基于PLC的自动灌溉系统设计

基于PLC的自动灌溉系统设计摘要随着农业现代化和智能化的发展，传统的灌溉方式已难以满足现代农业生产的高效、节能和环保要求。因此，设计一套基于可编程逻辑控制器（PLC）的自动灌溉系统显得尤为重要。该系统旨在实现灌溉过程的自动化、精准化及智能化，从而提高灌溉效率，节约水资源，并适应不同农作物和土壤条件的需求。本设计利用了西门子S7-1200SMART系列可编程控制器（PLC），设计了一个自动灌溉系统，该系统有三种工作模式，即手动模式、自动模式和定时模式。传感器可以实时采集和控制土壤的湿度和PH值传送到控制器进行数据分析，同时监控土壤的饱和度，从而实现对土壤的自动灌溉。用户可以通过触摸屏来实时监测土壤中的湿度信息，并且可以自由的选择三种控制模式来实现自动灌溉的调节控制。相比于传统的灌溉技术，本设计使灌溉更加地科学、方便，同时也可以提高管理水平，节约水资源。关键词：可编程控制器（PLC）；自动灌溉技术；监控系统PLC-basedautomaticirrigationsystemdesignABSTRACTWiththedevelopmentofagriculturalmodernizationandintelligence,traditionalirrigationmethodshavebeendifficulttomeettherequirementsofhighefficiency,energysavingandenvironmentalprotectionofmodernagriculturalproduction.Therefore,itisparticularlyimportanttodesignanautomaticirrigationsystembasedonaprogrammablelogiccontroller(PLC).Thesystemisdesignedtoautomate,precisionandintelligentizetheirrigationprocess,therebyimprovingirrigationefficiency,conservingwaterresources,andadaptingtotheneedsofdifferentcropandsoilconditions.ThisdesignutilizestheSiemensS7-1200SMARTseriesprogrammablecontroller(PLC)todesignanautomaticirrigationsystem,whichhasthreeworkingmodes,namelymanualmode,automaticmodeandtimedmode.ThesensorcancollectandcontrolthemoistureandPHvalueofthesoilinrealtimeandtransmitittothecontrollerfordataanalysis,andatthesametimemonitorthesaturationofthesoil,soastorealizeautomaticirrigationofthesoil.Userscanmonitorthemoistureinformationinthesoilinrealtimethroughthetouchscreen,andcanfreelychoosethreecontrolmodestoachieveautomaticirrigationadjustmentcontrol.Comparedwiththetraditionalirrigationtechnology,thisdesignmakesirrigationmorescientificandconvenient,andcanalsoimprovethemanagementlevelandsavewaterresources.Keywords：ProgrammableLogicControllers（PLC）;AutomaticirrigationTechnology;Monitoringsystem目录TOC\o"1-3"\h\u1绪论 [5]。166265.2软件设计119525.2.1系统总体结构根据自动灌溉系统的功能需求，将系统总体结构分为如图4.1所示的3层，即后台服务层、中间处理器层、末端执行层。每层的具体模块和功能如下：（1）后台服务层主要包括以太网网络区域和触摸屏、触摸屏时整个系统的“眼睛”，通过屏幕的参数的变化，对整个灌溉区域进行全方面的监控，能够弥补因为数据采集块发生故障而数据缺失的监控盲区。（2）中央处理层主要包括工控机、PLC控制器和通信模块。工控机接受数据采集模块采集带的数据并进行相应的分析、处理，经过数据通信模块，利用通信协议，将处理分析后的控制参数传输至PLC控制器中；PLC控制器根据硬件组态以及I/O接口定义，将相应的控制参数下发到各个灌溉执行设备当中。（3）末端执行层主要包括数据采集模块和灌溉执行设备，数据采集模块主要包括各类传感器、数据变送器等，负责完成对土壤的湿度和PH值的灌溉，执行设备主要包括各类控制单元和信号指示单元，比如电磁阀、状态指示灯和报警指示灯等等，可以根据监控的结果以及手动设置的结果，接收中央处理器传输的控制信号，完成自动灌溉的智能化控制。图4.1系统总体结构图19715.2.2主程序设计(1)主程序流程图图4-2系统主程序流程图系统通上电之后，可以根据不同需求来决定手动灌溉模式还是自动灌溉模式。当选择自动灌溉模式时，系统上电之后，液位传感器感知蓄水池液位过低，放水阀门开启，当液位传感器感知到蓄水池液位过高，放水阀门关闭。当选择手动灌溉模式时，个人会根触摸屏上各项数据的变化进行对各项模块手动调整，比如土壤的湿度过低，我们会手动进行打开抽水泵对灌溉区域进行放水，土壤湿度过高时会手动关闭抽水泵等等。当溉模式设置为湿度灌溉模式时，需要设置湿度参数上限值和下限值。当湿度传感器感知到土壤湿度值低于设置的下限值时，灌溉水泵电机自动上电，之后打开灌溉电磁阀对灌溉区域进行灌溉；当湿度传感器感知到土壤湿度值高于设置的上限值时，土壤湿度达到饱和，灌溉水泵电机下电，之后关闭灌溉电磁阀.当灌溉模式设置为时间灌溉模式时，需要设置对灌溉区域的灌溉时间。当实际计时灌溉时间小于所设置的时间，灌溉电机继续工作，灌溉电磁阀继续为灌溉区域灌溉。当实际计时灌溉时间大于所设置的时间，灌溉电机停止工作，灌溉电磁阀关闭。当灌溉模式设置为PH值灌溉模式时，需要设置土壤的PH值，当实际灌溉区域土壤PH值小于所设置的PH值，灌溉电机继续工作，灌溉电磁阀继续为灌溉区域灌溉。当实际灌溉区域土壤PH值大于所设置的PH值，灌溉电机停止工作，灌溉电磁阀关闭。除此之外，积水传感器可以感知到灌溉区域积水严重并将此信号传送给排水电机，然后排水电机上电打开排水电磁阀对灌溉区域进行排水，系统将积水排到蓄水池，以达到水资源的合理利用；相反，排水电机下电，关闭排水电磁阀。。19715.2.3触摸屏设计触摸屏是控制系统中直接与操作人员接触的元件，也叫人工界面，可连接可PLC、仪表、PC机等设备，通过液晶显示向工作人员展示设备近九天的实际情况，也可以通过输入单元操作命令或参数，实现人机信息交换。本次系统控制中心选用TP1200精致面板触摸屏，如图4.3所示。系统控制中心选用此触摸屏的优点如下：（1）显示效果好，采用高分辨率液晶显示屏，显示效果清晰，可以实时显示系统运行状态和数据信息，提高用户的操作体验。（2）触摸操作方便，可以快速响应用户的操作指令。（3）可靠性高，具有防水、防震、防干扰等特点，确保系统的可靠性和稳定性。（4）安全性好，该触摸屏支持密码保护和权限管理功能，可以限制非授权用户的操作权限，保证系统的安全性。如图4.3所示触摸屏参数。图监控界面设计整个监控系统画面由蓄水池、灌溉水泵电机、排水电机、当前时间、电磁阀、灌溉区域、各类按钮、开关、当前湿度、当前运行模式、当前运行状态、当时方式选择和参数设置组成。模拟灌溉状态，蓄水池中的水通过灌溉电机流向灌溉区域，然后农田湿度逐渐升高的过程。除此之外，按下手动按钮，手动指示灯灯亮，电磁阀打开后开始灌溉，再次按下手动按钮，灌溉模式停止；按下自动按钮，自动指示灯灯亮，只需设置所需湿度上限和下限，电磁阀即可接收湿度传感器检测到的湿度信息自动做出相应反应。当按下定时按钮时，整个组态会根据画面中当前的时间进行相应反应，监控系统画面如图所示。监控系统画面参数面板设置可以设置土壤湿度的上限值和下限值、灌溉时间的设置、土壤PH值的设置。参数设置画面MCGS与PLC端口连接68865.3模块程序设计119525.3.1手动、自动模块程序（部分）119525.3.2手动运行模块程序（部分）119525.3.3自动运行模块程序（部分）119525.3.4模拟量处理模块程序（部分）119525.3.5参数表5.4本章小结本章主要介绍了自动灌溉系统的软件设计，包括系统总体结构、主程序设计、触摸屏设计、模块化程序设计等。本章主要内容为：首先，设计了自动灌溉系统软件设计的总体结构方案，包括对软件设计原则的分析；其次，对主程序的设计、模块化设计等；最后，完成了自动灌溉系统程序的触摸屏设计、手动控制系统、自动灌溉控制系统、灌溉模式、以及各项参数的确定，确保了软件的功能完整性、稳定性和易用性。142846系统调试6.1仿真调试（1）按下手动模式时，手动点击启动按钮，系统运行指示灯异常，说明系统只能用手动按钮进行对系统的操作，手动开启电机灌溉。如下图所示（2）按下自动按钮时，系统运行指示灯正常亮起，表示自动模式启动，由图可以看到设定的湿度上限为40%，设定的湿度下限是30%，当前灌溉区域的湿度为20%，低于设定湿度的下限值30%，土壤湿度指示灯异常，给灌溉电机上电信号，电磁阀处于打开状态。如下图所示（3）在自动模式下，当土壤当前的湿度值为50%，而设定的湿度值上限为40%，湿度下限值为30%，此时土壤的湿度值50%远远大于设定湿度上限值40%，土壤湿度指示灯异常，给灌溉电机一个下电的信号，电磁阀处于关闭状态，如下图所示（4）当系统积水检测器或者雨水检测器感应到灌溉区域有积水时，土壤湿度指示灯异常，需要排水操作，给排水电机一个上电的信号，排水阀打开，排水电机进行对积水区域的排水，把多余的积水排到蓄水池，以达到一个循环利用水资源的效果。如下图所示按下时间灌溉模式时，根据在参数设置面板设定的时间对灌溉区域进行灌溉，当到了设定的时间点需灌溉的时候，系统会自动的对灌溉区域进行灌溉，当灌溉时间达到设置时长的最大值时，系统会自动下电，关闭灌溉水泵。6.2本章小结本章节主要是对自动灌溉系统的调试以及PLC程序逻辑问题的验证、PLC与触摸屏通信连接的检查、PLC与传感器的通信问题检查。通过仿真可知：1、PLC与传感器、触摸屏之间的通信正常，数据传输稳定，能够全面的监视土壤的湿度值、PH值等信息，且能够实时进行之间传输。2、手动模式和自动模式都能够正常运行。3、湿度传感器能够实时的监测土壤的湿度值的变化，满足了灌溉区域的土壤水分需求，达到了预定的设计效果。80907结论与展望随着科技的进步，自动化在各个领域的应用越来越广泛，尤其在农业领域，自动化技术的应用已经带来了显著的变化和成果。自动化灌溉系统作为其中的一种，通过集成先进的传感器技术、控制技术和通信技术，实现了对灌溉过程的精准控制，大大提高了灌溉效率和水资源利用效率本设计的自动灌溉系统，实现了根据农作物的需求进行灌溉。控制系统使用的是西门子S7-1200SMARTPLC。触摸屏使用的是博途MCGS的型号为HML_1[TP1200Comfort]，搭配各种传感器设备，根据触摸屏与PLC之间的通信，并结合自动控制理论、通信技术等应用理论，实现了灌溉区域的精准定量灌溉。此设计的实现有以下作用与价值：（1）提高灌溉效率：通过精准的传感器监测和智能控制，能够实时判断灌溉需求并自动执行灌溉操作。这避免了传统灌溉方式中的人工误差和延迟，显著提高了灌溉的效率和准确性。（2）节约水资源：自动灌溉系统能够隔壁家土壤的湿度、农作物对水分的需求以及气候条件进行精准灌溉，避免了水资源的过度使用和浪费。这种节水型的灌溉方式对于缓解水资源的短缺问题具有重要的意义。（3）降低人力成本：自动灌溉系统实现了灌溉过程的自动化与智能化，大大减少了人工干预和劳动强度。这降低了农业生产的人力成本，提高了农业生产的效率。（4）促进农业可持续发展：自动灌溉系统作为现代农业技术的重要组成部分，为实现农业可持续发展提供了有力支持。它提供提高灌溉效率、节约水资源、初级植物生长、降低人力成本等方式，为农业的长期稳定发展创造了有利条件。同时，它还能够推动农业向更智能化、绿色化和可持续化的方向发展。本系统由于基础知识有限和研究设计的时间紧迫，无法达到功能的十分完善，因此还需要进一步对其完善，主要包括以下几点：（1）本设计只是通过仿真来实现这个设计过程，并没有实地的去现场考察，这缺少了一定的实时性，对现实的参考用处不大。（2）对智能的要求还不能达标，缺少智能这方面相应的知识理论。（3）本文主要讨论的是对某一区域的自动化灌溉系统的设计，并不是完善的大区域的自动化灌溉系统设计，所以后续还需要进一步的完善其他方面的设计。参考文献刘华波.西门子S7-1200PLC编程与应用[M].机械工业出版社，2020.05范强,董洪波,马斌.基于PLC和触摸屏的温度控制系统设计[J].机械研究与应用,2019,32(3):154-155+158.刘守英.中国农业的转型与现化[EB/OL].(2022.07.14)./n1/2020/0714/c40531-31782094.html孟莎莎.基于PLC的灌溉施肥控制系统的设计与实现[J].计算机与现代化,2015,(7):刘晨晨.基于无人机遥感的智能墒情预测模型与灌溉决策系统[D].镇江.江苏大学，2022李国萍.基于PLC的温度控制系统设计[J].科技创新导报,2010(7):86.李军.基于西门子S7-200PLC温度控制系统设计[J].科技资讯,2019,17(8):73