基于组态软件实现自动灌溉系统的监控

基于组态软件实现自动灌溉系统的监控 摘 要 本文介绍了引入MCGS组态软件辅助控制的液位定值控制系统设计方案，并实现对农作物的自动灌溉监控。系统的阐述了MCGS设计的具体步骤和检测方法。 通过对灌溉系统的监测和实时控制，达到自动、节水、方便、快速、准确的目的。最终达到使土壤湿度保持在一个满足作物需求的合理范围内，再利用喷灌技术，对农作物进行灌溉并实现监控。关键词 监控 MCGS 自动检测ABSTRACTThis paper introduces the design of the fixed value control system with MCGS software auxiliary control and realize the automatic irrigation monitoring of crops. The system describes the design of the specific steps and MCGS detection methods.Through the monitoring and real-time control of the irrigation system to make it automatic, water saving, convenient, fast and accurate. Finally to maintain soil moisture in a meet crop demand the reasonable scope，then through sprinkler irrigation technology, we can make the crops irrigationed and realize the monitoring.Keywords: Irrigation，MCGS，Automatic1.引言近年来，随着我国综合国力的不断壮大，农产品价格不断上涨，水资源却日夜紧缺，水和土地是粮食生产的战略资源，我国70的粮食来自灌溉土地，农业发展在很大程度上依赖于农田灌溉。面传统的灌溉方式由于主要靠农民用自备的小水泵或是靠人力挑水给农田灌溉，浇水量、浇水速度等都依靠人来控制，自动化程度低，直接影响了农产品的生长、质量和效益。虽然水资源的总量居世界第六位，但是人均占有量约为世界人均水量的1/4，排在世界110位，已被联合国列为13个贫水国家之一，同时，我国水资源的分布很不均匀，有些地区的人均占有量甚至低于世界最贫水的国家埃及和以色列的水平。我国农业用水量约为总用水量的80%，农业灌溉用水的利用率普遍低下，水的利用率仅为45%，而水资源利用率高的国家已达70%80%。建立农田节水灌溉的自动化系统，采用高效的灌水方式已势在必行。一方面可以集中管理，加强控制;一方面可以按时按需定量供水，严格控制灌溉用水量，达到节水用水目的，另一方面，可以通过自动量测设备，实施精确计量，为按方收费提供依据，促进用水观念更新，为农业生产和人民生活带来巨大的社会效益和经济利益。为了充分发挥现有的节水设备作用，优化调度水资源，提高经济效益，研制和推广节水灌溉控制新技术是实现农业现代化的需要。结合大型农田水利灌区自动化系统的应用需求，对大规模农田水利灌区工程自动化控制系统灌溉关键技术进行研究，在灌区自动化系统的基础上，开发出满足农田水利灌溉自动化系统要求的高级应用软件，灌溉系统将更加节水节能，可降低灌溉成本，提高灌溉质量，使灌溉更加科学、方便，并大大提高管理水平。2.设计内容与要求本文主要对MCGS自动灌溉系统的监测进行了设计。其主要研究内容为如下；1设计对作物需水信息进行实时采集、监测与控制的硬件设备；2设计合理实用的作物需水信息控制方法；3作物需水信息控制方法的软件设计与实现；4对作物进行合理灌溉.3.设计思路3.1农田土壤湿度的采集本系统选择土壤水分作为控制对象，即选择了土壤作为灌溉的对象。MCGS组态软件作为上位机监控组态软件。MCGS 5.1 提供了解决实际工程问题的方案和开发平台，并能够完成现场的数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、报表输出及企业监控网络等功能。控制信号传输原理在多个区位设立土壤湿度观测点，则系统由多套传感器与位式调节仪组成，其控制信号传输原理及硬件结构如图2 所示。在控制回路中，测量区位1 的土壤湿度传感器1 把采集到的湿度信号经过A/D 转换器转换成1-5VDC 电压信号传输给位式调节仪1，位式调节仪1 将其变为4-20mA 电流信号，该数字信号经RS485 总线传送给上位机，上位机采集到的数字信号在组态软件中由PID 控制器进行处理得出控制信号，控制信号经RS485 送给D/A转换器，最后转换得到的模拟信号驱动调节阀作相应的动作。如果对应由多套传感器与位式调节仪组成系统，所有的信号均通过RS485 总线传送给上位机组态软件，组态软件根据PID 算法将做出相应的计算，分别控制对应的电动阀做出相应的动作。控制系统的流程图如图3 所示。3.2灌溉方式分析：此系统采用喷灌技术，喷灌是将灌溉水通过由喷灌设备组成的喷灌系统或喷灌机组，形成具有一定压力的水，由喷头喷射到空中，形成细小的水滴，均匀的喷洒到土壤表面，为植物正常生长提供必要水分的一种先进灌水方法。与传统的地面灌水方法相比，喷灌具有节水、节能、省工等优点。喷灌灌水时期应根据蔬菜的需水规律，气候条件和土壤状况来确定。悬挂式自动喷灌系统是智能温室应用较多的喷灌形式，目前实际应用的温室自动喷灌设备，大多采用国外的喷灌机，配以国产轨道和水泵、输水管等。这些温室自动喷灌机，基本功能都是固定的，无法根据用户的需要来定制和增减；控制器随喷灌机行走，喷灌过程中难以控制。土壤含水量的测定方法，从传统的烘干法，到电测法，直至应用现代的核技术手段等，共有几十种。本设计由智能调节仪表采集PRO-F 型传感器自动检测到的土壤的湿度，并将控制信号通过数据总线RS485 总线传送给上位机组态软件，判断并控制继电器的通断控制电磁阀的开与关实现洒水。可以在种植区域内划分合适数量的区位，对应区位安装土壤湿度传感器，对整个种植区进行动态监控，使整个种植区的土壤湿度维持在一个适合作物生长的合理的范围内。3.3农田水利灌溉模式分析：根据控制系统运行的方式不同，一般可分为手动控制、半自动控制和全自动控制三类：3.3.1手动控制系统系统的所有操作均由人工完成，如水泵、阀门的开启、关闭，灌溉时间的长短，何时灌溉等等。这类系统的优点是成本较低，控制部分技术含量不高，便于使用和维护，不足之处是使用的方便性较差，不适宜控制大面积的灌溉。3.3.2全自动控制系统系统不要人直接参与，通过预先编制好的控制程序和根据反映作物需水的某些参数可以长时间地自动启闭水泵和自动按一定的轮灌顺序进行灌溉。人的作用只是调整控制程序和检修控制设备。这种系统中，除灌水器、管道、管件及水泵、电机外，还包括中央控制器、自动阀、传感器(土壤水分传感器、温度传感器、压力传感器、水位传感器和雨量传感器等)及电线等，造价较高，目前我国的灌区设备配置不全，尚不具备条件。3.3.3半自动控制系统系统中在灌溉区域没有安装传感器，灌水时间、灌水量和灌溉周期等均是根据预先编制的程序，而不是根据作物和土壤水分及气象资料的反馈信息来控制的。这类系统的自动化程度不等，有的一部分实行自动控制，有的是几部分进行自动控制。我国目前的灌区比较适合采用这种控制方式。3.4田间系统轮灌制度研究：大型灌区包含众多的田间系统，每个田间系统之间通过干管进行连接，每个田间系统所需灌溉的农作物不同其需水量也不同，而每年的雨量分布并不均匀，需根据实际情况随时调整轮灌周期。每年每个田间系统需进行多次灌溉，因此需对干管的阀门、田间系统统一调度、分级轮灌。3.5田间系统阀门开启、关闭次序研究：大型农田水利灌溉自动化控制系统拥有数量众多的干管、支管，各干管、支管的阀门呈树状分布，由于封闭式管道在输水过程中容易造成水锤，影响供水安全，上下级阀门之间需根据水力关系，严格遵守一定的次序开启或关闭。因此需要结合管道的复杂树状结构特点以及输水系统的水力学特点，计算干、支管之间的水力关系，从而确定干、支管上各阀门的开启、关闭次序，统一调度，做到安全供水。3.6提高水资源利用率，实现精细的灌溉的研究：适时灌溉，发展高效农业，其中很重要一点是应用遥感、遥测监测土壤墒情和作物生长等新技术，对灌区灌溉用水进行监测预报，实现水管理的自动控制，对灌区用水实行动态管理，实施节水灌溉智能化管理。我国农业节水灌溉自动化目前主要依靠人工测量和控制，局限于节水灌溉单项技术的推广和应用，技术集成和自动化水平较低，不利于用水的精细管理和合理化灌溉。因此充分地研究学习农田作物的生长规律和当地水文地理变化规律，并能够自动根据这些规律计算出田间灌溉的用水计划，实现现代化农业生产的高效低耗目标。3.7中心控制房的设计：中心控制房中，主要由液位定值系统组成，设计自动控制的储水设备尤为重要。 灌溉水量自动测报系统是运用水利学基本原理,利用水利测量工具得出不同条件下流量Q和水位H 间函数关系式,输入MCGS 系统来实现自动化监测管理目标的. 本系统由磁力泵、电动调节阀、液位变送器、调节器、手动阀、上水箱、储水箱等组成。系统以上水箱液位为被控量，一电动调节阀的开度为控制手段，一出水量为操作变量，通过液位变送器采集信号并传送给调节阀。若液位偏移给定值，其差值经调节器进行PI运算后，输出4-20mA的电信流号以调节电动调节阀的开度，从而控制流量，直至液位高度恒定在给定值，实现液位控制的目的。系统原理框图如下图所示：4.组态画面的设计精量灌溉试验区的组成和管线分布如下图所示，节水中心选取了其中的几个小区进行改造。为了描述直观，本文对试验区内需要改造的小区进行了编号。试验区南北走向总干管采用中50钢管，其上南端装有1个中50雨鸟电磁阀，北端装有1个中50手动闸阀，这两个阀在整个试验基地中起分流作用，使水流进入精量灌溉试验区。同时对后面设备可起保护作用；东西走向支管采用中40钢管，共有3根支管，每根支管装有2个中40手动闸阀，在本试验区起分流作用，同时也对后面设备起到一定的保护功能；支管入每小区加接了一些管道连接件(四通、对丝等)，再装一虫40手动闸阀，实现对每一小区供水。试验区以东大约5米处是中心控制室，室内放置一些试验仪器以及控制设备等。图5在传统人工监测、调节过程控制基础上，引入MCGS组态软件进行辅助控制，使系统具有自动监测、调节功能，能完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出等。5.设计步骤如下：5.1中心空置房的设计：5.1.1在用户窗口中建立工程项目：图65.1.2系统MCGS中心控制房界面如图所示：图7其中采用了储水灌进行蓄水，对农田需水进行灌溉，而且对储水灌的水位采取实时监控，并产生报警数据和提示。在控制室中，通过液位传感器对液位信号的采集，传入计算机中，进而控制调节阀的开度，对液位实现控制。5.1.3构造实时数据库：MCGS数据库设计的MCGS数据库中包括了实时数据库和历史数据库。由于MCGS的组态技术特点，使得对其进行数据库设计与采用一般数据库应用软件设计时，有很大的不同。通过对控制系统功能要求的分析，MCGS上位机需要定义的变量主要有：土壤水分数据变量，控制电磁阀及变频器的变量，系统参数变量等等。MCGS中，定义变量是在其“定义变量”属性对话框进行，如下图所示。在变量属性对话框中定义变量名、变量类型等属性。图8在实时数据库窗口建立新的数据库文件，且与设备要求的数据库一致。该窗口定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画链接及设备驱动的对象。根据系统需要，在“定义变量”属性对话框中完成了所有的用户变量定义后，即实现了对系统实时数据库的设计。所定义的变量如下图所示：图95.1.4在用户窗口绘制图形画面：主要用于生成水位变化的动画显示画面、报警输出数据与曲线图表等。图10实时曲线是显示不同区域农田的土壤湿度的实时变化的曲线，通过该曲线可以形象地观察到农田湿度的动态变化。历史曲线是显示不同区域农田的土壤湿度的历史的曲线，通过该曲线可以观察到农田湿度的历史变化规律，如图所示。历史数据存人数据库，可以报表的形式打印出来，通过日报表、月报表和年报表，可对一些重要参数作短期、中期和长期的统计分析，达到科学灌溉的目的。5.1.5所用的循环策略：图115.2定义动画链接：建立画面的图素与数据库变量的对应关系，通过画面显示数据库变量的变化情况，即当上水箱液位发生变化时，画面可实时显示。5.3报警系统：当数据对象的值或状态改变时，根据实时数据库对应数据判断是否报警或报警是否结束，并发报警信息；同时根据用户的组态设定，将报警信息存入指定数据库。5.3.1农田湿度报警系统：农田湿度报警系统截图如下：图12当其中一农田湿度小于理想值（本实验中，设置为200）时，将产生报警信号，报警指示灯亮。5.3.2储水灌的水位报警系统当储水灌的水位高于或者低于理想范围（本系统中，设置为：1=液位=9,漫灌时为10）时，将会产生报警信息。而且会显示出报警概述，即达到液位上限或者达到液位下限。其示意图如下：图13在设置报警显示时，需要在实时数据库中对变量进行设置，进行报警显示。图145.4农田湿度值的实现在实际应用中，湿度数值的得到是通过湿度传感器采集而来，并通过A/D转换器以及总线的传递，使信号到达控制端，在通过MCGS上位系统，对湿度进行控制。但在本课题中，由于各方面的限制，仅进行自动灌溉的演示，因此，农田湿度的变化则由设备窗口中的模拟设备来完成，在MCGS的设备窗口中设置农田湿度的函数发生,使其与各个农田相连接,控制农田的灌溉.在设置时,使各个曲线的幅值和周期不同,以达到更好的显示效果。其设置如下图所示：图15在理想状态下，农田湿度应在一定范围内波动，因此，选用了正弦波作为测试信号，并使其在一定幅值范围内变化。5.5实现农田自动灌溉的程序如下:5.5.1农田中，对当前时间的显示如下：图165.5.1储水灌的液位变化如下所示：图175.6运行与调试：在中心控制房中，通过对农田的湿度信号采集，生成实实时数据报表和历史报表。其截图如下：图18历史数据库的设计是以实时数据库为基础的。系统运行时，土壤水分数值按记录方式保存，即形成了土壤水分的历史数据库。其中农田1,农田2,农田3的湿度曲线分别标注为红色,蓝色,和绿色.运行后,其结果如下,可以看出,农田的湿度值都是在一定范围类波动.图19MCGS变量的历史数据库有其默认的存储路径和文件格式。在MCGS中打开“历史记录配置”属性对话框，如图所示。图20系统的人机界面由远程监控窗口、数据显示窗口、报警数据窗口、报警数据浏览窗口、修改报警限值窗口及版本信息窗口等组成。MCGS具有丰富和方便的动画组态功能，能快速构造出各种复杂的动画画面。系统监控窗口如图5所示，显示了整个灌溉系统的全景画面。背景是不同区域农田的灌溉图，画面实时地显示出不同区域农田的土壤湿度和上下限报警信息，并以动画的形式模拟显示灌溉过程中水流、调节阀和蓄水池的运行状态。6.操作说明 该系统开发的主要界面有：1中心控制室（系统控制界面）：实现系统控制软件化，通过计算机完成调节器上的手动控制；2农田（状态显示界面）：该界面是现场设备的运行情况，模拟系统的工艺流程；3实时报警处理：对农田系统实时采集的数据进行判断，发出报警信号，按技术要求处理并自动进行相应的设备控制。如各农田湿度情况，水位报警器等，如图2-l所示。4实时数据曲线显示：监视设备重要参数的变化趋势曲线，从而可以了解设备在一段时间的运行状况。如各农田的实时数据曲线、农田的历史曲线等，曲线如图所示。具体操作如下：点击MCGS “液位控制系统”,进入自动运行状态，根据农田的湿度变化和理想的湿度值进行比较，来控制阀门的自动开关，以实现自动灌溉。 其组成由中心控制房，农田和湿度显示表组成，中心控制房用来对灌溉进行监测和控制，农田是一个更直观的显示，指示管道中水的流动以及灌溉的状态，湿度显示表则包括实时曲线和历史曲线，对湿度值进行检测和分析。 在农田湿度变化的同时，输出直接入报警系统，以更直观的显示变化情况，让操作人员注意湿度变化值。在中心控制房中，还设置了对储水灌的液位监测和报警系统，保证对灌溉的需水要求。7.设计结论该供水系统将控制技术、计算机网络控制技术等进行了集成，实现了对各农田监控点的信息采集，并以动态曲线等形式对监测量进行分析、处理。该系统的作用是通过无线网络对农田灌溉用水量进行实时远程监控，将土壤湿度信息快速反馈给系统。监控系统可实现多画面的灵活转换，通过画面可显示系统的各种状态。该系统易于操作，运行稳定，且采用无线网络解决了有线传输带来的成本过高、布线复杂等问题，同时也实现了灌溉水量数据以报表形式自动输出。并且开发的软件实现了远程网络监测，加快了信息化进程。附录时间显示程序：year2 = $yearmonth2= $monthday2=$