一种节水灌溉控制系统的制作方法

本实用新型属于自动灌溉技术领域，具体涉及一种节水灌溉控制系统。

背景技术：

我国水资源短缺，利用率低，水浪费严重，供需矛盾突出，严重制约我国社会经济的发展。解决水资源短缺问题最根本的出路在节水，建设节水型社会是新农村建设发展节水的根本途径。我国水资源总量并不算少，但是人均水资源量仅是世界平均数的26％，而灌溉用水量偏多是多年存在的一个突出问题。因此要节约用水，合理灌溉，发展节水农业。要做到这些，深入了解作物蓄水规律，掌握合理灌溉的时期、指标和方法，实行科学供水是非常重要的。

节水灌溉的基本原则就是用少量的水取得最大的效果，而合理的灌溉是农作物正常生长发育并获得高产的重要保证，可取得良好的生理效应和生态效应，增产效果显著。国外一些喷灌系统设备结构复杂、成本较高，其安装和维护过程都很复杂，不适合在我国使用。随着水资源的日趋紧张及信息技术的发展，开发具有自主知识产权的节水灌溉控制系统不仅具有广阔的市场前景，而且具有巨大的社会效益。如何设计一种提高操作准确性、能够定时、定量、高效地给作物自动补充水分的自动灌溉系统成为本领域技术人员研究的课题。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种节水灌溉控制系统，定时、定量、高效地给作物自动补充水分。

本实用新型采用以下技术方案：

一种节水灌溉控制系统，包括PLC控制器、光伏供电模块、采样模块、土壤监测模块和光伏水泵，其中，所述光伏供电模块包括太阳能板，所述太阳能板通过太阳能转换控制模块和蓄电池连接，为所述PLC控制器以及所述光伏水泵供电，所述采样模块和土壤监测模块与所述PLC控制器连接，用于将各块试验田的水温、液位、土壤饱和水量以及土壤养分含量等信息传输给所述PLC控制器，所述PLC控制器的输出端通过变频器连接所述光伏水泵，用以控制所述光伏水泵进行恒压灌溉。

进一步的，所述采样模块包括温度传感器、流量计和液位计，所述温度传感器、流量计和液位计分别通过数据采集模块和A/D模块与所述PLC控制器连接。

进一步的，所述采样模块还包括设置在灌溉管道上的压力传感器，所述压力传感器通过数据采集模块和A/D模块与所述PLC控制器连接，用于将实际的水压值传输给所述PLC控制器并通过变频器调节所述光伏水泵的速度。

进一步的，所述土壤监测模块为土壤饱和含水监测器，土壤饱和含水监测器通过数据采集模块和A/D模块与所述PLC控制器连接，用于测出土壤养分含量并将数据上传给PLC控制器。

进一步的，所述变频器还连接有自动施肥模块，用于按照设定的营养液浓度EC值和pH值来进行恒量定比滴灌施肥。

进一步的，所述自动施肥模块包括注肥泵和注酸泵，所述电磁阀与所述注肥泵和注酸泵连接，所述注肥泵和注酸泵经过过滤器与所述光伏水泵连接，用于自动灌溉施肥。

进一步的，所述过滤器上设置有EC/pH测量仪用于测量肥料的EC值和pH值，所述EC/pH测量仪通过A/D模块与所述PLC控制器连接，用于控制肥液和酸液的输入。

进一步的，所述PLC控制器通过无线数传模块连接上位机用于远程监控。

进一步的，所述PLC控制器上还设置有人机界面，用于现场操控。

进一步的，所述PLC控制器采用西门子S7-200系列，所述太阳能电池板采用SHP200W-1P电池板组件，所述光伏水泵为SHP0.7/30-24型，所述变频器采用西门子MM3117。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：

本实用新型利用PLC控制器来控制灌溉系统，通过采样模块和土壤监测模块将各块试验田的水温、液位、土壤饱和水量以及土壤养分含量等信息传输给所述PLC控制器，通过变频器连接所述光伏水泵，用以控制所述光伏水泵进行恒压灌溉，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，提高系统响应速度，减少反应时间，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。

进一步的，本系统还连接自动化施肥控制系统，以滴灌形式来进行全自动恒量滴灌施肥，要求根据用户设定的营养液浓度EC值和pH值，满足农作物不同生长阶段所需的水及肥，适时调整水肥比例、供给量及供给时间，以达到优质高产的目的。

进一步的，可分为远程模式与现场模式，既可以通过上位机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。

综上所述，本实用新型利用PLC控制器通过控制灌溉变频器，并采用低压管道输水灌溉技术，灌水时仅需较低的压力，通过管道系统，将水直接输送田间沟畦灌溉农田，省水、省人工时、省地，通过管道输送水，避免渗透地下，自然蒸发等损耗。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

【附图说明】

图1为本实用新型系统示意图；

图2为本实用新型灌溉系统控制原理图。

【具体实施方式】

本实用新型中PLC作为整个控制系统的底层单元，对整个控制系统的数据采集和处理具有重要作用，它完成水温、液位、土壤饱和水量以及土壤养分含量等信息的采集，将所采集到的数据经过A/D转换模块进行转换，将所转换的数据利用PLC控制器的模糊控制技术进行处理，将输出信号给变频器，以实现自动恒压灌溉的目的。同时上位机模块实时监控PLC控制器的内部数据。

请参阅图1所示，本实用新型公开了一种节水灌溉控制系统，包括PLC控制器、光伏供电模块、采样模块、土壤监测模块和光伏水泵，其中，所述光伏供电模块包括太阳能板，所述太阳能板通过太阳能转换控制模块和蓄电池连接，为所述PLC控制器以及所述光伏水泵供电，所述采样模块和土壤监测模块与所述PLC控制器连接，用于将各块试验田的水温、液位、土壤饱和水量以及土壤养分含量等信息传输给所述PLC控制器，所述PLC控制器的输出端通过变频器连接所述光伏水泵，用以控制所述光伏水泵进行灌溉。

其中，所述采样模块包括温度传感器、流量计和液位计，所述温度传感器、流量计和液位计分别通过数据采集模块和A/D模块与所述PLC控制器连接。所述采样模块还包括设置在灌溉管道上的压力传感器，所述压力传感器通过数据采集模块和A/D模块与所述PLC控制器连接，用于将实际的水压值传输给所述PLC控制器并通过变频器调节所述光伏水泵的速度。所述土壤监测模块为土壤饱和含水监测器，土壤饱和含水监测器通过数据采集模块和A/D模块与所述PLC控制器连接，用于测出土壤养分含量并将数据上传给PLC控制器。

请参阅图2所示，系统的控制原理是，通过PLC控制器的PID环节，对水压进行恒定控制从而实现恒压灌溉，恒压的控制就是使得实际水压永远跟随设定的水压。控制过程是：在系统中设定一个水压值，系统通过压力传感器和压力变送器将实际的水压值传输到PLC中，PLC会对实际值和设定值进行比较，当实际值小于设定值是，PLC会通过PID控制环节，对变频器的频率进行控制，提高变频器的输出频率，增加水泵的转速，从而提高实际水压。当实际水压提高到一定值是，压力传感器又将实际水压值传入PLC，PLC会在对实际水压和设定水压进行比较，当实际水压大于设定水压时，PLC就会控制变频器降低输出频率，从而实现对水泵的降速控制，使得实际水压始终跟随设定水压。

系统只用PLC中的PID模块实时控制系统进行恒压灌溉，通过变频器控制电机的变频运行，同时在压力不够的情况下还要加入其它电机进行工频运行，从而实现管网中的压力与管理员设定的压力相等，最后系统还要能够对灌溉实时数据进行传输和监控。

把PLC和变频器用串口线相连接，然后用RS485将PLC与PC机相连接，在PC机中应用组态软甲设计出一套人机交互界面，对系统的数据和故障进行实时监控和管理，通过压力传感器和压力变送器将管道中的水压进行采样，传输到PLC中与设定值进行比较，从而实现系统的恒压灌溉。这种系统的控制方式十分灵活，同时扩展模块很多，编程简单、维护方便，并且系统对负载的容量没有限制，适用于不同的场合。

压力传感器是将管道中的压力信号变成模拟量信号，然后通过压力变送器将该模拟量信号传送到PLC的模拟量模块EM235，EM235把采样的模拟信号转换为数字信号输入到PLC中。通过PLC中的PID模块对水压进行控制，实现恒压灌溉。同时压力值可以作为一个报警量输入到PLC中，压力传感器和压力变送器均为普通的类型，压力测量范围是0到1MP，传感器的精度为1.5，压力信号是PID控制过程中的负反馈型号，在系统中一般要设定一个上限压力和一个下限压力。

所述变频器还连接有自动施肥模块，用于按照设定的营养液浓度EC值和pH值来进行恒量定比滴灌施肥。所述自动施肥模块包括注肥泵和注酸泵，所述电磁阀与所述注肥泵和注酸泵连接，所述注肥泵和注酸泵经过过滤器与所述光伏水泵连接，用于自动灌溉施肥。所述过滤器上设置有EC/pH测量仪用于测量肥料的EC值和pH值，所述EC/pH测量仪通过A/D模块与所述PLC控制器连接，用于控制肥液和酸液的输入。

自动化施肥装置具体需要满足的主要功能如下：

(1)设定功能：EC值、pH值、施肥时间、开始灌溉的时间、灌溉的时间间隔时间设定；

(2)定时控制：加酸、肥液的送液、停液进行定时控制；

(3)测试功能：实现实时检测EC值、pH值，以及水流量、肥流量；

(4)在线调控：实时调控EC值、pH值，提供作物适宜的营养液；

(5)手动控制：可以手动实现独立灌溉施肥；

(6)显示功能：实时显示当前测得的EC值、pH值，可以查询开始灌溉的时间、灌溉的时间间隔、当前系统时间和已灌溉时间。

本控制系统要求根据用户设定的营养液浓度EC值和pH值来进行恒量定比滴灌施肥，以满足农作物不同生长阶段适时调整水肥比例、供给量及供给时间，以达到优质高产的目的。注肥比例是由肥液、酸(或碱)液以及灌溉水按照设定值进行在线闭环调控实现的，EC值和pH值作为反馈信号控制注肥泵和注酸泵的运转速度来控制肥液和酸液的输入。系统的控制参数是EC值和pH值，精度要求EC值为±0.15mS/cm，pH值为±0.15pH，稳定时间3分钟以内，系统超调小于15％。自动灌溉施肥能够做到自动灌溉同步，能以分钟为单位实现按时灌溉施肥，控制参数为时间，控制精度为10秒。

混合好的营养液通过EC、pH传感器测量放大后经变送器输出4～20mA的电流信号给AD电路转换为数字信号，PLC控制器将其与设定值SV相比较，PLC控制器根据偏差值e经过处理运算后将控制信号经由DA模块转换为4～20mA信号，传递给变频调速器，由变频器控制交流电动机的转速n，从而实现营养液EC值和pH值恒定控制。

优选的，所述PLC控制器采用西门子S7-200系列，所述太阳能电池板采用SHP200W-1P电池板组件，所述光伏水泵为SHP0.7/30-24型，所述变频器采用西门子MM3117。

变频器选型采用西门子MM3117型号变频器，西门子MM3117变频器一款高性能的通用变频器。它有一个模拟量输入端，五个数字量输入端，同时具备一个模拟量输出和多个继电器输出端口，通信接口采用RS485与上位机相连接。具有十分强大的过载能力，当电流过载1.4倍时，可以持续3s；当过载能力为140％额定负载电流时，持续时间为3秒，当过载电流为1.1倍时，持续时间为60秒；同时变频器还具有过热、过压、欠压等保护功能。

所述PLC控制器通过无线数传模块连接上位机用于远程监控。PLC控制器上还设置有人机界面，用于现场操控。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。

以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。