智能控制系统在节水灌溉上的应用郑锐.docx

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智能控制系统在节水灌溉上的应用郑锐

智能控制系统在节水灌溉上的应用

一、设计背景

目前我国农业的灌溉方式还是采用人工监测和灌溉方式，由于人工土壤水份监测工作采用人工土钻取土，烘干称重的方式，取样比较困难，工作比较繁琐，测量结果人为因素影响较多，测量周期长，对土壤破坏较大。

采用自动设备监控土壤水份含量，控制灌溉，可提高测量的准确性和实时性，实施及时定量灌溉，既可以及时补充土壤水份，又能节约用水。

是一种即环保又节约的现代农业生产方式。

农田智能水灌溉系统是根据我国水资源贫乏及灌溉方式不合理的现状研发的一套节水灌溉系统。

该系统在灌区参数里设置各个灌区的作物后，通过调整水泵的供水量，管理设置每种作物最佳的水势范围，并且通过土壤含水量参数的采集，进而在软件界面上进行土壤含水量的实时监视。

该系统利用成熟的软件技术实现农田灌溉决策和灌溉用水量的精细、适时灌溉控制，应用于农田供水，达到自动控制、节能降耗的目的，不仅能提高水利资源的利用率,还能促进农业增产增收。

通过传感器实时监测土壤的指定深度水份含量、日照强度、空气温度，把数据传送到PLC，并根据设定的土壤水份阈值，结合日照强度和空气温度计算出合理的灌溉时间和灌溉水量，控制灌溉装置实施灌溉，并通过CDMA无线通信把数据传送到数据中心，数据中心也可以通过无线通信查询实时和历史数据，设置系统工作参数，实施人工控制。

智能化化灌溉系统不需要人直接参与，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量可以长时间地自动启闭水泵或阀门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（喷头、滴头等）、管道、管件及水泵、电机外，还有中央控制器、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。

为了科学管理,各个灌区的工作状态,运行参数均可实时地传输到智能节水灌溉监控中心,在智能节水灌溉监控中心可对各灌区实施信息查询和控制，在控制中心，只要点一下鼠标，就可以开启水泵或阀门。

二、系统结构

智能控制系统监控中心由工控型监控主机、视频计算机、不间断电源、打印机、千兆交换机、大屏显示器等共同组成，实现对灌区的集中控制、数据管理、统计报表及打印机功能等。

智能控制系统现地控制层由西门子PLC分别实现现地泵站、电磁阀基站等机械设备的现地控制，通过ZigBee协调器远程至分控中心。

视频监控系统由泵房摄像机、CDMA无线图像传输控制器以及视频计算机组成，传输方式采用图像无线远传方式。

整个系统的主要通信方式是建立在TCP/IP协议之上的。

分控中心通过有线宽带与Internet连接，泵房现场PLC模组通过CDMA无线模块与Internet连接，这样分控中心就与现场PLC模组实现TCP/IP通信了。

控制中心授权用户，只要通过Internet，就可以实现控制泵站和灌区的目的。

泵房现场PLC模组与电磁阀基站之间采用ZigBee通信方式，PLC模组与ZigBee协调器连接，电磁阀基站的ZigBee模块工作在路由模式或终端设备模式。

视频图像也通过CDMA与Internet连接实现无线网络传输。

系统结构图如下：

分控中心系统结构图

现地控制层结构图

压力表

远传水表

压力表

远传水表

灌区系统示意图

三、系统功能

3.1泵站现场控制功能

通过PLC模组参与控制，可一键启动实现水泵运行、泵房出口管道水压恒压控制、电磁阀轮流导通实现所辖区域轮灌、轮灌结束自动停泵的全功能控制；

可采集田间作物生长环境参数，并报告给上位机；

可选择参与轮灌的轮灌组；

可选择轮灌时间长度；

在出现水泵机组故障时能自动将备用泵切入到运行状态，同时向上位机报警；

即使在PLC模组出现故障的情况下，也能全手动地控制水泵运行和电磁阀启闭，不会影响农作物的灌溉；

能接收并执行分控中心或总控制中心的控制命令；

能采集2路摄像机图像，并传输给分控中心或总控中心；

能在出现非法入侵泵房现场时发出现场警报声，配合无线图像传输控制器可将此刻现场图像自动发送到控制中心，并通过GSM无线通信至少给3路指定的号码拨打报警电话。

3.2电磁阀基站功能

能接收上级泵站内PLC模组通过ZigBee协调器发出的控制和采集命令；

能控制1路电动阀的启闭；

能输入电动阀的全开全关状态信号；

能采集2路模拟量数据。

3.3分控中心功能

通过宽带网络，可以控制辖区内全部泵站及其轮灌组的启停和启闭运行；

可以采集辖区内全部泵站及其电磁阀的运行状态信息；

可以采集辖区内作物生长环境参数；

可以对辖区内泵站运行的故障进行报警提示；

可产生各种报表并归档打印。

可以收集各个泵房的动态视频图像并在视频处理软件中集中显示和储存；

通过Internet和有效授权，可以在任何地方访问和控制分控中心所辖泵站和灌区。

支持总控中心发布控制命令。

四系统方案设计

4.1分控中心控制系统

灌区的智能控制系统采用分层分布式系统结构：

（1）第一级（集中控制层）：

分控中心集中操作

在分控中心主控级实现对灌区设备的监视控制,有以下两种方式：

（a）智能自动控制：

分控中心主控级计算机按预先设定的水压、选择参与轮灌的轮灌组要求和其他限制条件，完成对灌区各泵站的及轮灌组的启停和启闭控制。

（b）操作人员控制台控制：

控制台是操作人员实现对分控中心设备控制的主要设备，在控制台上操作人员通过显示器、键盘、鼠标等设备进行操作，可实现全部过程自动执行方式或采用分步按顺序组执行的方式，即每一步或每一顺序组完成后需经操作人员确认，才能进行下一步或下一顺序组的操作。

（2）第二级（现地级）：

现地控制

在灌区运行初期或主控级出现故障及根据需要，操作人员可通过PLC控制柜上按钮等设备，实现对灌区设备的控制、调节。

在现地控制柜上进行现地控制时，单元控制器上的远方／现地开关应置于“现地”位置，此时主控级命令被闭锁，但不影响单元控制器上送信息。

人机接口功能强，操作方便，全汉化界面。

系统主要硬件设备采用国内外著名品牌产品。

4.1.1集中控制方式及功能

集中控制是指在集中控制室实现的集控联动运行（也称集控程序运行）。

在该控制方式下子站处于集控状态，操作人员在集中控制室操作，现地控制系统通过网络通讯传接受集控指令，并根据集控指令控制运行，现地操作控制无效（现地紧急控制除外）。

分控中心通过宽带网络，可以控制辖区内全部泵站及其轮灌组的启停和启闭运行；

在连续运行过程中，可根据运行需要，进行以下操作：

暂停：

临时停止相应的控制操作，不切断动力电源；

急停：

泵站控制发生意外或紧急情况需及时停止动力电源；

4.1.2现地控制方式及功能

现地控制是指运行人员在现地操作台上实现泵站、阀门的手动控制（通过PLC），现地操作人员可在现控操作台操作面板进行现地操作，控制泵站、阀门的启闭运行。

通过PLC模组参与控制，可一键启动实现水泵运行、泵房出口管道水压恒压控制、电磁阀轮流导通实现所辖区域轮灌、轮灌结束自动停泵的全功能控制；

可选择轮灌时间长度；

在出现水泵机组故障时能自动将备用泵切入到运行状态，同时向上位机报警；

即使在PLC模组出现故障的情况下，也能全手动地控制水泵运行和电磁阀启闭，不会影响农作物的灌溉；

在现地操作台控制面板上除设置正常启闭泵站、阀门运行的按钮外，还设有“急停”、紧急处理按钮。

以确保设备的运行安全。

4.1.3紧急操作方式及功能

为提高系统可靠性，除了集中、现地两个层次的控制方式外，还考虑紧急操作按钮，以实现紧急情况下对系统的操作。

支持总控中心发布控制命令。

4.2泵站现场控制方案设计

4.2.1泵站现场控制层结构

泵房现场控制系统主要由由现地控制柜、ZigBee协调器、CDMA通信模块、视频摄像机、无线图像传输控制器、GSM防盗报警器等组成。

泵站现场控制系统与分控中心采用无线通讯模式，现地控制层通过CDMA通讯模块与Internet连接进行数据交换，我方选用的CDMA通讯模块为水利行业广泛应用的宏电H7710CDMADTU，是基于CDMA数据通信网络的终端产品。

采用工业级端子排接口，产品设计符合工业级标准，内嵌PPP、TCP/IP、DDP等多种协议，可实现用户设备到数据中心远程透明数据通信。

精选工业级器件，满足恶劣应用环境需求；支持动态IP地址数据中心DNS域名寻址；支持固定IP地址数据中心；可进行点对点、中心对多点等数据传输；采用模块化设计，CPU和无线核心模块分离的设计方式，具有超强的扩展性；内嵌PPP、TCP/IP、UDP/IP标准协议，满足客户个性化需求；永远在线及多种触发上线模式；提供完整的数据中心服务程序，可实现数据透明转发；提供函数开发包，便于二次开发。

系统拓扑图如下

泵站现场控制系统与电磁阀基站采用ZigBee无线技术进行数据交换，电磁阀基站内嵌ZigBee模块。

我方选用顺舟科技SZ02系列ZIGBEE无线串口通信设备，采用了加强型的ZIGBEE无线技术，符合工业标准应用的无线数据通信设备，它具有通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活等优点和特性；可实现多设备间的数据透明传输；可组MESH型的网状网络结构。

性能特点

通信距离较远：

最大视距传输距离2000米；

抗干扰能力强：

2.4GDSSS扩频技术；

串口应用灵活：

透明方式或指令格式传输，最高波特率115200；

节点类型灵活：

中心节点、路由节点、终端节点可任意设置；

组网能力较强：

星型网、树型网、链型网、网状网；

网络容量较大：

16信道可选，65535个网络ID可任意设置。

系统拓扑图如下

4.2.2泵站现场控制层实现功能

通过PLC模组参与控制，可一键启动实现水泵运行、泵房出口管道水压恒压控制、电磁阀轮流导通实现所辖区域轮灌、轮灌结束自动停泵的全功能控制；

可采集田间作物生长环境参数，并报告给上位机；

可选择参与轮灌的轮灌组；

可选择轮灌时间长度；

在出现水泵机组故障时能自动将备用泵切入到运行状态，同时向上位机报警；

即使在PLC模组出现故障的情况下，也能全手动地控制水泵运行和电磁阀启闭，不会影响农作物的灌溉；

能接收并执行分控中心或总控制中心的控制命令；

能采集2路摄像机图像，并传输给分控中心或总控中心；

能在出现非法入侵泵房现场时发出现场警报声，配合无线图像传输控制器可将此刻现场图像自动发送到控制中心，并通过GSM无线通信至少给3路指定的号码拨打报警电话。

4.2.3PLC配置设计

1、智能控制系统现地控制层PLC开关量输入统计（仅供参考，根据实际调整）

序号

信号内容

说明

现地控制层PLC开关量输入点数

备注

1

市电有无

1

电源信号

2

手动/自动

1

　按钮输入　

3

变频器状态

1

　运行状态

4

水泵启动

1

　分合状态

5

水泵停止

1

　分合状态

6

1#轮灌区选择

1

　选择信号

7

2#轮灌区选择

1

　选择信号

8

3#轮灌区选择

1

　选择信号

9

4#轮灌区选择

1

选择信号

10

5#轮灌区选择

1

　选择信号

11

6#轮灌区选择

1

　选择信号

12

7#轮灌区选择

1

　选择信号

13

8#轮灌区选择

1

　选择信号

14

9#轮灌区选择

1

选择信号

15

10#轮灌区选择

1

选择信号

16

接触器状态KM

1

分合状态

17

接触器状态KM1

1

分合状态

18

接触器状态KM2

1

分合状态

19

时间选择T-1-2-3

1

选择信号

20

急停

1

按钮输入

21

故障报警

1

报警信号

2、智能控制系统现地控制层PLC开关量输出统计（仅供参考，根据实际调整）

序号

信号内容

说明

现地控制层PLC开关量输出点数

备注

1

TCU

1

　TCU

3

电机运行/停止

1

　电机运行/停止

4

动力合闸

1

　动力合闸

5

动力分闸

1

动力分闸

6

HL1

1

信号灯分合

7

HL2

1

信号灯分合

8

HL3

1

信号灯分合

9

HL4

1

信号灯分合

10

HL5

1

信号灯分合

11

HL6

1

信号灯分合

12

HL7

1

信号灯分合

13

HL8

1

信号灯分合

14

HL9

1

信号灯分合

15

HL10

1

信号灯分合

16

K7

1

中继备用

17

K8

1

中继备用

18

K9

1

中继备用

3、智能控制系统现地控制层PLC模拟量输入、输出统计（仅供参考，根据实际调整）

序号

信号内容

说明

现地控制层PLC模拟量输入/出点数

　备注

1

压力传感器

4~20mA

1

模拟量输入

2

水位传感器

4~20mA

1

　模拟量输入

3

空气温湿度变送器

4~20mA

1

　模拟量输入

4

土壤导电率传感器

4~20mA

1

　模拟量输入

5

土壤温度传感器

4~20mA

1

　模拟量输入

6

土壤光照度传感器

4~20mA

1

模拟量输入

7

信号至变频器

4~20mA

1

模拟量输出

4.3恒压变频供水控制系统

4.3.1恒压供水系统概况

供水系统采用国际上广泛应用的交流电动机变频调速新技术，不需要水塔、高位水箱等设施，且能自动按照系统用水量和设定的压力调节其供水量，除能保持系统供水压力恒定之外，还可以达到最理想的节能效果。

所选用的变频调速装置，是用大功率晶体管逆变器和微机矢量控制系统，输出电压为正弦波。

在变频范围、动态响应、调速精度、工作效率、功率因数以及可靠性方面，优于其它任何一种交流调速方式，它具有瞬间停电保护、瞬时过电流保护、欠电压保护、过电压保护、过负载保护、过热保护等多种保护功能，故安全可靠。

4.3.2恒压供水系统特点

技术先进：

采用先进的矢量型变频器、完善可靠的可编程控制器（PLC），对水泵机组进行控制，实现恒压变量供水、智能化供水；

自动化高：

采用数字控制、水泵循环软启动，操作方便。

模块式设计、标准化接口适应各种供水方式；

高效节能：

设备自动根据水压的变化调节水泵的供水量，达到节能的目的。

功能齐全：

设备具有手动、自动、远距离操纵方式，定期自动巡检和手动检测功能，可手动/自动设定工作水压，系统压力显示，变频器、电机工况及故障指示；

保护完善：

设备具有完善的电气安全保护及故障自诊断、处理功能、断水及液位低停机和水泵故障自动跨越功能，如过流、过压、欠压、过载等；

对单台水泵实现系统不停机维护，方便调试和维修。

4.3.3恒压供水系统图

4.3.4恒压供水系统原理

系统由可编程控制器，变频器和电动机组成，采用可编程序控制器（PLC）控制变频调速器，具有控制水泵恒压供水的功能。

通过安装在管网上的压力传感器，把水压转换成4～20mA的模拟信号，通过变频器内置的PID控制器，来改变电动水泵转速。

当用户用水量增大，管网压力低于设定压力时，变频调速的输出频率将增大，水泵转速提高，供水量加大，当达到设定压力时，电动水泵的转速不在变化，使管网压力恒定在设定压力上；反之已然。

这样通过闭环PID控制就达到恒压供水的目的。

当电机出现故障（即：

过压、过流、过载、电机过热保护）后，系统会自动停止运行，当系统恢复后，再重新按操作步骤进行操作。

4.4电磁阀基站系统

4.4.1电磁阀基站功能概述

电磁阀基站能够能接收上级泵站内PLC模组通过ZigBee协调器发出的控制和采集命令；能控制1路电动阀的启闭；能输入电动阀的全开全关状态信号；能采集2路传感器模拟量数据。

4.4.2电磁阀基站产品选型

我方选用PK-ZV306型电磁阀基站，电磁阀基站内置嵌入式ZigBee模块，具有两路模拟量数据采集、两路开关量输入、两路开关量输出能力。

在电磁阀控制中将使用2路开关量输出通道，用于控制电动蝶阀的打开和关闭。

电动蝶阀的全开和全关状态需要占用基站的2路开关量输入通道。

基站中的模拟量输入功能用于就近采集土壤参数或空气环境参数。

在本项目应用中，对于某个泵站所灌溉的区块，要使用4～8个的电磁阀基站，可以将其中大部分基站的模拟量输入通道用于采集土壤含水量，其余部分用于采集土壤电导率、土壤温度、空气温湿度、光照强度等。

PK-ZV306型电磁阀基站接线图

4.4.3ZigBee技术

我方在基站与现地控制层之间的信号交换采用应用成熟的ZigBee无线传输技术。

ZigBee的网络拓扑结构有3种:

星形网络、树形网络、混合网络，如图所示：

我方智能控制系统选用的ZigBee的网络拓扑结构为星型结构，星形网络是一个辐射状系统,数据和网络命令都通过中心节点传输。

如果用通信模块构造星形网络,只需要一个模块被配置成中心节点,其他模块可以配置成终端节点。

在ZigBee的网络中,支持全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD）两种类型的物理设备。

此外,ZigBee网络按照节点类型来分,支持3种节点:

主节点、路由节点以及终端节点。

主节点就是协调器,必须由一个FFD构成,它是网络的核心,负责建立一个网络并下发地址。

路由节点也是一个FFD,搜索网络并加入,给加入路由的终端节点分配地址。

路由节点仅是网络中的一个无线收发器,负责转发通信和维护网内路径。

终端节点是网络中最简单的节点,可以是一个FFD或者RFD。

基于ZigBee技术的无线信号传输系统由ZigBee无线通信模块、现场传感器和下位PLC，电磁阀等构成。

下位PLC主要负责测量数据的分析、命令的发送。

ZigBee通信模块分为主机模块和从机模块,网络拓扑采用星型网络,即一个网络协调器和若干个从机终端模块。

与PLC相连的模块作为网络协调器,它的主要任务有两个:

①负责组织无线网络,即自动搜寻网络中的终端节点;②从终端机节点取得PLC所需要的数据,实现终端节点与下位PLC之间的通信。

ZigBee终端模块与传感器相连,一个终端节点模块可以根据需要连接多个传感器的探头。

系统拓扑图如下：

五、总结

目前,在我国智能系统应用范围非常广泛,但在农业领域中的应用还是不足。

现阶段,我国大部分地区仍采用传统农业,停留在使用孤立的、没有通信能力的机械设备,主要依靠人力监测作物的生长状况水平上,从而也限制了我国精准农业的发展。

而PLC、传感器和Zigbee网络技术的应用,解决了这一难题,传统农业将可以逐渐地转向以信息和软件为中心的生产模式,使用更多的自动化、网络化、智能化和远程控制等设备及方法应用到农业生产中。

传感器收集包括土壤温湿度、微量元素含量、pH值、降水量、空气湿度和气压、病菌发生动态、作物长势等环境和作物信息资源,经由Zigbee网络传送到PLC设备,通过CDMA无限传输技术将数据传送到控制中心，使农业专家可以根据采集信息的地理位置与所得信息资源进行汇总,及时、准确地发现问题,解决问题,指导农民生产,从而有助于保持并提高农作物的产量和质量。

随着科学技术的发展和人们对资源环境利用率的提高，农田节水灌溉的自动化、智能化控制必将成为农业发展的重要内容之一，而基于Zigbee技术的智能控制系统，以其低成本，低功耗等特点为智能无线农田控制系统的实现提供了有利的支持和理想的解决方案。

相信在不久的将来，自动控制系统技术会在农业领域得到广泛的应用，推动农业现代化的发展进程。