寇元金

（江西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西南昌 330000）

1 系統(tǒng)控制原理與設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)控制原理

本系統(tǒng)采用恒壓供水的思路，引入PID算法對(duì)PLC控制的水泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)變頻器進(jìn)行閉環(huán)調(diào)控，以達(dá)到在任意狀態(tài)下水泵都能夠根據(jù)農(nóng)田灌溉的實(shí)際需求進(jìn)行自動(dòng)化的合理供水，實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉的目的。具體的控制過(guò)程為：通過(guò)PLC編程設(shè)定一個(gè)水壓值，灌溉過(guò)程中外部模擬量模塊和傳感器實(shí)時(shí)采集實(shí)際的水壓和水位值，并傳輸給PLC進(jìn)行比較，當(dāng)實(shí)際值低于設(shè)定值時(shí)，PLC即通過(guò)PID控制方法提升水泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)變頻器的輸出頻率，提升輸出的水流量；反之，則降低水泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)變頻器的輸出頻率，降低輸出的水流量，確保實(shí)際的灌溉輸出水壓與設(shè)定水壓保持一致。采用上述控制模式，能夠保證實(shí)際的輸出水壓精準(zhǔn)地維持在恒定的設(shè)置值，避免由于開(kāi)環(huán)輸出導(dǎo)致的灌溉水資源浪費(fèi)。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)系統(tǒng)的控制原理和過(guò)程，確定采用西門(mén)子S7-200型PLC+西門(mén)子MM440變頻器+EM235模擬量模塊+昆侖通泰觸摸控制屏+壓力傳感器+液位傳感器+水泵電機(jī)作為系統(tǒng)的硬件模塊，以MCGS+STEP7+PPI通信線纜作為系統(tǒng)的軟件模塊，構(gòu)建“上位機(jī)+下位機(jī)”一體的設(shè)計(jì)方案。其中，S7-200型PLC為硬件控制核心，用于對(duì)水壓和水位數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，通過(guò)PID運(yùn)算后向變頻器發(fā)送具體的調(diào)控指令；以昆侖通泰觸摸控制屏構(gòu)建簡(jiǎn)單的上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田節(jié)水灌溉現(xiàn)場(chǎng)中近距離的監(jiān)控操作；壓力和液位傳感器用于實(shí)時(shí)采集灌溉水壓和水位數(shù)據(jù)，并通過(guò)EM235模塊采集運(yùn)算后傳輸給PLC；MCGS是組態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建的平臺(tái)，STEP7是系統(tǒng)梯形圖控制程序編譯的平臺(tái)，PPI是系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的載體。具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖Fig.1 The overall system design block diagram

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件選型及設(shè)計(jì)

對(duì)本系統(tǒng)主要硬件進(jìn)行選型及相關(guān)設(shè)計(jì)闡述如下：①PLC模塊。選用西門(mén)子S7-200型PLC，具體的CPU型號(hào)為226型，該款PLC自帶2個(gè)RS485通信端口，內(nèi)部集成PID模塊，能夠滿足本系統(tǒng)所需的恒壓變頻節(jié)水灌溉控制需求。②模擬量變送模塊。選用EM235模擬量變動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉水壓、液位數(shù)據(jù)的采集處理。實(shí)際的接線設(shè)計(jì)上，將該模塊的L+端與DC24V電源正極相連，M端連接電源負(fù)極，水壓數(shù)據(jù)信號(hào)由模塊輸入通道C引入，液位數(shù)據(jù)信號(hào)由模塊輸入通道D引入，模塊輸出端的I0與M0相連。③上位機(jī)監(jiān)控模塊。選用昆侖通泰TPC7062K觸摸屏作為上位機(jī)監(jiān)控模塊核心，該款觸摸屏尺寸為7寸，分辨率為800×480，采用ARM CPU，主頻達(dá)到400MHZ，內(nèi)部存儲(chǔ)空間為64M。④變頻器模塊。選用西門(mén)子MM440變頻器，設(shè)置P2280為灌溉水壓的PID比例增益系數(shù)，P2285為PID積分時(shí)間，P2269為PID反饋信號(hào)的增益。⑤水泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)。選用Y100L2-4型三相交流異步電機(jī)。

2.2 PLC的I/O端子分配

根據(jù)農(nóng)田節(jié)水灌溉的實(shí)際需求和硬件整體設(shè)計(jì)方案，對(duì)S7-200型PLC的I/O端子進(jìn)行科學(xué)分配，以便為梯形圖控制程序的編譯和系統(tǒng)硬件接線裝配提供參照，具體的如下：①輸入端口分配。i0.0=啟動(dòng)系統(tǒng)，i0.1=停止系統(tǒng)，i0.2=報(bào)警輸入顯示，i0.3=緊急制動(dòng)系統(tǒng)，AIW0=灌溉水泵液位傳感器，AIW1=灌溉水泵輸出壓力傳感器。②輸出端口分配。Q0.0=1#節(jié)水灌溉電機(jī)線圈，Q0.1=2#節(jié)水灌溉電機(jī)線圈，Q0.2=3#節(jié)水灌溉電機(jī)線圈，Q0.3=MM440變頻器啟動(dòng)線圈，Q0.4=報(bào)警器輸出線圈，AQW0=變頻器評(píng)論設(shè)定。此外，本系統(tǒng)預(yù)留了大量的PLC輸入及輸出端子，以便技術(shù)人員根據(jù)農(nóng)田灌溉規(guī)模、引水渠流量、不同季節(jié)灌溉需求等實(shí)際可變的因素，對(duì)輸出水泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)、灌溉水泵液位傳感器、灌溉水泵壓力傳感器的個(gè)數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 梯形圖程序設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)梯形圖程序編譯流程如圖2所示，基于STEP7軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)，根據(jù)農(nóng)田節(jié)水灌溉的實(shí)際需求，整個(gè)系統(tǒng)的梯形圖程序設(shè)計(jì)由以下環(huán)節(jié)構(gòu)成：①啟動(dòng)。按下啟動(dòng)按鈕后，系統(tǒng)進(jìn)行自檢，同時(shí)開(kāi)中斷、定時(shí)器等。②執(zhí)行灌溉。啟動(dòng)完成后，系統(tǒng)開(kāi)始自動(dòng)執(zhí)行農(nóng)田灌溉作業(yè)。③反饋比較。在進(jìn)行農(nóng)田灌溉作業(yè)時(shí)，水泵的壓力和液位傳感器會(huì)實(shí)時(shí)采集相關(guān)的數(shù)據(jù)，并通過(guò)EM235反饋給PLC與預(yù)制灌溉參數(shù)進(jìn)行比較。④恒壓節(jié)水調(diào)控。倘若比較結(jié)果與預(yù)制設(shè)置值一致，不啟動(dòng)PID調(diào)控，反之，則啟動(dòng)PID調(diào)控，以達(dá)到恒壓供水灌溉的目的。⑤返回。程序執(zhí)行完一次后返回，之后循環(huán)執(zhí)行。

圖2 系統(tǒng)梯形圖程序設(shè)計(jì)流程Fig.2 The program design flow of system ladder diagram

3.2 PID控制設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)PID控制的目標(biāo)為：通過(guò)執(zhí)行PID實(shí)時(shí)運(yùn)算和調(diào)控，確保水泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出的水壓與預(yù)制參數(shù)一致，以恒壓供水的方式達(dá)到節(jié)水灌溉的目標(biāo)。具體的PID參數(shù)設(shè)計(jì)及工作原理為：壓力傳感器實(shí)時(shí)采集水泵電機(jī)輸出的實(shí)際水壓PV（n），將其與PLC內(nèi)的預(yù)制壓力值SP（n）進(jìn)行比較，計(jì)算得到誤差值e（n），進(jìn)行PID核算后，得到待調(diào)整輸出值M（n），經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換傳送給變頻器進(jìn)行恒壓變頻調(diào)控。具體的PID控制功能圖如圖3所示：

圖3 節(jié)水灌溉系統(tǒng)PID控制功能Fig.3 The PID control function of water saving irrigation system

4 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)系統(tǒng)硬件和軟件部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用MCGS組態(tài)軟件編寫(xiě)系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)，主要設(shè)置啟動(dòng)、停止、報(bào)警3個(gè)按鈕控件，增加圖表報(bào)警、流動(dòng)塊、水泵電機(jī)、壓力閥等工具控件，根據(jù)PLC輸入和輸出端子的排列表對(duì)上述控件進(jìn)行變量關(guān)聯(lián)，并通過(guò)RS485通信口將昆侖通泰觸摸屏與PLC連接起來(lái)，建立監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田節(jié)水灌溉系統(tǒng)運(yùn)行的中近程監(jiān)控。本系統(tǒng)以經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性作為設(shè)計(jì)理念，運(yùn)用PLC構(gòu)建了完整的農(nóng)田節(jié)水灌溉系統(tǒng)，對(duì)中小型規(guī)模農(nóng)田的節(jié)水灌溉具有重要價(jià)值，希望得到進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。