基于 S7-1500 的智能农田灌溉系统研究*论文

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　　摘要： 为了满足国家提出的建设“节水型农业”要求， 有效提高农田灌溉的自动化、智能化， 尤其在偏远缺水的干旱农业地区， 为了实现农田的智能自动化管理， 设计了一种基于触摸屏和 PLC 的无人看守的、能够根据温湿度自动调节灌溉流量的智能农田灌 溉系统， 并通过虚拟仿真软件验证了系统的正确性。系统基于西门子 S7- 1500 PLC 作为控制系统， 通过西门子博途软件进行 PRO⁃ FINET 通讯组态， 并连接通用型 G120 变频器、 TP700 触摸屏、温湿度传感器。既可以节约水资源， 又解决了以往漫灌需要大量人 工且不满足农作物生长条件的难点， 同时利用变频技术提高了水泵的效率， 具有一定的实际应用价值。

　　Abstract: In order to meet the national requirements for building a "water-saving agriculture" and effectively improve the automation and intelligence of farmland irrigation, especially in remote and arid agricultural areas with water scarcity, in order to achieve intelligent and automated management of farmland, an unmanned intelligent farmland irrigation system based on touch screen and PLC is designed, which can automatically adjust irrigation flow based on temperature and humidity . The correctness of the system is verified through virtual simulation software. The system is based on Siemens S7- 1500 PLC as the control system, configured through PROFINET communication through Siemens Botu software, and connected to a universal G120 frequency converter, TP700 touch screen, and temperature and humidity sensors. It can not only save water resources, but also solve the difficulties of requiring a large amount of manual labor and not meeting the growth conditions of crops in the past. It also utilizes frequency conversion technology to improve the efficiency of water pumps, which has certain practical application value.

　　Key words: PLC; touch screen; frequency converter; intelligent irrigation

　　0 引言

　　我国是农业大国， 农作物的耗水量较多， 特别在一 些干旱少雨地区， 水资源严重不足影响到了农作物的生 长。传统农业的灌溉通常采用漫灌的方式， 生产效率较 低， 且依赖农民的经验操作， 缺乏科学性的数据支持， 有很多需要改进的地方。如何积极有效地发展智慧农业， 根本上提高粮食质量， 做到合理而有效地使用农田对我 国农业发展意义重大[1]。传统的农业大棚灌溉效率较低， 通常使用的人工漫灌方式可能引起水量的浪费， 同时也 不能满足不同农作物的生长要求[2-4]。本文设计的基于西 门子 S7- 1500 型号 PLC 的农田灌溉系统， 西门子 PLC 为 整个控制系统的控制核心， 并添加了土壤温湿度传感器 作为检测机构， 土壤的温湿度值将由温湿度传感器实时 监测， 并将收集到的数据发送到触摸屏， 提高了系统的 智能化。并基于实时数据分析灌溉的水量， 能够随温度、 湿度的变化对农田进行精准灌溉， 能够有效地减少水量的浪费， 并能够满足不同农作物的灌溉要求， 还节省了 人力物力， 大幅度提高了农田灌溉系统的效率[5-6]， 优势 突出， 特别适用于水资源紧缺且缺乏人员管理的区域。

　　1 系统控制要求

　　农作物的生长离不开光照、温度和湿度， 智能灌溉 系统可以通过空气温度与土壤湿度决定农作物是否需要 灌溉[7- 10]。本系统采用温湿度传感器、西门子 PLC、触摸 屏、 MINT 仿真软件等技术， 温度传感器检测农作物的温 度， 湿度传感器检测土壤的湿度， 然后通过 PLC 控制变 频器， 变频器能够实时控制水泵灌溉的水量， 能够根据 土壤温湿度值实时调节灌溉水量。该系统实现了实时监 测、智能化管理等功能， 还能根据土壤温湿度值有效节 约水资源， 并能根据农作物特点进行灌溉， 有利于农作 物生长， 体现了智慧农业特点。该系统的控制要求如下。

　　( 1) 能够根据传感器检测到的土壤温湿度值， 判断 出农田里农作物的实时用水量， 传感器的值将传送到PLC 中， PLC 控制变频器来控制水泵电机的转速， 实现 变频恒压灌溉。灌溉系统可以按照三段速自动调节灌溉 水量， 实现智能化管理的功能。

　　( 2) 以 S7- 1500 西门子 PLC 为主要控制系统， 系统 的可视化人机界面选择博途配套的 TP700 西门子触摸屏， 并通过 MINT 仿真软件验证了系统真实性， 可操作性高， 能够完成对系统运行状态的实时监测。

　　( 3) 可以进行自动和手动模式的切换， 在手动模式 时， 按下启动按钮， 水泵高速运行， 按下停止水泵复位; 切换为自动模式时， 系统实时根据土壤含水率调节灌溉 水量， 当土壤含水率低于 60% 时水泵高速运行， 土壤含 水率高于 60% 低于 80% 时水泵中速运行， 土壤含水率高 于 80% 时水泵低速运行。

　　2 系统方案设计

　　2.1 总体设计

　　根据农田灌溉系统的功能要求， 图 1 为系统总体架 构图， 系统由 S7- 1500 西门子 PLC、土壤温湿度传感器、 TP700 触摸屏、水肥一体机系统等几部分构成。采集到 的温湿度值由土壤温湿度传感器传送至 PLC， PLC 将数 值实时传送到触摸屏， 触摸屏上显示土壤的温湿度信息， 和系统中设置值进行比较， 然后通过变频器控制水泵的 流量来调节灌溉农田的水量。

　　2.2 硬件设计

　　系统的硬件电路接线图如图 2 所示。在电路设计时， 将多个传感器分布至农作物田地中引出对应的导线连接 A/D 模块， A/D 模块引出端接入西门子 PLC 的扩展模块。 扩展模块将温度和湿度等模拟量信号转换为数字量信号， 随后将信号传送到变频器中， 系统主要由 G120 变频器控 制水泵电机来实现调节灌溉水量， 水泵电动机 M1 的启 动控制由接触器 KM1 实现。系统具有过载保护、短路保 护等保护功能。 PLC 的 Q0.0 信号控制变频器的启停， PLC 的扩展模块 EM235 实现变频器的频率控制， 该模拟 量信号能够检测出土壤的实时温湿度值， 变频器连接 PLC 的 M0 和 V0 。 PLC、扩展模块以及变频器的接线图 如图 3 所示。

　　2.2. 1 PLC 选型

　　根据灌溉系统的控制要求， 选择可扩展性强和兼具 高性价比的 PLC。经过对比， 选用西门子 TIA 博途软件 系统。博途是西门子公司推出的一款功能强大的工业自 动化软件， 集成了 SIMATIC S7-300/400/1200/1500 等多 款 PLC 、SIMATIC 系列的 HMI 面板、以及 SIMATIC 的 PC 和控制器等多种设备， 可以同步进行 PLC 编程和触摸屏 组态设计[11- 13]。选用含 S7- 1500 西门子 PLC 的系列博途 软件， 其 CPU 的型号为 1511- 1PN， 这类 PLC 比 S7-300 或 400 系列 PLC 信息处理速度更快、组态和编程更加高 效、 PROFINET 数据通信效率更高、以及维护的成本更 低 [5]。本系统中需要用到温湿度模拟信息， 增加了扩展 模块 EM235. PLC 的输出电流在 0.5 A 以内。

　　2.2.2 变频器选型

　　根据系统的控制要求， 并综合考虑容量、功能等技 术标准， 选择含有动态制动单元、通讯更加稳定、使用 更加灵活、维护更加容易、组态更为方便的西门子 G120 系列变频器， 在功能上完全能够满足要求[14]。

　　2.2.3 触摸屏选型

　　系统要求触摸屏能够实现农田灌溉系统智能化操作 控制显示功能， 需实现启动、停止、手/自切换等按钮操 作， 以及报警显示灯、水泵速度设定等功能。根据上述要求， 选用的触摸屏型号为西门子 TP700 触摸屏， 该触 摸屏可以实现系统的控制功能要求， 并且可以用在 PRO⁃ FINET 网络上， 与西门子 S7- 1500PLC 控制器无缝集成， 组态较为方便。

　　2.2.4 感应模块选型

　　感应模块主要由温度传感器、湿度传感器组成， 系 统需要将检测到的温湿度信号模拟量通过转换模块转换 成数字量输入到 PLC 中。因此选用温湿度一体的土壤传 感器 HTF3226LF。土壤传感器一般分为电容式、电阻 式、半导体式等类型， 选用电容式传感器， 它可以快速 检测土壤温湿度， 连接系统方便， 反应时间短， 为了增 加数值的准确性， 需要多测几个点取平均值。

　　2.3 软件设计

　　2.3.1 系统组态

　　在博途软件上对 PLC 的 CPU 模块、 G120 变频器模 块、 TP120 触摸屏模块进行 PROFINET 连接， 并使用博 途软件自动获取命令， 配置站点， 模块里增加西门子标 准报文 111-PZD， 从而完成了系统的组态， 如图 4 所示。

　　2.3.2 PLC 控制系统设计

　　( 1 ) PLC 的输入/输出配置

　　根据智能农田灌溉系统要求， 共有 5 个输入量和 6 个 输出， 其中频率设定为模拟量， 上电开始后， 可以通过 SA1 按钮实现手动模式或者自动模式。如表 1 所示。

　　( 2 ) PLC 控制程序

　　根据农田智能灌溉控制系统的功能要求及表 1 的输 入/输出地址分配情况， 该系统设有启动模块、自动和手 动两种控制模块， 以及模拟量与数字量转化模块、灌溉 水量中低速比较模块、复位模块、故障报警模块等。当选择手动模式时， 灌溉系统以工频进行灌溉; 当选择自 动模式时， 通过土壤温湿度传感器定时检测土壤的湿度， PLC 能够通过压力信号调整继电器的状态与变频器的工 作状态， 以此满足农田的用水量。如土壤湿度小于等于 设定值的 60% 时， 实现大水量灌溉; 如土壤湿度大于设 定值 60% 小于等于设定值 80%时， 实现中水量灌溉; 如 土壤湿度大于设定值的 80% 而未达到 100% 时， 变频器 调节水泵电机低速运行。根据系统的时间要求设计出系 统的 PLC 控制程序， 部分 PLC 控制程序如图 5 所示。

　　( 3) 程序流程

　　根据农田灌溉系统的工艺流程要求， 设计并绘制图 6 所示的系统PLC 程序流程图。系统上电后， 可以通过转换开关 SA1 选择手动或者自动模式。当选择手模式时， 灌溉系统以工频进行灌溉; 当选择自动模式时， 通过土壤温湿度传感器定时检测土壤的湿度， PLC 能够通过压力信号调整继电器的状态与变频器的工作状态，以此满足农田的用水量。如土壤湿度小于等于设定 值的60% 时， 此时用水量达到最大， 变频器调节水泵电机 高速运行， 实现大水量灌溉; 如土壤湿度大于设定值的 60% 且小于等于设定值的80% 时， 变频器调节水泵电机中 速运行， 实现中水量灌溉; 如土壤湿度大于设定值的 80% 而未达到 100% 时， 此时用水量最小， 变频器调节水泵电 机低速运行。当达到灌溉的时间后， 水泵电机自动停止， 至此完成了一次灌溉过程， 后续到达定时时间后， 再次 循环上述过程， 实现了根据土壤湿度来自动灌溉的过程。

　　2.3.3 触摸屏组态软件界面设计

　　触摸屏的软件界面如图 7 所示， 界面设置了启动、 停止、复位与手/自切换按钮， 监视界面显示土壤温湿度 传感器采集的土壤含水率数据， 还可以设置设定的土壤 含水率值。当设置为自动模式时， 温湿度传感器实时监 测土壤湿度， 当土壤湿度低于设定值的 60% 时水泵高速 运行， 大水量灌溉， 高速指示灯由绿色变为红色; 当土 壤含水率高于设定值 60% 低于 80% 时， 水泵中速运行， 中水量灌溉， 中速指示灯由绿色变为红色; 土壤含水率 高于设定值 80% 且没达到设定值时， 水泵低速运行， 小 水量灌溉， 低速指示灯由绿色变为红色。当设置为手动 模式时， 水泵以工频高速运行， 大水量灌溉， 高速指示 灯由绿色变为红色。本系统还设置报警功能，当系统异常 时报警灯为红色，并发出蜂鸣声，提醒工作人员检修。触 摸屏利用 DB9 端口和 PLC 以及温湿度传感器进行通讯。

　　3 仿真验证

　　本系统选用 MINT 智能制造教学实训仿真平台来验 证程序的正确性， 该仿真平台兼容了西门子与三菱两种 类型的 PLC。系统具有界面直观、功能全面等优点， 根 据本系统的控制要求， 该仿真软件能够满足系统的仿真 验证要求。根据系统控制要求， 需满足湿度低时增加灌 溉水量、湿度高时减少灌溉水量的要求， 仿真界面如图 8 所示。其中温湿度值的采集可以手动输入值验证程序的正确性， 输入编译好的算法控制程序后可以根据系统 具体的控制要求进行灌溉水量的随时改变。

　　4 结束语

　　本文设计的智能农田灌溉系统既可以提高农田的自 动化程度， 降低人为操作的失误率， 同时还可以减少人 力成本， 节约水资源， 使用变频系统更能够提高系统的 工作效益。本文结合现代的 PLC 逻辑控制技术、变频控 制水量、实时传感器检测温湿度、仿真验证等技术， 设 计出一套无人看守的， 能自动改变灌溉水量的智能农田 灌溉系统， 利用变频技术提高了水泵的效率， 解决了以 往漫灌需要大量人工且不满足农作物生长条件的难点， 提高了水资源的利用率， 能够有效解决干旱缺少人手地 区的节水问题， 具有一定的实际应用价值。

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