基于模糊PLC的施肥灌溉控制系統(tǒng)的研究

1、摘 要現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)是利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)施，把一定的空間與外界環(huán)境隔離開來，形成一個(gè)半封閉式系統(tǒng)，在充分利用自然環(huán)境條件的基礎(chǔ)上，改善或創(chuàng)造更佳的環(huán)境氣候，為植物和動(dòng)物生長提供良好的環(huán)境條件，從而進(jìn)行更有效的生產(chǎn)。設(shè)施農(nóng)業(yè)包括設(shè)施栽培和設(shè)施養(yǎng)殖兩個(gè)方面。設(shè)施栽培技術(shù)中，微噴灌技術(shù)使施肥有更先進(jìn)的方法，即水肥技術(shù)。水肥技術(shù)就是將作物所需的養(yǎng)分溶于水，形成高濃度的營養(yǎng)液母液，再在作物需要施肥時(shí)，將營養(yǎng)液母液與水混合成一定濃度的營養(yǎng)液，通過微灌系統(tǒng)提供給作物，對(duì)作物的生長發(fā)育有重要影響，因此，營養(yǎng)液混合技術(shù)己經(jīng)成為灌溉自動(dòng)控制中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。 灌溉自動(dòng)控制模式與人工控制方式相比，具有節(jié)省水、肥、能量、殺

2、蟲劑、人工等優(yōu)點(diǎn)，并可基本消除在灌溉過程中人為因素造成的不利影響，提高操作的準(zhǔn)確性，有利于灌溉過程的科學(xué)管理和先進(jìn)灌溉技術(shù)的推廣。同時(shí)通過灌溉控制系統(tǒng)適時(shí)、適量的澆水，提高作物產(chǎn)量，有利于我國廣大農(nóng)村勞動(dòng)力的轉(zhuǎn)移和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，同時(shí)，對(duì)環(huán)境保護(hù)也起到一定的作用。 本文從現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展需要著手，介紹了自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)的構(gòu)成，詳細(xì)的介紹自動(dòng)灌溉控制中營養(yǎng)液配置這一關(guān)鍵性技術(shù)的解決方法。結(jié)合當(dāng)前這個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際，提出了利用模糊控制邏輯解決營養(yǎng)液的在線配置問題。詳細(xì)的介紹了營養(yǎng)液配置中模糊控制器的構(gòu)成，并構(gòu)造簡單的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模糊控制器的合理性及模糊控制器采樣時(shí)間的設(shè)計(jì)問題。利用PLC這一先進(jìn)的工

3、業(yè)控制設(shè)備來控制農(nóng)業(yè)設(shè)備，更加體現(xiàn)了PLC可以適應(yīng)惡劣環(huán)境這一重大特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：施肥灌溉； 模糊控制； PLCAbstractEstablishment Agriculture is using some equipment to enclose an interspace, forming a semi-close system. The system provides with more feasible climate condition, which accelerating plant or animals growth and so that output enhanced. Es

4、tablishment Agriculture consists of two parts. One is established planting, the other is established breeding. In the field of established planting, micro-spray technology makes a promotion to fertilization methods, so-called fluid fertilizing technology. This kind technology dissolves the nutrient

5、plant needed into water and gets original liquid. When fertilizing plant, we only need to adjust thickness with water and fertilize by micro-spray. These must be helpful to plant growth, so getting mixture is key of the micro-spray auto control.Comparing auto control model with manual work, there ar

6、e many advantages, such as save water, fertilizer, energy, pesticide, physical force and so on. In addition, auto control model can avoid disbennifit infection by human factors, improve operate veracity. Moreover，the model is good for scientific management and advance technic spread. This paper emba

7、rks from development of modern establishment agriculture introducing detailedly about the mixture technology in the auto control spray system. Considering the fact of this field, I put forward utilizeing Fuzzy control to solute mixture online. Particularly introduce the comprising of Fuzzy controlle

8、r, and design experiment to prove controller rationality and get reasonable sample time.From the development of modern agricultural facilities, introduced to control system of automatic irrigation, detailed introduces automatic irrigation control of the key technology configuration nutrient solution

9、. Combining the current field, puts forward the practical fuzzy control logic to solve problem of online. Detailed introduces the nutrient allocation of fuzzy controller with simple structure, and the experimental results verify the rationality of the fuzzy controller and the fuzzy controller design

10、 problem of sampling time.Using the advanced PLC to control the industrial control equipment of agricultural equipment, manifested the PLC can adapt to bad environment this important characteristics.Keywords：Fertilize spray； Fuzzy control；PLC目 錄 TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc265071906 第1章 緒 論 PAGE

11、REF _Toc265071906 h 1 HYPERLINK l _Toc265071907 1.1 現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)和施肥灌溉技術(shù)介紹 PAGEREF _Toc265071907 h 1 HYPERLINK l _Toc265071908 1.2 施肥灌溉系統(tǒng)方案概述 PAGEREF _Toc265071908 h 2 HYPERLINK l _Toc265071909 1.3 設(shè)計(jì)目的 PAGEREF _Toc265071909 h 3 HYPERLINK l _Toc265071910 1.4 課題研究的主要內(nèi)容 PAGEREF _Toc265071910 h 4 HYPERLINK l

12、_Toc265071911 第2章 施肥灌溉控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc265071911 h 5 HYPERLINK l _Toc265071912 2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程 PAGEREF _Toc265071912 h 5 HYPERLINK l _Toc265071913 2.2 系統(tǒng)硬件的選擇 PAGEREF _Toc265071913 h 9 HYPERLINK l _Toc265071914 2.3 PLC的I/O分配 PAGEREF _Toc265071914 h 13 HYPERLINK l _Toc265071915 2.4 硬件接線圖 PAGEREF _Toc2

13、65071915 h 14 HYPERLINK l _Toc265071916 2.5 PLC程序流程圖 PAGEREF _Toc265071916 h 16 HYPERLINK l _Toc265071917 2.6本章小結(jié) PAGEREF _Toc265071917 h 17 HYPERLINK l _Toc265071918 第3章 營養(yǎng)液混合模糊控制器 PAGEREF _Toc265071918 h 18 HYPERLINK l _Toc265071919 3.1 模糊控制系統(tǒng)概述 PAGEREF _Toc265071919 h 18 HYPERLINK l _Toc265071920

14、 3.2 模糊控制基本原理 PAGEREF _Toc265071920 h 19 HYPERLINK l _Toc265071921 3.3 營養(yǎng)液在線混合控制原理與特點(diǎn) PAGEREF _Toc265071921 h 19 HYPERLINK l _Toc265071922 3.4 營養(yǎng)液混合模糊控制器實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc265071922 h 21 HYPERLINK l _Toc265071923 3.5 本章小結(jié) PAGEREF _Toc265071923 h 25 HYPERLINK l _Toc265071924 第4章 施肥灌溉控制系統(tǒng)中模糊控制實(shí)現(xiàn) PAGEREF _

15、Toc265071924 h 26 HYPERLINK l _Toc265071925 4.1 模糊控制流程圖 PAGEREF _Toc265071925 h 26 HYPERLINK l _Toc265071926 4.2模糊控制周期選擇 PAGEREF _Toc265071926 h 27 HYPERLINK l _Toc265071927 4.2 模糊控制的實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc265071927 h 28 HYPERLINK l _Toc265071928 4.3本章小結(jié) PAGEREF _Toc265071928 h 29 HYPERLINK l _Toc265071929

16、結(jié) 論 PAGEREF _Toc265071929 h 30 HYPERLINK l _Toc265071930 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc265071930 h 31 HYPERLINK l _Toc265071931 致 謝 PAGEREF _Toc265071931 h 32 HYPERLINK l _Toc265071932 附錄1 PAGEREF _Toc265071932 h 33第1章 緒 論近幾年來，隨著水資源的日趨緊張，世界各國都在積極探索行之有效的節(jié)水途徑和措施。噴灌和微灌技術(shù)就是為了解決水資源不足，提高灌溉效率而發(fā)展起來的灌溉技術(shù)之一?，F(xiàn)代設(shè)施栽培中的灌溉技術(shù)是以

17、微灌溉技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。從1860年開始，許多國家就使用排水瓦管，帶微孔的陶管，以及多孔的帆布管等各種各樣的穿孔管系統(tǒng)，利用地下水位的改變，以及根據(jù)土壤水分的張力確定管道中流到土壤里的水量進(jìn)行灌溉。荷蘭、英國首先應(yīng)用這種灌溉方法灌溉溫室中的花卉和蔬菜。第二次世界大戰(zhàn)后，隨著塑料工業(yè)的迅猛發(fā)展，各種塑料管相繼出現(xiàn)。由于它容易穿孔和連接，且價(jià)格低廉，使灌溉系統(tǒng)在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了第二次突破，這也是目前廣泛采用的灌溉模式。近十年來，微灌作為新興的灌溉技術(shù)在世界各地得到了較快的發(fā)展。根據(jù)國際排灌委會(huì)的微灌工作組所做的第三次調(diào)查，1911年世界微灌面積為1，768，987公頃（約合2，650萬畝），比五年

18、前增長了63%。盡管至今微灌技術(shù)在世界總灌溉面積的比重很小，不到0.8%，但其增長率遠(yuǎn)高于其他灌溉方法。同時(shí)不同于傳統(tǒng)的灌溉方法的采用，給作物的施肥技術(shù)帶來了極大的變化，它導(dǎo)致了一個(gè)全新的概念水肥灌溉的興起。采用滴灌系統(tǒng)進(jìn)行施肥，可以直接接觸植物的根部，避免浪費(fèi)且高效，這是一般方法所不具備的。在微觀技術(shù)發(fā)展快的國家，自動(dòng)施肥系統(tǒng)的應(yīng)用已非常廣泛。系統(tǒng)施肥器（用于營養(yǎng)與水混合）受計(jì)算機(jī)或小型控制器控制，已實(shí)現(xiàn)精確施肥。在灌溉設(shè)施發(fā)展的同時(shí)，自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)以及相應(yīng)的理論研究也得到了高度重視。現(xiàn)在國外的現(xiàn)代微灌系統(tǒng)都已經(jīng)普遍采用計(jì)算機(jī)控制。利用埋在地下的濕度傳感器，可以傳回有關(guān)土壤濕度的信息。還有

19、的傳感系統(tǒng)能通過檢測植物的莖和果實(shí)的直徑變化，來決定對(duì)植物的灌溉間隔。在溫室等設(shè)施內(nèi)較多使用小型灌溉控制器，這種設(shè)備通常能控制兒路或十幾路電磁閥，內(nèi)有若干種灌溉管理程序，澆水時(shí)間可按日期設(shè)定每次每路灌溉水起始時(shí)間，操作便于小規(guī)模經(jīng)營，計(jì)算機(jī)化操作運(yùn)行精密、可靠、節(jié)省人力?！?】1.1 現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)和施肥灌溉技術(shù)介紹計(jì)算機(jī)在我國設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用起步較晚，80年代初開始出現(xiàn)，在實(shí)現(xiàn)對(duì)營養(yǎng)液、溫度、光照、C02施肥等進(jìn)行綜合控制方面做了一些研究。但在營養(yǎng)液自動(dòng)混合及施肥控制方面還屬引進(jìn)吸收階段。近期，國家高度重視信息產(chǎn)業(yè)化工程的發(fā)展，在“九五”國家重大科技產(chǎn)業(yè)工程下廠化高效農(nóng)業(yè)示范工程中，設(shè)置了

20、計(jì)算機(jī)環(huán)境調(diào)控專題，以提高白主開發(fā)能力。我國設(shè)施農(nóng)業(yè)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展，在總體上正從消化吸收、簡單應(yīng)用階段向?qū)嵱没?、綜合性應(yīng)用階段過渡和發(fā)展。盡管設(shè)施栽培灌溉技術(shù)近十幾年來在我國得到了較快的發(fā)展，但是綜合環(huán)境控制水平還很低，自動(dòng)灌溉及施肥控制技術(shù)的發(fā)展目前還只限于引進(jìn)吸收階段，而且灌溉控制和營養(yǎng)液自動(dòng)混合控制技術(shù)還沒有具體的實(shí)現(xiàn)實(shí)例。目前，我國的設(shè)施栽培在自動(dòng)灌溉系統(tǒng)方面相對(duì)于先進(jìn)國家所存在的差距是還不能實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)液自動(dòng)混合控制。營養(yǎng)液混合還停留在使用施肥器完成液體肥和水的混合，然后通過管網(wǎng)送到作物周圍的階段。我國溫室大棚灌溉大部分都沒有使用施肥器，即使使用，也只用一種壓力式的施肥罐，施肥量很不

21、均勻。雖然，近幾年有些廠家也生產(chǎn)了文丘里式、射流式施肥器，但均沒有形成生產(chǎn)能力，造成市場上沒有選擇施肥器的余地，因而影響了施肥器的正常應(yīng)用。自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)，除個(gè)別引進(jìn)國外成套設(shè)備以外，國內(nèi)還沒有成型的產(chǎn)品，生產(chǎn)中使用的基本上還是缺少操作閥門的設(shè)備。不論灌溉還是施肥還停留在單個(gè)因子的調(diào)節(jié)上，不能實(shí)現(xiàn)與溫室綜合環(huán)境控制中的其他環(huán)境因子的綜合控制。不能實(shí)現(xiàn)灌溉專家系統(tǒng)。灌溉控制主要還是依照人的經(jīng)驗(yàn)去進(jìn)行，與技術(shù)先進(jìn)的國家還有差距。結(jié)合我國的國情，開發(fā)成套、適用、可靠、先進(jìn)的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)是我國今后設(shè)施栽培節(jié)水灌溉設(shè)備發(fā)展的主要方向。在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，合理灌溉技術(shù)的關(guān)鍵是控制灌水的均勻度，以適量的水進(jìn)

22、行適時(shí)灌溉，既能滿足作物對(duì)水的需要，又不至于造成溫室土壤含水量過多和空氣濕度過大，引起作物發(fā)生各種霉病，這也是發(fā)展現(xiàn)代溫室大棚水灌溉技術(shù)追求的目標(biāo)，必須深入研究作物生長過程的需水信息和環(huán)境因素，利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制灌水時(shí)間和灌水量，達(dá)到適時(shí)、適量、按需灌水，按照作物生長過程對(duì)水、肥、藥、環(huán)境等的需要，開發(fā)適合不同溫室大棚作物需要的設(shè)備，以滿足農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求。目前，國內(nèi)市場上應(yīng)用的溫室灌溉關(guān)鍵設(shè)備，基本上都是引進(jìn)國外的產(chǎn)品，而且需求量呈上升趨勢。引進(jìn)的設(shè)備價(jià)格昂貴，有些產(chǎn)品也不適合我們的國情。按我國目前的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，大規(guī)模的進(jìn)口溫室發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)并非良策，當(dāng)務(wù)之急是吸收國外同類型溫室成套設(shè)備的開發(fā)

23、和研制，替代進(jìn)口產(chǎn)品，是我們今后重要而緊迫的任務(wù)。 1.2 施肥灌溉系統(tǒng)方案概述 設(shè)施栽培技術(shù)中的施肥灌溉系統(tǒng)一般主要包括四部分：水源、中心控制組件、管網(wǎng)系統(tǒng)和灌水器。其中中心控制組件包括水泵、過濾器、灌溉泵、壓力和流量監(jiān)測設(shè)備、壓力保護(hù)裝置、施肥設(shè)備和自動(dòng)化控制設(shè)備。管網(wǎng)系統(tǒng)包括各級(jí)主支管道，各種口徑的管道控制閥門，排污設(shè)備，田間樞紐，毛管等。灌水器即微灌頭和滴灌管等。本課題研究主要設(shè)計(jì)中心控制組件部分，集中于利用計(jì)算機(jī)及自動(dòng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉、自動(dòng)營養(yǎng)液混合及施肥。在國外已經(jīng)成熟的灌溉產(chǎn)品中，自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案有多種。它們的主要組成部分大致相同，主要有控制器、水泵、灌溉網(wǎng)管、過濾器、

24、營養(yǎng)液混合裝置、各種傳感器、灌溉電磁閥及其他監(jiān)控水路壓力及流量的裝置等。而在實(shí)現(xiàn)灌溉自動(dòng)控制營養(yǎng)液白動(dòng)混合的方案上各有特色。系統(tǒng)吸肥方式有泵注方式、文莊里式、壓差式、水驅(qū)動(dòng)混合注入式等。白動(dòng)灌溉系統(tǒng)產(chǎn)品一般采用上述某種吸肥方式吸肥，營養(yǎng)液與水在混合罐中混合，再由施肥泵將混合后的營養(yǎng)液注入灌溉主管，檢測主管灌溉水流中營養(yǎng)液濃度作為控制器反饋值的方法，實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)液在線混合控制。營養(yǎng)液濃度控制一般采用檢測并控制營養(yǎng)液電導(dǎo)率(EC)值、酸堿度(PH)值的方法?？刂品椒ㄉ隙嗍褂瞄撝悼刂?，模糊邏輯控制應(yīng)用也較多。本研究根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用需要，結(jié)合先進(jìn)的微灌技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在設(shè)施栽培中，根據(jù)用戶設(shè)置的灌溉與施肥方案

25、，自動(dòng)灌溉與施肥，以及根據(jù)不同作物的不同需要，實(shí)現(xiàn)不同濃度營養(yǎng)液的在線自動(dòng)混合控制。系統(tǒng)采用PLC(可編程序控制器)作為主控制器，通過控制灌溉用電磁閥的開啟與關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)白動(dòng)灌溉。營養(yǎng)液的混合在混合罐中進(jìn)行，選用文丘里管吸肥，通過檢測混合后主管中灌溉水的營養(yǎng)液濃度作為反饋，控制營養(yǎng)液母液注入管路電磁閥的開啟與關(guān)閉，以實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)液濃度在線混合，自動(dòng)控制，由于營養(yǎng)液混合系統(tǒng)的大延遲、不確定因素多及傳遞函數(shù)難以確定的特點(diǎn)。采用模糊控制實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)液自動(dòng)混合。本系統(tǒng)適于在大面積設(shè)施栽培中，尤其是有各種作物生長的現(xiàn)代溫室中使用。系統(tǒng)性能可靠，易于安裝,維護(hù),操作方便，快捷,同時(shí)構(gòu)成簡單，設(shè)計(jì)合理，價(jià)格低廉?！?

26、】1.3 設(shè)計(jì)目的 當(dāng)今世界，科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，新技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，這促使了現(xiàn)代化設(shè)施農(nóng)業(yè)的高速發(fā)展，目前，設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)之一?，F(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)是利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)施，把一定的空間與外界環(huán)境隔離開來，形成一個(gè)半封閉式系統(tǒng)，在充分利用自然環(huán)境條件的基礎(chǔ)上，改善或創(chuàng)造更佳的環(huán)境氣候，為植物和動(dòng)物生長提供良好的環(huán)境條件，從而進(jìn)行更有效的生產(chǎn)。設(shè)施農(nóng)業(yè)包括設(shè)施栽培和設(shè)施養(yǎng)殖兩個(gè)方面。設(shè)施栽培技術(shù)中，微噴灌技術(shù)使施肥有更先進(jìn)的方法，即水肥技術(shù)。水肥技術(shù)就是將作物所需的養(yǎng)分溶于水，形成高濃度的營養(yǎng)液母液，再在作物需要施肥時(shí)，將營養(yǎng)液母液與水混合成一定濃度的營養(yǎng)液，通過微灌系統(tǒng)提

27、供給作物，對(duì)作物的生長發(fā)育有重要影響，因此，營養(yǎng)液混合技術(shù)己經(jīng)成為灌溉自動(dòng)控制中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。 灌溉自動(dòng)控制模式與人工控制方式相比，具有節(jié)省水、肥、能量、殺蟲劑、人工等優(yōu)點(diǎn)，并可基本消除在灌溉過程中人為因素造成的不利影響，提高操作的準(zhǔn)確性，有利于灌溉過程的科學(xué)管理和先進(jìn)灌溉技術(shù)的推廣。同時(shí)通過灌溉控制系統(tǒng)適時(shí)、適量的澆水，提高作物產(chǎn)量，有利于我國廣大農(nóng)村勞動(dòng)力的轉(zhuǎn)移和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，同時(shí)，對(duì)環(huán)境保護(hù)也起到一定的作用。 本課題的研究目的是針對(duì)我國灌溉系統(tǒng)自動(dòng)化程度低的問題。介紹了自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)的構(gòu)成，詳細(xì)的介紹自動(dòng)灌溉控制中營養(yǎng)液配置這一關(guān)鍵性技術(shù)的解決方法。結(jié)合當(dāng)前這個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際，提出

28、了利用模糊控制邏輯解決營養(yǎng)液的在線配置問題。詳細(xì)的介紹了營養(yǎng)液配置中模糊控制器的構(gòu)成，并利用PLC這一先進(jìn)的工業(yè)控制設(shè)備來控制農(nóng)業(yè)設(shè)備，更加體現(xiàn)了PLC可以適應(yīng)惡劣環(huán)境這一重大特點(diǎn)?！?】1.4課題研究的主要內(nèi)容 在設(shè)施栽培中，根據(jù)用戶設(shè)置的灌溉與施肥方案，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉與施肥，或根據(jù)不同作物的不同需要，實(shí)現(xiàn)不同營養(yǎng)液在線的自動(dòng)混合控制，并應(yīng)用plc做主控制器，通過控制灌溉用電磁閥的開啟與關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉。營養(yǎng)液的混合在混合罐中進(jìn)行，選用文丘里管吸肥，通過檢測混合后主管中灌溉水的營養(yǎng)液濃度作為反饋，控制營養(yǎng)液母液注入管路電磁閥的開啟與關(guān)閉，以實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)液濃度在線混合，自動(dòng)控制，由于營養(yǎng)液混合系統(tǒng)

29、的大延遲、不確定因素多及傳遞函數(shù)難以確定的特點(diǎn)。采用模糊控制實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)液自動(dòng)混合。第2章 施肥灌溉控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程2.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)中，由于微灌技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，可以不再采用傳統(tǒng)的施肥方法向作物提供生長發(fā)育所需要的養(yǎng)分，而是可以采用水肥微灌技術(shù)直接將營養(yǎng)液通過灌溉水提供給作物，這種方法能夠更高效、科學(xué)的進(jìn)行施肥。借助于這種方法，栽種者可以根據(jù)不同作物的不同生育階段的營養(yǎng)需要，以及根據(jù)不同氣候、水質(zhì)等條件，配制各種養(yǎng)料成分與濃度的營養(yǎng)液，更有效的培育作物。水肥灌溉是將要施加的養(yǎng)分，如氮、磷、鎂和其他微量元素，溶于水，形成高濃度的營養(yǎng)液母液，在需要施加營養(yǎng)液時(shí)，便

30、將營養(yǎng)液混合到灌溉水中，再配以防止?fàn)I養(yǎng)液堿性過高而添加的酸液，形成一定濃度的營養(yǎng)液，通過微灌系統(tǒng)管網(wǎng)輸送給作物，實(shí)現(xiàn)施肥。因此，現(xiàn)代灌溉系統(tǒng)還包括營養(yǎng)液混合控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在灌溉的同時(shí)完成施肥任務(wù)。 由于微灌系統(tǒng)借助于不同孔徑的滴頭實(shí)現(xiàn)灌溉，所以自動(dòng)灌溉系統(tǒng)還必須配以過濾設(shè)備，以保證灌溉水清潔而不會(huì)阻塞微灌系統(tǒng)。同時(shí)，為了保證系統(tǒng)管路壓力和流量的穩(wěn)定，還必須保證管路系統(tǒng)水的流量的穩(wěn)定。為了使得肥料能夠按一定的比例被吸入水路，還需要一定的施肥設(shè)備與其配套使用。管路在需要的時(shí)候投入工作，系統(tǒng)還需要一些配套的電磁閥。為實(shí)現(xiàn)綜合環(huán)境控制的目標(biāo)，自動(dòng)灌溉系統(tǒng)還應(yīng)該有控制其他環(huán)境因子的能力，如溫度，CO2，

31、濃度、空氣濕度等，本課題主要完成對(duì)灌溉及營養(yǎng)液濃度的自動(dòng)控制，暫不涉及綜合環(huán)境控制。本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2-1所示：由自動(dòng)灌溉控制和營養(yǎng)液混合控制兩部分組成。灌溉控制由主水泵，穩(wěn)壓閥，PLC，過濾器，各灌溉區(qū)域管網(wǎng)、灌溉電磁閥等構(gòu)成。營養(yǎng)液混合控制系統(tǒng)由PLC混合罐，各個(gè)肥料罐，酸液罐，施(吸)肥器、控制添加營養(yǎng)液母液和酸液的電磁閥，施肥泵，電導(dǎo)率傳感器等構(gòu)成。灌溉水首先要經(jīng)過過濾器的過濾，才能輸送到灌溉區(qū)域。過濾器工作時(shí)間累計(jì)到了一定時(shí)間或過濾器的壓差傳感器檢測到過濾器出入口壓差達(dá)到一定值時(shí)，要對(duì)過濾器進(jìn)行反沖洗，以保證系統(tǒng)過濾效果。灌溉系統(tǒng)工作時(shí)主水泵打開，穩(wěn)壓閥使主灌溉管

32、道中的水流保持穩(wěn)定的水壓。在每個(gè)灌溉支路上裝有一對(duì)電磁閥，當(dāng)某種作物需要灌溉時(shí)，只要控制中心輸出控制指令，打開該作物的灌溉支路上的電磁閥，灌溉水就可以輸送到該灌溉區(qū)域，通過灌水器(如微噴頭、滴灌器等)完成作物的灌溉。而某一時(shí)刻，某一灌溉區(qū)域是否實(shí)施灌溉，則由系統(tǒng)控制中心根據(jù)操作者所設(shè)定的灌溉程序來決定。圖2-1自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的構(gòu)成控制營養(yǎng)液混合控制系統(tǒng)完成營養(yǎng)液在線自動(dòng)混合控制功能。施肥過程是與灌溉過程同時(shí)進(jìn)行的，用戶可以設(shè)定灌溉方式及灌溉時(shí)間，則在設(shè)置下啟動(dòng)營養(yǎng)液混合控制系統(tǒng)，并將混合后的營養(yǎng)液隨灌溉水一起輸送到灌溉區(qū)域。 營養(yǎng)液混合控制系統(tǒng)啟動(dòng)后，來自主管道的灌溉水注入到混合灌中，同時(shí)打開肥

33、料注入通道的電磁閥，使所需肥料和酸液在施肥器的作用下注入到混合罐中。EC, PH傳感器是控制系統(tǒng)的檢測元件，在營養(yǎng)液混合中，標(biāo)志營養(yǎng)液濃度的指標(biāo)是混合后營養(yǎng)液的電導(dǎo)率(EC值)和酸堿度(PH值)。所以營養(yǎng)液混合控制系統(tǒng)的目標(biāo)就是按系統(tǒng)營養(yǎng)濃度設(shè)定值，實(shí)時(shí)控制混合后營養(yǎng)液的電導(dǎo)率(EC值)和酸堿度(PH值)。系統(tǒng)工作時(shí)按照電導(dǎo)率(EC值)和酸堿度(PH值)傳感器采樣值，由程序給出肥料與酸液電磁閥的開啟或關(guān)閉的控制指令，使混合后營養(yǎng)的電導(dǎo)率(EC值)和酸堿度(PH值)穩(wěn)定在設(shè)定值上。整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)及控制均由PLC(可編程序控制器)來完成，包括灌溉與營養(yǎng)液的在線混合，過濾與反沖洗以及系統(tǒng)的模糊控制等

34、。2.1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求(1)系統(tǒng)主要功能系統(tǒng)啟動(dòng)后，自動(dòng)運(yùn)行，按灌溉程序自動(dòng)灌溉。如改變灌溉程序，只需在控制面板上通過撥碼開關(guān)改變程序編號(hào)即可。根據(jù)用戶的灌溉要求：通過控制面板的撥碼開關(guān)實(shí)現(xiàn)20路灌溉電磁閥的選擇灌溉控制。營養(yǎng)液自動(dòng)混合控制：系統(tǒng)按照營養(yǎng)液濃度指標(biāo)溶液電導(dǎo)率與酸堿的設(shè)定值，在線自動(dòng)混合營養(yǎng)液。過濾器過濾與反沖洗控制：根據(jù)檢測到的過濾器出入口壓差值控制反沖洗操作。實(shí)時(shí)報(bào)警功能：當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常，立即報(bào)警，停止運(yùn)行各種灌溉動(dòng)作，等待操作者處理。灌溉程序就是用戶根據(jù)作物生長的需要設(shè)置的灌溉與施肥方案。系統(tǒng)允許用戶同時(shí)設(shè)置多個(gè)灌溉程序，每個(gè)灌溉程序包括程序啟動(dòng)方式，運(yùn)行時(shí)間與間隔，灌

35、溉程序采用的營養(yǎng)液配方料種類與營養(yǎng)液濃度等等)。這些設(shè)置實(shí)際上決定了某種作物的灌溉方案。系統(tǒng)按照灌溉程序設(shè)置，自動(dòng)、有序地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉與施肥，完成每個(gè)用戶灌溉程序。系統(tǒng)可以對(duì)各種異常情況報(bào)警，如營養(yǎng)液濃度異常，混合罐水位異常等，避免系統(tǒng)故障及灌溉無誤。(2)系統(tǒng)性能要求為保證自動(dòng)灌溉系統(tǒng)能在各種可能的環(huán)境下工作，系統(tǒng)應(yīng)具有在各種可能的外部環(huán)境下都能正常上作的能力。如溫度(-1070)，濕度等。 系統(tǒng)的安全性：要保證重要數(shù)據(jù)(如系統(tǒng)設(shè)置，灌溉程序設(shè)置、歷史灌溉信息、時(shí)鐘信息等)不因電源電壓下降、掉電等原因而丟失。 系統(tǒng)的可靠性：盡量降低人為因素導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作，或灌溉失誤。如在用戶進(jìn)行系統(tǒng)與

36、灌溉程序設(shè)置時(shí)，系統(tǒng)設(shè)定值不合理。同時(shí)，系統(tǒng)因非人為原因而工作異常時(shí)，大部分情況下應(yīng)能自動(dòng)糾正或發(fā)出警告。 系統(tǒng)抗干擾能力：控制系統(tǒng)應(yīng)滿足電磁兼容性能要求，既要考慮供電電源的電壓波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)工作的影響，又要考慮電源和數(shù)字電路對(duì)模擬輸入的影響。 為滿足控制系統(tǒng)性能，系統(tǒng)采樣值要滿足精度要求。主要是指傳感器將非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電類信號(hào)時(shí)的轉(zhuǎn)換誤差和非線性失真、模擬通道的電壓降，放大器放大精度及非線性失真、A/D轉(zhuǎn)換精度和分辨率，微處理器的運(yùn)算精度等。同時(shí)系統(tǒng)要滿足實(shí)時(shí)性要求，主要考慮響應(yīng)時(shí)間、采樣間隔、每個(gè)有效數(shù)據(jù)的采樣次數(shù)、A/D的轉(zhuǎn)換速度、控制算法的運(yùn)算時(shí)間等。系統(tǒng)應(yīng)具有進(jìn)一步的擴(kuò)展空間，如灌溉閥數(shù)

37、量的增加(即灌溉區(qū)域的擴(kuò)展)，需要控制的環(huán)境因子的增加等。在滿足要求的基礎(chǔ)上，還要考慮系統(tǒng)的成本和性價(jià)比。同時(shí)系統(tǒng)應(yīng)易于調(diào)試，便于系統(tǒng)聯(lián)調(diào)及進(jìn)一步增強(qiáng)功能。2.1.3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)根據(jù)系統(tǒng)功能及設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)采取PLC作為控制中心，通過控制面板上的控制開關(guān)實(shí)現(xiàn)灌溉的開關(guān)量控制，通過柜面的撥碼開關(guān)實(shí)現(xiàn)控制方案的選擇即灌溉程序的選擇，借助于PLC的編程軟件，實(shí)現(xiàn)灌溉程序的修改操作。由于該系統(tǒng)較多的使用在農(nóng)田及溫室中，所以系統(tǒng)一經(jīng)實(shí)驗(yàn)成功投入使用，即只提供使用時(shí)的功能選擇，不提供上位機(jī)的適時(shí)監(jiān)控等操作。但需要程序員修改灌溉程序時(shí)可以方便的通過PC機(jī)進(jìn)行修改。系統(tǒng)包括自動(dòng)灌溉與自動(dòng)營養(yǎng)液自動(dòng)混合兩部分。

38、這兩部分的控制都由PLC進(jìn)行控制?？刂乒裼砂粹o開關(guān)，PLC, A/D模塊，各個(gè)電磁閥、水泵的驅(qū)動(dòng)電路以及相應(yīng)的指示等所組成。 自動(dòng)灌溉控制部分要控制的部件有:主水泵的開關(guān)，灌溉電磁閥的開關(guān)，過濾器的反沖洗開關(guān)等。在系統(tǒng)需要灌溉時(shí)，PLC向水泵發(fā)送打開指令，灌溉結(jié)束時(shí)，發(fā)送關(guān)閉指令。過濾器選用疊片式過濾器，系統(tǒng)可以有多個(gè)過濾器工作，工作方式由用戶設(shè)定。過濾器的反沖洗，可以定時(shí)清洗，也可以根據(jù)安裝在過濾器上的壓差傳感器的檢測值達(dá)到設(shè)定值時(shí)執(zhí)行沖洗。根據(jù)本系統(tǒng)的控制要求，壓差傳感器可以采用輸出開關(guān)量的壓差傳感器。系統(tǒng)根據(jù)檢測到的壓差值控制反沖洗的起動(dòng)與停止。營養(yǎng)液自動(dòng)混合控制系統(tǒng)工作時(shí)，施肥加壓泵打

39、開，根據(jù)混合罐水位，控制注水閥開關(guān)，使混合罐中的水流通起來。同時(shí)根據(jù)EC, PH傳感器的采樣信息，由控制算法得到控制指令，該指令控制肥料與酸液電磁閥的開關(guān)，完成營養(yǎng)液的混合工作。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，EC、PH這兩種傳感器要實(shí)現(xiàn)在線檢測以滿足營養(yǎng)液在線混合的需要。同時(shí)，為滿足控制系統(tǒng)的性能要求，傳感器的反應(yīng)時(shí)間要快。選用上海雷磁儀器廠的DDD-32D型電導(dǎo)率儀。該電導(dǎo)率傳感器配有自動(dòng)溫度補(bǔ)償功能;測量上限為lO4us/cm滿足系統(tǒng)要求;輸出信號(hào)為O-l0mA，滿足A/D模塊的輸入信號(hào)要求。同時(shí)傳感器反應(yīng)時(shí)間也滿足控制要求。酸堿度傳感器同樣滿足這些要求。電磁閥選用交流24V開關(guān)閥，成本低且性能可靠，

40、易于控制。肥料進(jìn)入混合罐的方法國內(nèi)外有多種，主要有泵注方式、文丘里式、壓差式、水驅(qū)動(dòng)混合注入式等，綜合考慮各種方法，本系統(tǒng)選用文丘里管作為吸肥器。該裝置簡便可靠，易于維護(hù)，便于控制。電氣框圖如下圖2-2所示：圖2-2 自動(dòng)灌溉系統(tǒng)電氣框圖RS232接口就是串口，電腦機(jī)箱后方的9芯插座。計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)與終端之間的數(shù)據(jù)傳送可以采用串行通訊和并行通訊二種方式。由于串行通訊方式具有使用線路少、成本低，特別是在遠(yuǎn)程傳輸時(shí)，避免了多條線路特性的不一致而被廣泛采用。在串行通訊時(shí)，要求通訊雙方都采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，使不同的設(shè)備可以方便地連接起來進(jìn)行通訊。本設(shè)計(jì)采用的RS-232在PLC的外部。2.2 系

41、統(tǒng)硬件的選擇2.2.1 PLC簡介20世紀(jì)60年代，人們曾試圖用小型計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電接觸器控制，但因價(jià)格昂貴，輸入輸出電路不匹配、編程復(fù)雜等原因，而沒能得到推廣和應(yīng)用。20世紀(jì)60年代末，美國通用汽車公司(GM)為了適應(yīng)汽車型號(hào)不斷翻新的需要，提出需要有這樣一種設(shè)備，即：(1)它的繼電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期短，更改容易，接線簡單，成本低。 (2)它能把計(jì)算機(jī)的許多功能和繼電控制系統(tǒng)結(jié)合起來，但編程又比計(jì)算機(jī)簡單易學(xué)，操作方便。(3)系統(tǒng)通用性強(qiáng)。PLC采用典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要包括CPU, RAM, ROM和輸入輸出接口電路。其內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。如果把PLC看作

42、一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由輸入變量到輸出變量組成。外部的各種開關(guān)信號(hào)，模擬量信號(hào)以及傳感器檢測到的各種信號(hào)均作為PLC的輸入變量，它們經(jīng)PLC外部輸入端子輸入到內(nèi)部寄存器中，經(jīng)PLC內(nèi)部邏輯運(yùn)算或其他各種運(yùn)算處理后送到輸出端子，它們是PLC的輸出變量。由這些輸出變量對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行各種控制。所以可以把PLC看作一個(gè)中間處理器或變換器，它在程序的監(jiān)控下，實(shí)現(xiàn)輸入變量到輸出變量的轉(zhuǎn)換。 為保證PLC能在惡劣環(huán)境下可靠的運(yùn)行，在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中采取了一系列的硬件和軟件的抗干擾措施，主要有以幾個(gè)方面： (1)隔離：這是抗干擾的主要措施之一。PLC的輸入輸出接口電路一般采用光電耦合器來傳遞信號(hào)。 (2)濾波：這是

43、抗干擾的另一個(gè)主要措施。在PLC的電源電路和輸入，輸出電路中設(shè)置了多種濾波電路，用于對(duì)高頻干擾信號(hào)進(jìn)行有效抑制。 (3)對(duì)PLC的內(nèi)部電源采取屏蔽、穩(wěn)壓、保護(hù)措施，以減少外界干擾，保證供電質(zhì)量。 (4)內(nèi)部設(shè)置連鎖，環(huán)境檢測及診斷、看門狗電路等。 (5)利用系統(tǒng)軟件定期進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)、用戶程序、工作環(huán)境和故障檢測，并采取信息保護(hù)和恢復(fù)措施。(6)對(duì)應(yīng)用程序及動(dòng)態(tài)工作數(shù)據(jù)進(jìn)行電池備份，以保障停電后有關(guān)狀態(tài)或信息不丟失(7)采用密封、防塵、抗震的外殼封裝結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)工作現(xiàn)場的惡劣環(huán)境。(8)采用循環(huán)掃描的工作方式，提高抗干擾能力。2.2.2 PLC主機(jī)機(jī)型的選擇一、系統(tǒng)選擇PLC的要求1、體積小。本

44、系統(tǒng)要求做出一個(gè)小型的控制柜控制灌溉設(shè)各，應(yīng)用于控制現(xiàn)場，所以在PLC 的選擇上一定要兼顧體積小的因素。2、功能強(qiáng)大。本系統(tǒng)要求所選用的PLC應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)增加擴(kuò)展模塊的功能。并且不僅有數(shù)字量的擴(kuò)展還有模擬量的擴(kuò)展。所以選擇時(shí)要注意能否增加擴(kuò)展模塊，以及擴(kuò)展模塊的數(shù)量問題。3、可靠性高。本系統(tǒng)要求能適應(yīng)惡劣的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，雖然沒有很多的脈沖干擾，但溫度和濕度環(huán)境很差。4、編程及設(shè)定參數(shù)簡單方便。本系統(tǒng)的使用對(duì)象為農(nóng)民，所以就設(shè)置時(shí)就要考慮農(nóng)民的素質(zhì)及技術(shù)熟練程度，所以選擇的PLC應(yīng)能夠有很好的人機(jī)接口方式。5、應(yīng)具有通訊接口。由于本系統(tǒng)可能要經(jīng)常根據(jù)灌溉的需要更改灌溉程序，所以需要PLC具有很好的

45、編程環(huán)境，所以在選擇PLC時(shí)要求既能夠使用簡易的編程器編程，同時(shí)也應(yīng)該能夠滿足使用PC及編程，同時(shí)通訊口的存在又可以供開發(fā)人員開發(fā)上位機(jī)的相關(guān)產(chǎn)品，如監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集等。繼電器輸出。本系統(tǒng)由于直接驅(qū)動(dòng)電磁閥，所以可以直接選用繼電器輸出出的PLC。二、主機(jī)機(jī)型的選擇PLC灌溉控制系統(tǒng)的主要功能是:自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，PLC的A/D模塊執(zhí)行對(duì)各個(gè)傳感器的采樣功能，并根據(jù)各個(gè)采樣值通過相應(yīng)的控制算法，分別控制各個(gè)執(zhí)行元件。為了提高轉(zhuǎn)換精度，我們應(yīng)選擇轉(zhuǎn)換精度較高的A/D模塊。本系統(tǒng)的控制對(duì)象大多是電磁閥等開關(guān)量負(fù)載，并且對(duì)輸出的響應(yīng)時(shí)間沒有特別嚴(yán)格的要求，所以我們選擇繼電器輸出型的PLC，它們可以直接去驅(qū)

46、動(dòng)這些負(fù)載，而不需要增加中間繼電器去轉(zhuǎn)換線路。本系統(tǒng)的輸入信號(hào)，除了配料所用的EC及PH傳感器需要作為模擬量輸入PLC外，其他的信號(hào)如壓差信號(hào)，液位信號(hào)都可以通過有觸點(diǎn)開關(guān)實(shí)現(xiàn)開關(guān)量控制。所以本系統(tǒng)需要的A/D模塊有限，開關(guān)量信號(hào)也不多。由于PLC在輸入處理上采用嚴(yán)格的光電偶合輸入，大大的增加了控制可靠性。綜合以上原因，我們采用三菱系列的PLC 。具體型號(hào)及技術(shù)參數(shù)如下: PLC FX-48MR-001 24入 24出PLC輸入/輸出主要由以下幾部分組成：輸入部分： 輸出部分：系統(tǒng)啟動(dòng)總開關(guān) 注水電磁閥系統(tǒng)停止總開關(guān) 施肥加壓泵混合罐水位開關(guān) 肥料電磁閥EC,PH傳感器 酸液電磁閥 過濾器 壓

47、差傳感器 主水泵三、主機(jī)的技術(shù)性能環(huán)境規(guī)格：周圍溫度： -2070相對(duì)濕度： 3585%RH耐震性： 符合JIS C0040標(biāo)準(zhǔn)耐沖擊性： 符合JIS C0041標(biāo)準(zhǔn)耐噪音： 噪音電壓1000V耐電壓： AC1500（1分鐘）絕緣阻抗： DC500V，5M 使用環(huán)境： 無腐蝕性，可燃性氣體，無大量導(dǎo)電性灰塵主要性能規(guī)格：運(yùn)算控制方式： 存儲(chǔ)程序反復(fù)掃描方式，有中斷指令輸入輸出控制方式：批處理方式，輸入輸出刷新指令，有脈沖捕捉功能 編程語言： 繼電器符號(hào)/步進(jìn)梯形圖方式 程序內(nèi)存： 8K步EEPROM 指令種類： 順控指令27個(gè) 步進(jìn)梯形圖指令2個(gè) 應(yīng)用指令89種 運(yùn)算處理速度： 基本指令0.5

48、5-0.7s 輸出方式： 繼電器/可控硅/晶體管 通訊規(guī)格： RS232通訊2.2.3 PLC擴(kuò)展模塊的選擇一、主機(jī)特殊模塊的選擇在本系統(tǒng)中有較少的數(shù)字量輸入，但卻有相對(duì)比例較高的模擬量的輸入，所以在選擇PLC的機(jī)型時(shí)，既要考慮到選擇輸入量較少的PLC，以降低設(shè)備成本，同時(shí)又要考慮PLC主機(jī)的可擴(kuò)展性，以及A/D模塊的性能滿足系統(tǒng)的要求。據(jù)以上情況，我們選擇三菱系列的PLC作為控制核心?？紤]模擬量輸入較多的特點(diǎn)，我們選用三菱系列的FX-4AD主機(jī)作為控制核心，根據(jù)本系統(tǒng)的實(shí)際情況，此模塊是一個(gè)2 A/D輸入，1D/A輸出的功能模塊。故本系統(tǒng)我們選用的模塊配置為：A/D模塊，F(xiàn)X-4AD 二模擬

49、量模塊技術(shù)性能指標(biāo)表2-1 性能指標(biāo)分配項(xiàng)目電壓輸入電流輸入電壓或電流輸入的選擇基于對(duì)輸入端子的選擇，一次可使用4個(gè)輸入點(diǎn)模擬輸入范圍DC:-10V+10V (輸入阻抗200千歐)DC:-20mA+20mA(輸入阻抗250歐）數(shù)字輸出12位的轉(zhuǎn)換結(jié)果以16位二進(jìn)制補(bǔ)碼方式存儲(chǔ)最大值:+2047; 最小值:-2048分辨率5mA(10V默認(rèn)范圍1/2000)20A(20mA默認(rèn)范圍1/1000)總體精度1（對(duì)于-10V-+10V的范圍）1（對(duì)于-20mA-+20mA的范圍）轉(zhuǎn)換精度15ms/通道（常速）15ms/通道（常速）2.3 PLC的I/O分配表2-2 PLC輸入分配表輸入信號(hào)器件代號(hào)地址

50、編碼功能說明SB1X0系統(tǒng)總啟動(dòng)總停止SB2X1報(bào)警消音液位傳感器1X2混合罐液面過高液位傳感器2X3混合罐液面過低溫度傳感器1X4溫度過高開關(guān)量溫度傳感器2X5溫度適中開關(guān)量光照傳感器1X6光照過強(qiáng)開關(guān)量光照傳感器2X7光照適中開關(guān)量SQ1X10遮陽棚開限位SQ2X11遮陽棚關(guān)限位表2-3 PLC的輸出分配表輸出信號(hào)器件代號(hào)地址編碼功能說明KM1Y0主水泵KM2Y1注水電磁閥KM3Y2肥料電磁閥KM4Y3酸液電磁閥KM5Y4攪拌機(jī)KM6Y5施肥加壓泵KM7Y6灌溉電磁閥1KM8Y7灌溉電磁閥2KM9Y10灌溉電磁閥3KM10Y11風(fēng)機(jī)KM11Y12報(bào)警KM12Y13空氣泵KM13Y14遮陽棚

51、開KM14Y15遮陽棚關(guān)2.4 硬件接線圖電路中采用水位開關(guān)控制混合罐水位的上下限，通過撥碼開關(guān)實(shí)現(xiàn)灌溉控制程序、灌溉時(shí)間、灌溉支路選擇，輸出采用PLC的電源輸出，直接驅(qū)動(dòng)24V直流電磁閥。主水泵及反沖洗環(huán)節(jié)可通過PLC的輸出配合相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路去驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的三相異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)。主機(jī)及l(fā)/0擴(kuò)展模塊部分如圖2-3所示。圖2-3 PLC的主機(jī)及I/O擴(kuò)展模塊2.5 PLC程序流程圖圖2-4 PLC梯形圖程序當(dāng)混合罐液面過低時(shí)，報(bào)警器發(fā)出報(bào)警，當(dāng)工作人員注意，知道按下消音按鈕。當(dāng)人員往混合罐放入肥料時(shí)，可按下注水閥，若不按，系統(tǒng)將自動(dòng)向混合罐注水以稀釋肥料，其模糊程序如下：表2-3 模糊程序表2.6本

52、章小結(jié)本章介紹了自動(dòng)灌溉及施肥系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、主要功能，并根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，完成了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和PLC的I/O硬件設(shè)計(jì)、A/D模塊的選擇、I/O口的分配。該系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行可靠，系統(tǒng)功能和性能指標(biāo)能夠滿足設(shè)計(jì)要求。由本章內(nèi)容可知，采用PLC作為控制核心，可以使控制方案的制定在較短的周期內(nèi)完成，并且系統(tǒng)的可靠性和先進(jìn)性并沒有降低。第3章 營養(yǎng)液混合模糊控制器3.1 模糊控制系統(tǒng)概述自1965年美國加州大學(xué)教授L.A.Zadeh發(fā)表了關(guān)于模糊集的開創(chuàng)性論文以來，模糊理論經(jīng)歷了三十多年的艱難發(fā)展，到今天已成為國內(nèi)國際研究的熱點(diǎn)，并被權(quán)威人士評(píng)價(jià)為21世紀(jì)的核心技術(shù)。模糊控制是以模糊集合論、模糊語

53、言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制。從線性控制和非線性控制的角度非類，模糊控制是一種非線性控制。從控制器的智能性看，模糊控制屬于智能控制的范疇。它避開數(shù)學(xué)模型，直接用機(jī)器來模仿人的思維。由于模糊控制對(duì)被控?cái)?shù)學(xué)模型的依賴性不強(qiáng)，因此，對(duì)于那些因過程本身的不確定性、不精確性及噪聲而難于建立數(shù)學(xué)模型或數(shù)學(xué)模型粗糙復(fù)雜的系統(tǒng)，用模糊控制更具有優(yōu)越性。智能控制是人工智能、控制理論和管理科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。它依靠知識(shí)模型，把人類社會(huì)數(shù)以千萬計(jì)的技術(shù)和非技術(shù)的人類行為和經(jīng)驗(yàn)，歸納為若干系統(tǒng)化的規(guī)則，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的“擬人智能”控制。模糊控制作為智能控制的一種類型，是控制理論發(fā)展的高級(jí)階段的產(chǎn)物，其研究

54、對(duì)象具備以下一些智能控制對(duì)象的特點(diǎn)：1模型不確定性；2非線性；3復(fù)雜任務(wù)的要求；模糊控制方法與通常分析系統(tǒng)所用的定量方法在本質(zhì)上是不同的，它有三個(gè)主要特點(diǎn)：1用語言變量代替數(shù)學(xué)變量或者兩者結(jié)合；2用模糊條件語句來刻畫變量間的函數(shù)關(guān)系；3用模糊算法來刻畫復(fù)雜關(guān)系。傳統(tǒng)的自動(dòng)控制理論，包括經(jīng)典理論和現(xiàn)代控制理論，有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即控制器的綜合設(shè)計(jì)都要建立在被控制對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型(如微分方程、傳遞函數(shù)或狀態(tài)方程)的基礎(chǔ)上。實(shí)踐證明，對(duì)于存在精確數(shù)學(xué)模型的自動(dòng)控制系統(tǒng)，經(jīng)典控制理論或現(xiàn)代控制發(fā)揮了巨大的作用，并取得了令人滿意的控制效果。但是在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，很多系統(tǒng)的影響因素很多，十分復(fù)雜。建立精

55、確的數(shù)學(xué)模型特別困難，甚至是不可能的。原因如下：1有許多系統(tǒng)得不到準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。很多工業(yè)生產(chǎn)過程是及其復(fù)雜的，“系統(tǒng)辨識(shí)”理論可以通過各種測試手段及數(shù)據(jù)處理方法獲得數(shù)學(xué)模型，但很難得到確切描述這些過程的傳遞函數(shù)或狀態(tài)方程，一些用其他方法得到的數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜，甚至用電子計(jì)算機(jī)也難于實(shí)現(xiàn)。2系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型只能是系統(tǒng)的一種近似。對(duì)系統(tǒng)的了解不可能完全清楚和完全正確，所以建立的數(shù)學(xué)模型不可能與實(shí)際系統(tǒng)安全吻合，也就得不到精確的數(shù)學(xué)模型?！?】3.2 模糊控制基本原理模糊控制的基本原理其核心部分為模糊控制器。模糊邏輯控制由輸入模糊化、模糊控制規(guī)則、模糊決策、模糊判決等部分組成。模糊控制算法可概括為以下

56、四個(gè)步驟： (1)根據(jù)本次采樣得到的系統(tǒng)輸出值，計(jì)算系統(tǒng)輸入變量。 (2)將輸入變量的精確量變?yōu)槟：俊?(3)根據(jù)輸入變量的模糊量及模糊控制規(guī)則，按模糊推理合成規(guī)則計(jì)算控制量(模糊量)。 (4)由上述得到的模糊控制量，計(jì)算精確控制量。具體方法是這樣的：首先，決定每個(gè)模糊變量的包括若干語言變量的模糊語言集、等級(jí)劃分及相應(yīng)的論域。輸入量模糊化后即對(duì)應(yīng)于一定等級(jí)的一定隸屬度。然后根據(jù)操作人員的經(jīng)驗(yàn)制定輸入變量、輸出控制變量論域中不同等級(jí)所對(duì)應(yīng)的模糊集中各個(gè)語言變量的隸屬度。模糊控制規(guī)則是根據(jù)操作人員的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的。它的形式為語言變量表示的模糊條件語句。經(jīng)過以模糊規(guī)則為基礎(chǔ)的模糊決策，可得到控制作

57、用的模糊集。然后用模糊判決方法得到輸出控制量論域中的等級(jí)數(shù)，再經(jīng)過輸出精確化，即可輸出控制指令。經(jīng)過模糊決策及模糊判決得到模糊控制表，為了在生產(chǎn)控制中避免模糊關(guān)系矩陣合成運(yùn)算所浪費(fèi)的計(jì)算機(jī)時(shí)間，總是采取在脫機(jī)狀態(tài)F將全部輸入輸出之間關(guān)系計(jì)算出來，形成一張模糊控制表，存入計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，在某一采樣時(shí)刻根據(jù)輸入變量直接去查控制表，就可以得到輸出響應(yīng)?？刂埔?guī)則和控制表需在實(shí)際系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中不斷修正，才能得到較好的控制效果。3.3 營養(yǎng)液在線混合控制原理與特點(diǎn)3.3.1 工作原理現(xiàn)代化微灌系統(tǒng)中農(nóng)作物所需養(yǎng)分來自營養(yǎng)液，所以在灌溉過程中不但要根據(jù)作物需求進(jìn)行灌溉，還要將適合作物生長的一定成分、一定濃度的營養(yǎng)

58、液通過灌溉水提供給作物。而營養(yǎng)液與水的混合是在灌溉過程中進(jìn)行，因此，營養(yǎng)液的混合、檢測的控制是一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。營養(yǎng)液自動(dòng)混合控制系統(tǒng)的組成如圖3-1所示。系統(tǒng)由PLC控制柜、灌溉管路、營養(yǎng)液混合系統(tǒng)等幾部分組成。其中營養(yǎng)液混合系統(tǒng)包括混合罐、抽吸營養(yǎng)液用的文丘里管(施肥器)、電磁閥(根據(jù)施加肥料種類的不同可有多個(gè)，圖中僅示出一個(gè))，PH值、EC值傳感器等?！?】圖3-1 自動(dòng)營養(yǎng)液混合控制系統(tǒng)帶的構(gòu)成當(dāng)灌溉進(jìn)行時(shí)，主水泵1啟動(dòng)，管道1中的灌溉水在穩(wěn)壓閥的作用下以一定壓力流動(dòng)。其中大部分灌溉水流經(jīng)管道2流向灌溉區(qū)域。另外一小部分水流經(jīng)管道3流向混合罐，和通過文丘里管流向混合罐的營養(yǎng)液在混合罐中

59、混合。當(dāng)混合罐中的水位達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，液位控制閥關(guān)閉管道3與罐之間的通道。當(dāng)需要施加營養(yǎng)液時(shí)，啟動(dòng)施肥泵，同時(shí)管道3向混合罐注水，使混合罐中的水流接通文氏里管吸肥管路中的電磁閥，混合罐中的水便經(jīng)施肥泵加壓后經(jīng)管道4泵入主管道2。同時(shí)，當(dāng)文丘里管中有水流流動(dòng)時(shí)，在文丘里管處產(chǎn)生負(fù)壓，營養(yǎng)液母液便通過文丘里管流向混合罐。混合罐內(nèi)裝有攪拌裝置，故可使?fàn)I養(yǎng)液與混合罐的水能夠均勻混合。在主管道的出水管道3上還引出一路水流用以安裝PH值和EC值傳感器，檢測混合液中的PH值和EC值。檢測值輸送給PLC的A/D模塊，根據(jù)設(shè)定的營養(yǎng)液濃度通過實(shí)驗(yàn)得到電磁閥開關(guān)脈沖寬度指令，通過控制電磁閥在一個(gè)控制周期內(nèi)的開關(guān)間

60、隔時(shí)間，使混合液中的營養(yǎng)液濃度保持在給定的范圍之內(nèi)。3.3.2 特點(diǎn)本系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：(1)系統(tǒng)延遲大：營養(yǎng)液母液與灌溉水都是從混合罐項(xiàng)部進(jìn)入混合罐，在混合罐中通過攪拌混合，混合水從混合罐頂部沿罐的內(nèi)壁切線方向流向底部，從底部的出口處流出，再經(jīng)過水泵然后才到傳感器的檢測處，因此系統(tǒng)延遲非常大。(2)有不確定因素的復(fù)雜系統(tǒng)：營養(yǎng)液與水的混合過程中存在混合均勻度不穩(wěn)定的情況，同時(shí)混合罐中水位的高低，混合水的流速與方向等不確定因素的存在，使系統(tǒng)成為有多種不確定因素和干擾的復(fù)雜系統(tǒng)。(3)系統(tǒng)慣性大,由于水的慣性及水流和混合罐入口到出口的不均勻流動(dòng)，造成混合罐及主管道內(nèi)存在部分深液殘余，使系統(tǒng)必然有很