基于PLC的太阳能自动灌溉系统的制作方法

本实用新型涉及灌溉技术领域，具体涉及一种基于PLC的太阳能自动灌溉系统。

背景技术：

目前，我国农田灌溉大多使用水泵等设备进行排灌或者喷灌。在作物的温室栽培中，采用无控制的滴灌。在上述灌溉方法中，大都需要人工操作，或者通过定时的方法来控制开关水阀，可能会造成浇水不及时而导致作物干旱，又或者是浇水过多造成水资源的大量浪费。并且农业灌溉的水泵功率较大，需要提供电力能源，通常情况下，我国广大农村需要灌溉的地域距离农电网较远，需要搭建专线，或者采用柴油发电等方式，不仅麻烦且消耗大量的电力资源，又或者使用蓄电池进行动力传输，而蓄电池蓄电成本较高，且几年就需要更换一次。

我国有着丰富的太阳能资源，利用这些丰富的太阳能资源与有限的水资源相结合，开展节水灌溉，是我国经济、社会、生态可持续发展的一条有效途径。国内将光伏供电技术与节水灌溉技术相结合知识领域相对比较薄弱，我国的研究领域仍然停留在小范围、小规模的温室。与节水发达国家相比，缺乏配套的硬件设备以及先进的管理控制技术，灌溉技术也存在着多方面的问题。因此，要想促进我国农业发展，提高水资源的高利用率，实现农业自动化，就必须更进一步的研制出适合我国国情的智能化灌溉控制系统，以及合理的灌溉控制方法，以解决水资源及其能源问题。

技术实现要素：

本申请通过提供一种基于PLC的太阳能自动灌溉系统，以解决现有技术中灌溉系统智能化不高以及偏远地区灌溉所需供电的技术问题。

为解决上述技术问题，本申请采用以下技术方案予以实现：

一种基于PLC的太阳能自动灌溉系统，包括光伏供电模块、检测模块、PLC控制模块以及灌溉模块，其中，所述光伏供电模块包括太阳能电池板以及与所述太阳能电池板连接的蓄电池，所述光伏供电模块为所述PLC控制模块以及所述灌溉模块供电，所述检测模块包括土壤湿度传感器、水位传感器以及阀门开度传感器，所述检测模块与所述PLC控制模块连接，所述检测模块将所述土壤湿度传感器检测的土壤湿度信息、水位传感器检测的蓄水池的水位信息以及阀门开度传感器检测的电磁阀开度信息传输给所述PLC控制模块，所述灌溉模块包括依次连接的抽水泵、蓄水池以及绞盘式喷灌机，所述抽水泵与所述蓄水池之间设置有进水阀，所述蓄水池与所述绞盘式喷灌机之间设置有出水阀，所述水位传感器设置于所述蓄水池中，所述PLC控制模块的输出端连接所述灌溉模块，用以控制所述进水阀和/或所述出水阀的电磁阀开度，控制所述绞盘式喷灌机的移动和/或灌溉。

所述光伏供电模块在其闭路系统内部形成电路，通过太阳能电池板将接收到的太阳辐射能量直接转换成电能供给负载，并将多余能量经过充电控制器转换后以化学能的形式储存在蓄电池中。

进一步地，所述绞盘式喷灌机包括进水管、至少一个喷头、升降机构以及移动机构，所述进水管一端连接在所述出水阀上，另一端连接所述喷头，所述升降机构包括升降支架、升降电机以及安装喷头的放置台，通过所述升降电机的正反转控制所述升降支架的上升或者下降，从而调节喷灌的高度。

作为一种优选的技术方案，在升降机构的放置台中间两边各安装一个喷头，在喷头下方安装一个底盘用于固定喷头，喷头可以360度旋转，达到无死角喷灌。

进一步地，所述进水管为软管，所述绞盘式喷灌机还包括进水管自动回收装置，该自动回收装置包括卷盘、水涡轮、齿轮以及链条，所述进水管缠绕在所述卷盘上，在所述卷盘的助流位置装配有水涡轮，所述链条圈套在所述水涡轮与所述齿轮的外围，由电机控制所述齿轮转动，通过所述链条的传动，带动所述水涡轮实现所述进水管的收放，所述移动机构为四轮驱动小车。四轮驱动小车的前面两个轮子负责转向，后面两个轮子负责驱动，四轮驱动小车的电源可以直接由光伏供电模块1中的蓄电池提供。

作为一种优选的技术方案，所述PLC控制模块还可连接上位机组态王，实现远程控制。

作为一种优选的技术方案，所述PLC控制模块采用西门子S7-200系列，所述太阳能电池板采用SHP200W-1P电池板组件，采用雨鸟PGA系列的电磁阀，所述抽水泵采用SHP0.7/30-24型号的光伏水泵。

一种基于PLC的太阳能自动灌溉系统的灌溉方法，包括如下步骤：

S1：判断所述光伏供电模块是否在白天模式，如果是，则进入步骤S2,否则跳转至步骤S8；

S2：根据水位传感器检测的蓄水池的水位信息，判断蓄水池的水位是否低于最低水位，如果是，则进入步骤S3，否则，进入步骤S4；

S3：报警提示，并打开所述进水阀，由所述抽水泵抽取地下水送入所述蓄水池中，解除报警，随后跳转至步骤S2；

S4：根据所述水位传感器检测的所述蓄水池的水位信息，判断所述蓄水池的水位是否高于最高水位，如果是，则进入步骤S4，否则，进入步骤S5；

S5：报警，并使所述抽水泵停止抽水；

S6：根据所述土壤湿度传感器检测的土壤湿度信息，判断是否需要浇水，如果是，则进入步骤S7，否则，进入步骤S8；

S7：根据灌溉需求，利用模糊PID控制器来控制所述出水阀的电磁阀开度，由所述绞盘式喷灌机进行灌溉，进入步骤S6；

S8：关闭所述出水阀，收回所述进水管，停止灌溉。

进一步地，步骤S7中利用模糊PID控制器来控制所述出水阀的电磁阀开度具体操作为：将阀门开度传感器检测到的信号输入到模糊PID控制器中，首先经模糊PID器处理得到一个特定的模糊规则，将给定的灌溉量K与输出灌溉量L的系统误差e及误差变化率ec作为输入，将系统误差e模糊化得到语言变量E，将误差变化率ec模糊化得到语言变量EC，进行模糊推理形成模糊集合，语言变量E与EC的模糊集均为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，其论域均为{-3,-2,-1,0,1,2,3，}所述模糊集合将聚类形成单独的模糊集后，经逆模糊化处理输出控制量U，控制量U的模糊集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，其论域为{-3,-2,-1,0,1,2,3}，被控对象为电磁阀开度，找出比例参数kp、积分参数ki、微分参数kd与系统误差e及误差变化率ec之间的模糊关系，通过不断检测系统误差e及误差变化率ec，对比例参数kp、积分参数ki、微分参数kd进行在线修改，以达到最佳控制效果。

由模糊PID控制器来控制所述出水阀的电磁阀的开度，将所述阀门开度传感器的信号输入到模糊PIC控制器中，其中，模糊PID控制器的比例环节将自动灌溉系统给定的灌溉量K与输出灌溉量L的系统偏差e(t)实时成比例表现出来，对电磁阀进行控制，积分环节调节使得e(∞)＝0，微分环节将对系统偏差e(t)将要出现的走势进行变现，并在系统偏差e(t)变大之前，产生一个修正因子给被控对象，以提高系统响应速度，减少反应时间。

进一步地，根据所述PLC控制模块的系统时间来设定所述光伏供电模块分为白天模式和夜晚模式，在白天模式下，所述太阳能电池板自动工作，在夜晚模式下，所述太阳能电池板自动关闭，且所述光伏供电模块还设置有手动开关。

进一步地，所述基于PLC的太阳能自动灌溉系统可分为远程模式与现场模式，既可以通过上位机组态王对太阳能自动灌溉系统进行操作控制，又可以切换至现场模式，在现场直接控制所有的阀门和电机，以便于系统的调试、检修与维护。

与现有技术相比，本申请提供的技术方案，具有的技术效果或优点是：

1)利用PLC控制器来控制灌溉系统，且采用模糊PID控制器控制电磁阀的开度，能更精准地控制灌溉量，大大提高了灌溉系统的智能化，实现了智能节水灌溉。

2)在出水阀的末端连接绞盘式喷灌机，能够在喷灌过程中自走、自停、自我调节喷灌高度，不受地理环境限制，适应性强，可以完成不同环境的喷灌任务。

3)利用光伏供电模块为灌溉系统提供电能，既解决了在灌溉地区进行灌溉所需的能源问题，又具有很好的节能减排效应，且保护了生态环境。

附图说明

图1为本实用新型灌溉系统的结构框图；

图2为本实用新型灌溉系统的组成示意图；

图3为本实用新型绞盘式喷灌机结构示意图；

图4为本实用新型绞盘式喷灌机升降机构的结构示意图；

图5为本实用新型绞盘式喷灌机喷头结构示意图；

图6为本实用新型进水管自动回收装置结构示意图；

图7为本实用新型进水管自动回收装置传动机构结构示意图；

图8为本实用新型灌溉方法流程图；

图9为本实用新型模块PID控制器原理图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种基于PLC的太阳能自动灌溉系统及其灌溉方法，以解决现有技术中灌溉系统智能化不高以及偏远地区灌溉所需供电的技术问题。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。

实施例

一种基于PLC的太阳能自动灌溉系统，如图1所示，包括光伏供电模块1、检测模块2、PLC控制模块3以及灌溉模块4，其中，所述光伏供电模块1包括太阳能电池板以及与所述太阳能电池板连接的蓄电池，所述光伏供电模块1为所述PLC控制模块3以及所述灌溉模块4供电，所述检测模块2包括土壤湿度传感器、水位传感器以及阀门开度传感器，所述检测模块2与所述PLC控制模块3连接，所述检测模块2将所述土壤湿度传感器检测的土壤湿度信息、水位传感器检测的蓄水池的水位信息以及阀门开度传感器检测的电磁阀开度信息传输给所述PLC控制模块3，如图2所示，所述灌溉模块4包括依次连接的抽水泵4a、蓄水池4b以及绞盘式喷灌机4c，所述抽水泵4a与所述蓄水池4b之间设置有进水阀，所述蓄水池4b与所述绞盘式喷灌机4c之间设置有出水阀，所述水位传感器设置于所述蓄水池4b中，所述PLC控制模块3的输出端连接所述灌溉模块4，用以控制所述进水阀和/或所述出水阀的电磁阀开度，控制所述绞盘式喷灌机4c的移动和/或灌溉。

所述光伏供电模块1在其闭路系统内部形成电路，通过太阳能电池板将接收到的太阳辐射能量直接转换成电能供给负载，并将多余能量经过充电控制器转换后以化学能的形式储存在蓄电池中。

如图3所示，所述绞盘式喷灌机4c包括进水管401、至少一个喷头402、升降机构403以及移动机构404，所述进水管401一端连接在所述出水阀上，另一端连接所述喷头402，如图4所示，所述升降机构403包括升降支架403a、升降电机403b以及安装喷头的放置台403c，通过所述升降电机403b的正反转控制所述升降支架403a的上升或者下降，从而调节喷灌的高度，以适应不同环境的喷灌作业。

在升降机构403的放置台403c中间两边各安装一个喷头402，如图5所示，在喷头402下方安装一个底盘405，用于固定喷头402，喷头402可以360度旋转，达到无死角喷灌。

所述进水管401为软管，所述绞盘式喷灌机4c还包括进水管自动回收装置405，如图6、7所示，该自动回收装置405包括卷盘405a、水涡轮405b、齿轮405c以及链条405d，所述进水管401缠绕在所述卷盘405a上，在所述卷盘405a的助流位置装配有水涡轮405b，所述链条405d圈套在所述水涡轮405b与所述齿轮405c的外围，由电机控制所述齿轮405c转动，通过所述链条405d的传动，带动所述水涡轮405b实现所述进水管401的收放，所述移动机构404为四轮驱动小车。四轮驱动小车的前面两个轮子负责转向，后面两个轮子负责驱动，四轮驱动小车的电源可以直接由光伏供电模块1中的蓄电池提供。

作为一种优选的技术方案，所述PLC控制模块3还可连接上位机组态王，实现远程控制。所述基于PLC的太阳能自动灌溉系统可分为远程模式与现场模式，既可以通过上位机组态王对太阳能自动灌溉系统进行操作控制，又可以切换至现场模式，在现场直接控制所有的阀门和电机，以便于系统的调试、检修与维护。

根据所述PLC控制模块的系统时间来设定所述光伏供电模块分为白天模式和夜晚模式，在白天模式下，所述太阳能电池板自动工作，在夜晚模式下，所述太阳能电池板自动关闭，且所述光伏供电模块设置有手动开关。

在本实施例中，所述PLC控制模块3采用西门子S7-200系列，所述太阳能电池板采用SHP200W-1P电池板组件，采用雨鸟PGA系列的电磁阀，所述抽水泵4a采用SHP0.7/30-24型号的光伏水泵。

一种基于PLC的太阳能自动灌溉系统的灌溉方法，如图8所示，包括如下步骤：

S1：判断所述光伏供电模块是否在白天模式，如果是，则进入步骤S2,否则跳转至步骤S8；

S2：根据水位传感器检测的蓄水池的水位信息，判断蓄水池的水位是否低于最低水位，如果是，则进入步骤S3，否则，进入步骤S4；

S3：报警提示，并打开所述进水阀，由所述抽水泵抽取地下水送入所述蓄水池中，解除报警，随后跳转至步骤S2；

S4：根据所述水位传感器检测的所述蓄水池的水位信息，判断所述蓄水池的水位是否高于最高水位，如果是，则进入步骤S4，否则，进入步骤S5；

S5：报警，并使所述抽水泵停止抽水；

S6：根据所述土壤湿度传感器检测的土壤湿度信息，判断是否需要浇水，如果是，则进入步骤S7，否则，进入步骤S8；

S7：根据灌溉需求，利用模糊PID控制器来控制所述出水阀的电磁阀开度，由所述绞盘式喷灌机进行灌溉，进入步骤S6；

S8：关闭所述出水阀，收回所述进水管，停止灌溉。

如图9所示，步骤S7中利用模糊PID控制器来控制所述出水阀的电磁阀开度具体操作为：将阀门开度传感器检测到的信号输入到模糊PID控制器中，首先经模糊PID器处理得到一个特定的模糊规则，将给定的灌溉量K与输出灌溉量L的系统误差e及误差变化率ec作为输入，将系统误差e模糊化得到语言变量E，将误差变化率ec模糊化得到语言变量EC，进行模糊推理形成模糊集合，语言变量E与EC的模糊集均为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，其论域均为{-3,-2,-1,0,1,2,3}，所述模糊集合将聚类形成单独的模糊集后，经逆模糊化处理输出控制量U，控制量U的模糊集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，其论域为{-3,-2,-1,0,1,2,3}，被控对象为电磁阀开度，找出比例参数kp、积分参数ki、微分参数kd与系统误差e及误差变化率ec之间的模糊关系，通过不断检测系统误差e及误差变化率ec，对比例参数kp、积分参数ki、微分参数kd进行在线修改，以达到最佳控制效果。

(1)确定模糊控制规则

运用PID模糊控制器来控制灌溉量，需要考虑到许多变量因素，并不能精准的建立一个被控对象。因此，需要建立一个适合本系统的模糊规则，在自动灌溉系统中，给定的灌溉量K与输出灌溉量L的系统误差e及误差变化率ec作为输入。

(2)确定模糊变量的赋值表

根据对自动灌溉系统进行仿真的情况，将系统误差e及误差变化率ec经模糊化分别得到语言变量E和EC，它们的模糊集均为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，其论域均为{-3,-2,-1,0,1,2,3}；控制量U的模糊集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，其论域为{-3,-2,-1,0,1,2,3}，这三者的隶属函数均为三角型隶属函数。

(3)建立模糊控制规则表

自动灌溉系统给定灌溉量K与输出灌溉量L的系统误差e及误差变化率ec各有7个模糊子集，所测得的数据经过控制专家的经验和认知处理后得到49条控制规则，控制规则如下表1所示规则表。

表1 控制规则表

(4)去模糊化

最后一步，将模糊量转换成精确量，用输出量化因子乘以X以适应控制要求，从而得到控制量的实际值。

此外，对PID算法的三个参数kp、ki、kd做同样的模糊化处理，可表示如下：kp＝{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，ki＝{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，kd＝{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，其论域则都为{-3,-2,-1,0,1,2,3}。

建立模糊规则为：

表2 Kp模糊控制表

表3 Ki模糊控制表

表4 Kd的模糊控制表

在PID模糊控制系统设计中，模糊规则根据kp、ki、kd三个参数的模糊语言变量值进行设定，在PID控制及模糊控制器下进一步优化。从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑，kp、ki、kd的作用如下：

比例系数kp的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。因此，kp应该取值偏大，加快系统的响应速度，提高系统的调节精度，但注意不要超调，导致系统的不稳定。

积分系数ki的作用是消除系统的稳态误差。ki取值越大，系统的静态误差消除的越快，同样的，需要注意系统初期产生的积分饱和现象。

微分系数kd的作用是改善系统的动态特性，抑制偏差的大变化，对偏差变化提前预报，所以微分系数不易偏大。

本申请的上述实施例中，通过提供一种基于PLC的太阳能自动灌溉系统及其灌溉方法，包括光伏供电模块、检测模块、PLC控制模块以及灌溉模块，利用PLC控制模块来控制灌溉系统，且采用模糊PID控制器控制电磁阀的开度，能更精准地控制灌溉量，大大提高了灌溉系统的智能化，实现了智能节水灌溉。在出水阀的末端连接绞盘式喷灌机，能够在喷灌过程中自走、自停、自我调节喷灌高度，不受地理环境限制，适应性强，可以完成不同环境的喷灌任务。利用光伏供电模块为灌溉系统提供电能，既解决了在灌溉地区进行灌溉所需的能源问题，又具有很好的节能减排效应，且保护了生态环境。

应当指出的是，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。