动模块、水泵、液位变送器等4部分组成的。液位控制的实现过程是：首先液位感器将水箱的水位转化为电压信号，经过液位变送器转化成标准的电压信号，因为液位变送器输出的电压信号为0到10V，所以PLC的模拟口可以直接识别液位变送器输出的0-10V的电压信号。PLC主控系统内部的A/D将进来的电压信号转化为西门子S7―200PLC可识别的数字量最后通过程序运算变成实际的水位值，然后PLC将系统给定的水位与反馈回来的水位值进行比较并经过PID运算处理后，给PLC的PWM脉冲输出模块，然后输出的脉冲信号到电机驱动模块，这样控制信号控制驱动模块从而控制电机是正传还是反转，来实现是加水还是抽水，从而实现控制液位控制。其中PLC主控系统为水箱水位控制系统的核心部分起着重要作用。通过以上过程分析，软件设计需要确定I/O分配表、内存地址分配与PID指令回路表，然后设计实现功能程序。

4 结论

本文基于PLC技术和电力电子技术，采用软硬件结合，较好的完成了对容器内液体高度的控制。在本设计中，完成了以软件方式对液位信号的串级处理，液位检测单元采用静压力式液位变送器，其优点是水位的变化和输出电压信号的变化呈线性关系，能完成0-1米水位的精确测量，并通过电机驱动模块对电机正反转控制来实现抽水和加水，从而实现对水位的控制，并通过液晶显示技术对当前水位是实现实时显示和监测。针对我国大部分的灌溉系统水资源利用率不高问题，本系统将是一个比较理想的智能灌溉系统。

参考文献

[1]宫淑贞，徐世许.可编程控制器原理及应用（第3版）[M].北京：人民邮电出版社，2012.

[2]邓昀，程小辉.智能灌溉系统的无线传感器网络设计[J].自动化仪表，2013（2）：80-83+88.

[3]周海涛.基于声发射农业智能灌溉系统[J].电脑知识与技术，2013，9（6）：1442-1443.

[4]王永刚，贾科进，周萌.基于LIN总线的低功耗智能灌溉系统[J].节水灌溉，2013（10）：77-80.

[5]李建，蓝章礼，王裕先，等.高速公路绿化带光伏智能灌溉系统设计与实现[J].节水灌溉，2014（7）：79-82.

作者单位

沈阳工程学院自动化学院 辽宁省沈阳市 110136