一種節水灌溉控制系統的製作方法

2023-10-20 19:22:27

本實用新型屬於自動灌溉技術領域，具體涉及一種節水灌溉控制系統。

背景技術：

我國水資源短缺，利用率低，水浪費嚴重，供需矛盾突出，嚴重製約我國社會經濟的發展。解決水資源短缺問題最根本的出路在節水，建設節水型社會是新農村建設發展節水的根本途徑。我國水資源總量並不算少，但是人均水資源量僅是世界平均數的26％，而灌溉用水量偏多是多年存在的一個突出問題。因此要節約用水，合理灌溉，發展節水農業。要做到這些，深入了解作物蓄水規律，掌握合理灌溉的時期、指標和方法，實行科學供水是非常重要的。

節水灌溉的基本原則就是用少量的水取得最大的效果，而合理的灌溉是農作物正常生長發育並獲得高產的重要保證，可取得良好的生理效應和生態效應，增產效果顯著。國外一些噴灌系統設備結構複雜、成本較高，其安裝和維護過程都很複雜，不適合在我國使用。隨著水資源的日趨緊張及信息技術的發展，開發具有自主智慧財產權的節水灌溉控制系統不僅具有廣闊的市場前景，而且具有巨大的社會效益。如何設計一種提高操作準確性、能夠定時、定量、高效地給作物自動補充水分的自動灌溉系統成為本領域技術人員研究的課題。

技術實現要素：

本實用新型所要解決的技術問題在於針對上述現有技術中的不足，提供一種節水灌溉控制系統，定時、定量、高效地給作物自動補充水分。

本實用新型採用以下技術方案：

一種節水灌溉控制系統，包括PLC控制器、光伏供電模塊、採樣模塊、土壤監測模塊和光伏水泵，其中，所述光伏供電模塊包括太陽能板，所述太陽能板通過太陽能轉換控制模塊和蓄電池連接，為所述PLC控制器以及所述光伏水泵供電，所述採樣模塊和土壤監測模塊與所述PLC控制器連接，用於將各塊試驗田的水溫、液位、土壤飽和水量以及土壤養分含量等信息傳輸給所述PLC控制器，所述PLC控制器的輸出端通過變頻器連接所述光伏水泵，用以控制所述光伏水泵進行恆壓灌溉。

進一步的，所述採樣模塊包括溫度傳感器、流量計和液位計，所述溫度傳感器、流量計和液位計分別通過數據採集模塊和A/D模塊與所述PLC控制器連接。

進一步的，所述採樣模塊還包括設置在灌溉管道上的壓力傳感器，所述壓力傳感器通過數據採集模塊和A/D模塊與所述PLC控制器連接，用於將實際的水壓值傳輸給所述PLC控制器並通過變頻器調節所述光伏水泵的速度。

進一步的，所述土壤監測模塊為土壤飽和含水監測器，土壤飽和含水監測器通過數據採集模塊和A/D模塊與所述PLC控制器連接，用於測出土壤養分含量並將數據上傳給PLC控制器。

進一步的，所述變頻器還連接有自動施肥模塊，用於按照設定的營養液濃度EC值和pH值來進行恆量定比滴灌施肥。

進一步的，所述自動施肥模塊包括注肥泵和注酸泵，所述電磁閥與所述注肥泵和注酸泵連接，所述注肥泵和注酸泵經過過濾器與所述光伏水泵連接，用於自動灌溉施肥。

進一步的，所述過濾器上設置有EC/pH測量儀用於測量肥料的EC值和pH值，所述EC/pH測量儀通過A/D模塊與所述PLC控制器連接，用於控制肥液和酸液的輸入。

進一步的，所述PLC控制器通過無線數傳模塊連接上位機用於遠程監控。

進一步的，所述PLC控制器上還設置有人機界面，用於現場操控。

進一步的，所述PLC控制器採用西門子S7-200系列，所述太陽能電池板採用SHP200W-1P電池板組件，所述光伏水泵為SHP0.7/30-24型，所述變頻器採用西門子MM3117。

與現有技術相比，本實用新型至少具有以下有益效果：

本實用新型利用PLC控制器來控制灌溉系統，通過採樣模塊和土壤監測模塊將各塊試驗田的水溫、液位、土壤飽和水量以及土壤養分含量等信息傳輸給所述PLC控制器，通過變頻器連接所述光伏水泵，用以控制所述光伏水泵進行恆壓灌溉，能更精準地控制灌溉量，大大提高了灌溉系統的智能化，實現了智能節水灌溉，提高系統響應速度，減少反應時間，利用光伏供電模塊為灌溉系統提供電能，既解決了在灌溉地區進行灌溉所需的能源問題，又具有很好的節能減排效應，且保護了生態環境。

進一步的，本系統還連接自動化施肥控制系統，以滴灌形式來進行全自動恆量滴灌施肥，要求根據用戶設定的營養液濃度EC值和pH值，滿足農作物不同生長階段所需的水及肥，適時調整水肥比例、供給量及供給時間，以達到優質高產的目的。

進一步的，可分為遠程模式與現場模式，既可以通過上位機對太陽能自動灌溉系統進行操作控制，又可以切換至現場模式，在現場直接控制所有的閥門和電機，以便於系統的調試、檢修與維護。

綜上所述，本實用新型利用PLC控制器通過控制灌溉變頻器，並採用低壓管道輸水灌溉技術，灌水時僅需較低的壓力，通過管道系統，將水直接輸送田間溝畦灌溉農田，省水、省人工時、省地，通過管道輸送水，避免滲透地下，自然蒸發等損耗。

下面通過附圖和實施例，對本實用新型的技術方案做進一步的詳細描述。

【附圖說明】

圖1為本實用新型系統示意圖；

圖2為本實用新型灌溉系統控制原理圖。

【具體實施方式】

本實用新型中PLC作為整個控制系統的底層單元，對整個控制系統的數據採集和處理具有重要作用，它完成水溫、液位、土壤飽和水量以及土壤養分含量等信息的採集，將所採集到的數據經過A/D轉換模塊進行轉換，將所轉換的數據利用PLC控制器的模糊控制技術進行處理，將輸出信號給變頻器，以實現自動恆壓灌溉的目的。同時上位機模塊實時監控PLC控制器的內部數據。

請參閱圖1所示，本實用新型公開了一種節水灌溉控制系統，包括PLC控制器、光伏供電模塊、採樣模塊、土壤監測模塊和光伏水泵，其中，所述光伏供電模塊包括太陽能板，所述太陽能板通過太陽能轉換控制模塊和蓄電池連接，為所述PLC控制器以及所述光伏水泵供電，所述採樣模塊和土壤監測模塊與所述PLC控制器連接，用於將各塊試驗田的水溫、液位、土壤飽和水量以及土壤養分含量等信息傳輸給所述PLC控制器，所述PLC控制器的輸出端通過變頻器連接所述光伏水泵，用以控制所述光伏水泵進行灌溉。

其中，所述採樣模塊包括溫度傳感器、流量計和液位計，所述溫度傳感器、流量計和液位計分別通過數據採集模塊和A/D模塊與所述PLC控制器連接。所述採樣模塊還包括設置在灌溉管道上的壓力傳感器，所述壓力傳感器通過數據採集模塊和A/D模塊與所述PLC控制器連接，用於將實際的水壓值傳輸給所述PLC控制器並通過變頻器調節所述光伏水泵的速度。所述土壤監測模塊為土壤飽和含水監測器，土壤飽和含水監測器通過數據採集模塊和A/D模塊與所述PLC控制器連接，用於測出土壤養分含量並將數據上傳給PLC控制器。

請參閱圖2所示，系統的控制原理是，通過PLC控制器的PID環節，對水壓進行恆定控制從而實現恆壓灌溉，恆壓的控制就是使得實際水壓永遠跟隨設定的水壓。控制過程是：在系統中設定一個水壓值，系統通過壓力傳感器和壓力變送器將實際的水壓值傳輸到PLC中，PLC會對實際值和設定值進行比較，當實際值小於設定值是，PLC會通過PID控制環節，對變頻器的頻率進行控制，提高變頻器的輸出頻率，增加水泵的轉速，從而提高實際水壓。當實際水壓提高到一定值是，壓力傳感器又將實際水壓值傳入PLC，PLC會在對實際水壓和設定水壓進行比較，當實際水壓大於設定水壓時，PLC就會控制變頻器降低輸出頻率，從而實現對水泵的降速控制，使得實際水壓始終跟隨設定水壓。

系統只用PLC中的PID模塊實時控制系統進行恆壓灌溉，通過變頻器控制電機的變頻運行，同時在壓力不夠的情況下還要加入其它電機進行工頻運行，從而實現管網中的壓力與管理員設定的壓力相等，最後系統還要能夠對灌溉實時數據進行傳輸和監控。

把PLC和變頻器用串口線相連接，然後用RS485將PLC與PC機相連接，在PC機中應用組態軟甲設計出一套人機互動界面，對系統的數據和故障進行實時監控和管理，通過壓力傳感器和壓力變送器將管道中的水壓進行採樣，傳輸到PLC中與設定值進行比較，從而實現系統的恆壓灌溉。這種系統的控制方式十分靈活，同時擴展模塊很多，編程簡單、維護方便，並且系統對負載的容量沒有限制，適用於不同的場合。

壓力傳感器是將管道中的壓力信號變成模擬量信號，然後通過壓力變送器將該模擬量信號傳送到PLC的模擬量模塊EM235，EM235把採樣的模擬信號轉換為數位訊號輸入到PLC中。通過PLC中的PID模塊對水壓進行控制，實現恆壓灌溉。同時壓力值可以作為一個報警量輸入到PLC中，壓力傳感器和壓力變送器均為普通的類型，壓力測量範圍是0到1MP，傳感器的精度為1.5，壓力信號是PID控制過程中的負反饋型號，在系統中一般要設定一個上限壓力和一個下限壓力。

所述變頻器還連接有自動施肥模塊，用於按照設定的營養液濃度EC值和pH值來進行恆量定比滴灌施肥。所述自動施肥模塊包括注肥泵和注酸泵，所述電磁閥與所述注肥泵和注酸泵連接，所述注肥泵和注酸泵經過過濾器與所述光伏水泵連接，用於自動灌溉施肥。所述過濾器上設置有EC/pH測量儀用於測量肥料的EC值和pH值，所述EC/pH測量儀通過A/D模塊與所述PLC控制器連接，用於控制肥液和酸液的輸入。

自動化施肥裝置具體需要滿足的主要功能如下：

(1)設定功能：EC值、pH值、施肥時間、開始灌溉的時間、灌溉的時間間隔時間設定；

(2)定時控制：加酸、肥液的送液、停液進行定時控制；

(3)測試功能：實現實時檢測EC值、pH值，以及水流量、肥流量；

(4)在線調控：實時調控EC值、pH值，提供作物適宜的營養液；

(5)手動控制：可以手動實現獨立灌溉施肥；

(6)顯示功能：實時顯示當前測得的EC值、pH值，可以查詢開始灌溉的時間、灌溉的時間間隔、當前系統時間和已灌溉時間。

本控制系統要求根據用戶設定的營養液濃度EC值和pH值來進行恆量定比滴灌施肥，以滿足農作物不同生長階段適時調整水肥比例、供給量及供給時間，以達到優質高產的目的。注肥比例是由肥液、酸(或鹼)液以及灌溉水按照設定值進行在線閉環調控實現的，EC值和pH值作為反饋信號控制注肥泵和注酸泵的運轉速度來控制肥液和酸液的輸入。系統的控制參數是EC值和pH值，精度要求EC值為±0.15mS/cm，pH值為±0.15pH，穩定時間3分鐘以內，系統超調小於15％。自動灌溉施肥能夠做到自動灌溉同步，能以分鐘為單位實現按時灌溉施肥，控制參數為時間，控制精度為10秒。

混合好的營養液通過EC、pH傳感器測量放大後經變送器輸出4～20mA的電流信號給AD電路轉換為數位訊號，PLC控制器將其與設定值SV相比較，PLC控制器根據偏差值e經過處理運算後將控制信號經由DA模塊轉換為4～20mA信號，傳遞給變頻調速器，由變頻器控制交流電動機的轉速n，從而實現營養液EC值和pH值恆定控制。

優選的，所述PLC控制器採用西門子S7-200系列，所述太陽能電池板採用SHP200W-1P電池板組件，所述光伏水泵為SHP0.7/30-24型，所述變頻器採用西門子MM3117。

變頻器選型採用西門子MM3117型號變頻器，西門子MM3117變頻器一款高性能的通用變頻器。它有一個模擬量輸入端，五個數字量輸入端，同時具備一個模擬量輸出和多個繼電器輸出埠，通信接口採用RS485與上位機相連接。具有十分強大的過載能力，當電流過載1.4倍時，可以持續3s；當過載能力為140％額定負載電流時，持續時間為3秒，當過載電流為1.1倍時，持續時間為60秒；同時變頻器還具有過熱、過壓、欠壓等保護功能。

所述PLC控制器通過無線數傳模塊連接上位機用於遠程監控。PLC控制器上還設置有人機界面，用於現場操控。在現場直接控制所有的閥門和電機，以便於系統的調試、檢修與維護。

以上內容僅為說明本實用新型的技術思想，不能以此限定本實用新型的保護範圍，凡是按照本實用新型提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本實用新型權利要求書的保護範圍之內。