基于自動(dòng)控制器控制的溫室自動(dòng)噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于自動(dòng)控制器控制的溫室自動(dòng)噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要 介紹了1種實(shí)用的溫室大棚微噴灌及自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用LOGO!為控制器,結(jié)合微噴灌系統(tǒng)一些實(shí)用性設(shè)計(jì),給中小規(guī)模溫室大棚基地提供一個(gè)實(shí)用可行的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)方案。關(guān)鍵詞 溫室大棚;微噴灌;自動(dòng)控制系統(tǒng);LOGO!目前,微噴灌技術(shù)和智能控制技術(shù)在溫室大棚中的應(yīng)用越來越廣。微噴灌為節(jié)水灌溉主要形式,它具備灌水均勻、空氣濕度低、病蟲害少、節(jié)省勞力等優(yōu)點(diǎn),但也存在著投資大、灌水器易堵的缺點(diǎn),這在很大程度上影響了這項(xiàng)技術(shù)的推廣使用。灌溉系統(tǒng)自動(dòng)控制為溫室大棚智能控制的一部分,其形式可分為基于定時(shí)器的自動(dòng)控制和基于微機(jī)的智能控制。前者投資

2、少,但功能上只具備定時(shí)功能,缺少模擬量控制及邏輯控制功能;后者功能齊全,但控制元件多,投資大,一般適用于規(guī)模較大的大棚基地。某高校的園藝實(shí)訓(xùn)基地建有30m×8m溫室大棚10棟。其中8棟用于觀葉植物栽培,因其葉面水分揮發(fā)量大,采用噴灌;2棟用于蔬菜和花卉栽培,采用微噴灌。根據(jù)實(shí)訓(xùn)基地教學(xué)與生產(chǎn)的要求,設(shè)計(jì)了自動(dòng)灌溉系統(tǒng),該系統(tǒng)也適合中小型溫室大棚基地推廣使用。1 系統(tǒng)組成自動(dòng)灌溉系統(tǒng)由水源、首部樞紐、輸配水管網(wǎng)、灌水器4部分組成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1所示。1.1 水源處理  經(jīng)試驗(yàn),當(dāng)?shù)鼐捎糜谥参锖娃r(nóng)作物的澆灌,因此,系統(tǒng)以井水為水源,采用深井泵汲

3、水。但井水溫度太低,一般只有1921,且水質(zhì)太硬,含鈣量高,容易結(jié)成水垢,堵塞灌水器,不能直接用于澆灌。因此,先將井水抽取到沉淀池內(nèi)進(jìn)行曝氣和沉淀,以提高水溫及水的含氧量,沉淀泥沙及礦物質(zhì),降低水的硬度。沉淀池的容量應(yīng)根據(jù)溫室規(guī)模及用水量確定,保證抽入的水有24h以上的曝氣時(shí)間,才能用于澆灌。沉淀池分為2個(gè)區(qū),容量較大的區(qū)主要用于曝氣與沉淀,容量較小的區(qū)用于汲水。2個(gè)區(qū)下部用水泥墻隔開,上部裝設(shè)金屬過濾網(wǎng),曝氣后的井水水溫上升,上浮至上部,經(jīng)過濾網(wǎng)進(jìn)入汲水區(qū),用于灌溉。沉淀池2個(gè)區(qū)底部均開有排污口,定期手動(dòng)排污。沉淀池若長期未清潔和排污,會(huì)產(chǎn)生藻類浮游物,極易堵塞灌水器,可投入適量漂白粉(Na

4、ClO3),消除浮游物。1.2 首部樞紐 首部樞紐由離心泵、重力池、過濾器、控制電磁閥及相應(yīng)管道組成。因微噴灌面積較小,采用重力微噴灌方式即可達(dá)到要求。離心泵由三相交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),將灌溉水輸送至2個(gè)不同的灌溉區(qū),微噴灌電磁閥開啟,將水送至重力池,實(shí)施微噴灌;噴灌電磁閥開啟,直接將水送至噴頭,實(shí)施噴灌。選擇離心泵流量及壓力時(shí),應(yīng)考慮可滿足噴灌與微噴灌同時(shí)開啟。重力池是給微噴灌系統(tǒng)提供水源和壓力的裝置,其底部離地面高度應(yīng)根據(jù)輸配水管網(wǎng)長度及彎曲情況確定,一般在1.5m左右。其液面采用自動(dòng)控制,可及時(shí)補(bǔ)充水量,因此,容量不需太大,一般在11.5m3即可。重力池可用混凝土澆鑄,也可

5、直接用大塑料桶改裝而成,其出水口離底面5cm,并在底部設(shè)一排污口,用普通水龍頭手動(dòng)關(guān)啟。重力池也可充當(dāng)自動(dòng)施肥施藥器使用,將肥料或農(nóng)藥先充分溶于水,倒入重力池配成一定濃度溶液,打開微噴灌電磁閥,即可實(shí)施自動(dòng)施肥施藥。此過程控制系統(tǒng)處于手動(dòng)狀態(tài),施肥施藥結(jié)束后,應(yīng)再通清水20min,以免肥料藥液在灌水器出口處形成結(jié)晶,堵塞灌水器。在重力池后,應(yīng)裝設(shè)過濾器,以減少灌水器的堵塞。因水源在沉淀池內(nèi)已經(jīng)過沉淀與過濾,此外選擇價(jià)格較低的篩網(wǎng)式過濾器,即可滿足要求。根據(jù)不同作物灌溉要求,灌水器可選擇滴頭或微噴管,它們所需的水壓范圍大致一樣,輸配水管網(wǎng)的干管與支管間也可加設(shè)手動(dòng)閥門,進(jìn)行分壟澆灌,這可根據(jù)具體

6、情況確定。2 自動(dòng)控制系統(tǒng)LOGO!LOGO!是西門子公司開發(fā)的一種小型可編程控制器。其特點(diǎn)是體積小,編程簡單,參數(shù)設(shè)置方便,安裝與維護(hù)方便,價(jià)格便宜,并且具有較強(qiáng)的邏輯功能,實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能及數(shù)字量/模擬量輸入輸出功能。2.1 選型及硬件接線圖 LOGO!型號(hào)有多種,根據(jù)溫室大棚的控制要求,筆者選用230RC型,其具有面板輸入及顯示功能,方便編程,有8個(gè)輸入點(diǎn)、4個(gè)輸出點(diǎn),每個(gè)輸出點(diǎn)電壓為115240V(DC/AC),電流可達(dá)10A,可直接聯(lián)接電磁閥線圈。確定輸出輸入電壓均為交流220V,所用器件可方便購買到。其硬件接線圖見圖2。各輸入輸出單元分配見表1。 

7、;  KM2是離心泵電機(jī)主接觸器,其由KA1或KA2中間繼電器接通,只要Y1或Y2一個(gè)得電,KM2即得電,啟動(dòng)離心泵運(yùn)行。2.2 軟件原理(圖3)2.3 控制特點(diǎn)(1)手動(dòng)與自動(dòng)控制轉(zhuǎn)換。根據(jù)控制要求,設(shè)置手動(dòng)與自動(dòng)2種控制模式,由轉(zhuǎn)換開關(guān)SA設(shè)定。SA閉合時(shí)為自動(dòng)模式,斷開時(shí)為手動(dòng)模式。手動(dòng)模式時(shí),控制按鈕SB2、SB3通過RS觸發(fā)器模塊B08、B12同時(shí)起開啟和關(guān)閉電磁閥的作用,可節(jié)省控制元件。(2)定時(shí)與延時(shí)控制。在自動(dòng)控制模式下,利用LOGO!內(nèi)置定時(shí)模塊實(shí)現(xiàn)灌溉的時(shí)間和時(shí)長自動(dòng)控制。B10與B15為定時(shí)模塊,可設(shè)定灌溉開始時(shí)間與時(shí)長,如B10設(shè)定第1次微

8、噴灌開啟時(shí)間為10:00,結(jié)束時(shí)間為10:30,時(shí)長30min。每個(gè)定時(shí)模塊可設(shè)定3個(gè)時(shí)間段,并可根據(jù)月份、星期設(shè)定不同的時(shí)間段。  (3)沉淀池和重力池液面控制。通過上浮子開關(guān)S2、S3,下浮子開關(guān)S1、S4,可實(shí)現(xiàn)2個(gè)池液面的自動(dòng)控制。液面在S1、S4下方時(shí),通過反相器B01、B03,將S1、S4斷開信號(hào)轉(zhuǎn)換為高電平,驅(qū)動(dòng)深井汞或離心泵起動(dòng)供水;液面達(dá)S2、S3處時(shí),通過置位復(fù)位模塊切斷水泵電機(jī)電源,停止供水。重力池液面也可采用手動(dòng)控制。3 總結(jié)該系統(tǒng)經(jīng)1年多的使用,穩(wěn)定可靠,操作方便,很適合中、小規(guī)模的大棚基地使用。其優(yōu)點(diǎn)有以下幾方面:  

9、;(1)投資少,經(jīng)濟(jì)實(shí)用。該系統(tǒng)在滿足灌溉要求的條件下,簡化了首部樞紐、輸配水管網(wǎng)的設(shè)置,減少了閥門管道的數(shù)量,并且用重力池代替施肥器可節(jié)省投資,有利于節(jié)水灌溉的推廣。同時(shí)LOGO!也較其他控制器更具功能強(qiáng)、擴(kuò)展容易的優(yōu)點(diǎn),有較高的性價(jià)比。(2)有效減少灌水器堵塞。灌水器堵塞是微噴灌系統(tǒng)中常發(fā)生且較難解決的問題,發(fā)生堵塞后,滴頭和滴管往往會(huì)報(bào)廢,造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。該系統(tǒng)采用沉淀池處理水源,并用2道過濾裝置,大大減少了灌水器堵塞現(xiàn)象。(3)自動(dòng)控制系統(tǒng)操作方便,設(shè)置調(diào)整簡單。系統(tǒng)設(shè)置手動(dòng)與自動(dòng)2種控制模式,即有一定的智能性,又有很好的隨機(jī)性。采用LOGO!為控制器,對(duì)電源要求不高,但工作穩(wěn)定性

10、高,且有面板輸入功能,可根據(jù)灌溉作物、季節(jié)、氣候不同,隨時(shí)調(diào)整灌溉時(shí)間與時(shí)長,操作方便。(4)在控制對(duì)象及控制功能上具備擴(kuò)展能力。LOGO!為一種積木式控制器,可在基本模塊上增加擴(kuò)展模塊,如大棚數(shù)量增加,只要增加擴(kuò)展模塊,擴(kuò)充控制點(diǎn)數(shù)即可,而不需更換控制器。增加模擬量模塊,可增加其控制功能,如大棚溫度控制,可通過測溫傳感器與模擬量模塊聯(lián)接,控制噴霧冷卻系統(tǒng)或加熱系統(tǒng)工作,達(dá)到控溫目的。附錄托普物聯(lián)網(wǎng)簡介托普物聯(lián)網(wǎng)是浙江托普儀器有限公司旗下的重要項(xiàng)目。浙江托普儀器是國內(nèi)領(lǐng)先的農(nóng)業(yè)儀器研發(fā)生產(chǎn)商，依據(jù)自身在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研發(fā)實(shí)力，和自主研發(fā)的配套設(shè)備，在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域嶄露頭角！托普物聯(lián)網(wǎng)以客戶需求為源

11、頭，結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、GIS信息技術(shù)，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，竭誠為傳統(tǒng)行業(yè)提供信息化、智能化的產(chǎn)品與端到端的解決方案。主要有：大田種植智能解決方案、畜牧養(yǎng)殖管理解決方案、食品安全溯源解決方案、食用菌種植智能化管理解決方案、水產(chǎn)養(yǎng)殖管理解決方案、溫室大棚智能控制解決方案等。托普物聯(lián)網(wǎng)三大系統(tǒng)產(chǎn)品我們知道物聯(lián)網(wǎng)主要包括三大層次，即感知層、傳輸層和應(yīng)用層。因此托普物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品主要以這三個(gè)層次延伸，涵蓋了感知系統(tǒng)（環(huán)境監(jiān)測傳感設(shè)備）、傳輸系統(tǒng)（數(shù)據(jù)傳輸處理網(wǎng)絡(luò)）、應(yīng)用系統(tǒng)（終端智能控制平臺(tái)。）托普物聯(lián)網(wǎng)模塊化智能集成系統(tǒng)托普物聯(lián)網(wǎng)依據(jù)自身研發(fā)優(yōu)勢，開發(fā)了多種模塊化智能集成系統(tǒng)。1、傳感模

12、塊：即環(huán)境傳感監(jiān)測系統(tǒng)。它依據(jù)各類傳感設(shè)備可以完成整個(gè)園區(qū)或完成對(duì)異地園區(qū)所需數(shù)據(jù)監(jiān)測的功能。2、終端模塊：即終端智能控制系統(tǒng)。它可以完成整個(gè)園區(qū)或遠(yuǎn)程控制異地園區(qū)進(jìn)行自動(dòng)灌溉、自動(dòng)降溫、自動(dòng)開啟風(fēng)機(jī)，自動(dòng)補(bǔ)光及遮陽，自動(dòng)卷簾，自動(dòng)開窗關(guān)窗，自動(dòng)液體肥料施肥、自動(dòng)噴藥等各類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的自動(dòng)控制。3、視頻監(jiān)控模塊：即實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。主要是通過監(jiān)控中心實(shí)時(shí)得到植物生長信息，在監(jiān)控中心或異地互聯(lián)網(wǎng)上既可隨時(shí)看到作物的實(shí)時(shí)生長狀況。4、預(yù)警模塊：即遠(yuǎn)程植保預(yù)警系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^聲光報(bào)警、短信報(bào)警、語音報(bào)警等方式進(jìn)行預(yù)警。5、溯源模塊：即農(nóng)產(chǎn)品安全溯源系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品從種植準(zhǔn)備階段、種植和培育階段、生長階段、收獲階段等對(duì)作物生長環(huán)境、噴藥施肥情況、病蟲害狀況等實(shí)施實(shí)時(shí)信息自動(dòng)記錄，有據(jù)可查，在儲(chǔ)藏、運(yùn)輸、銷售階段采用二維碼或者RFID射頻技術(shù)對(duì)各個(gè)階段數(shù)據(jù)記錄，這樣就能實(shí)現(xiàn)消費(fèi)者拿到農(nóng)產(chǎn)品時(shí)通過終端設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)就能查看到各類信息，才能放心食用。6、作業(yè)模塊：即中央