专利名称：基于可编程逻辑控制器的称重式蒸渗仪监控系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种科研设备运行数据监控系统，尤其涉及一种基于可编程逻辑控制器的称重式蒸渗仪监控系统，属于农田蒸散设备、传感器、通信等技术领域。
背景技术：
蒸渗仪是一种在限定三维边界条件下测定水体转化的装置，是测定农田蒸散的常用仪器以及灌溉试验站的必备设施。主要用来测定植物总蒸散量、渗漏速度、渗漏量以及土壤中含水量的变化等有关水量平衡系统中的各个分量。目前，蒸渗仪主要有非称重式蒸渗仪和称重式蒸渗仪等。非称重式蒸渗仪安装操作简单、造价低，但精度低、分辨率差。大型称重式蒸渗仪是地下水_ 土壤_植被_大气连续体(Soil-Plant-Atmosphere Continuum，简称SPAC系统)水分循环研究的重要试验装置， 也是当前公认的能直接测定蒸散的标准试验装置，例如中国科学院禹城试验站即采用了大型称重式蒸渗仪。称重式蒸渗仪主要由土体容器(钢筒)、称重系统、给排水系统、数据检测系统组成。称重系统采用了利用柔性支撑杠杆原理的位移测量方法，对于主体土体直径为2m、土体深度为5. 0m、称重系统承受重量32. 7-35. 99吨的蒸渗仪而言，可以使称重系统感量小于 60g，相当于能测定0. 02mm水深的变化量，具体为，在称重系统中，由两块方钢夹在钢丝绳中部与两块斜铁及平衡臂(相当于吊秤的秤杆)产生工作状态。当平衡臂水平时钢丝绳产生垂直错位(为基准零点)。当土体重量发生变化时(也即蒸降水量的变化)，平衡臂上下摆动形成摆角的变化，通过钢性连杆机构将摆角的变化转换为线位移，再利用高分辨率的位移传感器测出位移变化量进而获取土体重量的变化，从而实现精确测量的目的。为了模拟地下水的实际状态，蒸渗仪还包括供排水系统。供排水系统是由供水箱、排水箱、供排水管、调节供水箱升降的机电装置(包括电机、变速箱、钢绳、导轨)构成。每个水箱重量使用称重传感器测量，土体容器内地下水位的控制是由与之相连的供水箱的高程来实现。但是，目前的蒸渗仪均采用人工观测设备，通过显微镜每天读数2次获得数据。若增加观测密度，观测人员工作量非常大，错误和遗漏无法避免，并且受降雨和大风天气影响，高精度称重系统人工观测很难准确。为进一步提升蒸渗仪的应用水平，研究盐分、化肥和农药等在SPAC系统中迁移、转化规律及其对作物生长发育的影响，蒸渗仪已增加多种传感器，因此迫切需要将目前的人工观测改进为自动观测，减少观测人员的劳动强度和观测误差。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种基于可编程逻辑控制器的称重式蒸渗仪监控系统，以解决现有技术存在的人工观测数据工作量大、可靠性低的问题。为了实现本实用新型的目的，本实用新型提供的基于可编程逻辑控制器的称重式蒸渗仪监控系统包括用于采集称重式蒸渗仪运行数据的多个传感器，其中，还包括可编程逻辑控制器，与所述多个传感器连接，用于完成蒸渗仪运行数据的采集、传输、存储与输出； 触摸屏，与所述可编程逻辑控制器连接，用于数据显示和指令输入；监控中心，通过以太网与所述可编程逻辑控制器连接，用于实时或定时采集称重式蒸渗仪运行数据，并存储上述称重式蒸渗仪运行数据，以及根据需要进行远程操作。根据上述称重式蒸渗仪监控系统的一种优选实施方式，其中，还包括编码器，与所述可编程逻辑控制器连接，用于设在称重式蒸渗仪的供水箱钢丝上，以检测及输出供水箱的移动距离；电机控制继电器，与所述可编程逻辑控制器连接，用于通过所述可编程逻辑控制器的开关量输出控制电机操纵供水箱的移动；限位开关，与所述可编程逻辑控制器连接，用于设在供水箱的移动导轨上以对供水箱上下移动行程进行保护；所述可编程逻辑控制器还用于跟踪大田地下水位驱动电机调控供水箱沿导轨上下移动，使称重式蒸渗仪自动模拟地下水位变化。综上，本实用新型可以实现自动化数据采集、传输、存储、管理、统计和分析，不但大大降低了工作人员的劳动强度，而且可以提高数据观测的准确度，还便于增加检测蒸渗仪运行数据的传感器数量，以扩大蒸渗仪的应用领域。
图1为本实用新型优选实施例应用于蒸渗仪的结构示意图；图2为本实用新型优选实施例的原理框图。附图标记与部件的对应关系为土体容器1底座11电机 21变速箱22钢丝 23导轨 24供水箱31排水箱33供排水管32可编程逻辑控制器4数字量输出入模块42中央处理器模块43以太网模块44位移传感器401地下水位传感器402土壤含水率传感器403土壤温度传感器404土壤盐分传感器405给排水称重传感器406编码器407[0033]限位开关408电机控制继电器409以太网5监控中心6触摸屏具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型做进一步详细说明。图1和图2示意性的示出了本实用新型优选实施例的结构，如图所示，本优选实施例所应用的称重式蒸渗仪包括土体容器1、承载土体容器1的底座11以及供排水系统的供水箱31、排水箱33、供排水管32、调节供水箱31升降的机电装置，该机电装置包括电机21、 变速箱22、钢丝23、导轨24。本优选实施例包括多个用于采集称重式蒸渗仪运行数据的传感器、可编程逻辑控制器(PLC)4、触摸屏7、监控中心6和用于接入以太网5的网络设备(例如网桥、交换机等)。 多个传感器包括，但不限于，检测土体容器1移动距离的位移传感器401、检测地下水位的地下水位传感器402、检测土体含水的土壤含水率传感器403、检测土体温度的土壤温度传感器404、检测土体盐分的土壤盐分传感器405、检测土体供水量的给排水称重传感器406。 这些传感器均与可编程逻辑控制器4连接，且都紧紧围绕农田水分、能量迁移与转化机理这一目标，可以为农业节水和农田水分调控提供坚实的实验基础。为了便于调节供水箱31的高度，本优选实施例的机电装置还包括编码器407、限位开关408和电机控制继电器409 (图1未示出)。编码器407随吊缆钢丝23上下移动而旋转输出编码脉冲信号，并由与其连接的可编程逻辑控制器4采集并计算出供水箱31的移动距离。电机21及电机控制继电器409通过PLC开关量输出驱动电机21操纵供水箱31 的自由上下移动。限位开关408的设置起到对供水箱31上下移动行程的保护，可编程逻辑控制器4通过对限位开关408状态的采集，可关闭电机21的运转。可编程逻辑控制器4用于完成蒸渗仪农田蒸散数据及土壤水热参数采集、传输、 存储以及通过地下水位传感器402跟踪大田地下水位进而驱动电机21调控供水箱31沿导轨24上下移动，使称重式蒸渗仪自动模拟地下水位变化。该可编程逻辑控制器4进一步包括接收模拟量的模拟量输入模块41、与数字设备连接的数字量输出入模块42、中央处理器模块(CPU) 43、以太网模块44。本优选实施例采用可编程逻辑控制器4取代了通常的数据采集器，可以提高系统可靠性，增强系统的控制功能，不仅可以实现高分辨率模拟量数据采集，而且可以实现复杂的自动控制。应用时，可编程逻辑控制器4放置在蒸渗仪地下室，配合PLC测控软件及触摸屏7的软件，完成预设的功能。中央处理器模块43是可编程逻辑控制器4的核心，通过扩展总线与扩展模块连接，构成一个完整的PLC硬件系统。中央处理器模块43负责执行“读输入一程序执行一处理通讯请求一自诊断一写输出一读输入……，，的工作循环处理，同时控制扩展总线来完成对扩展模块的数据读取、数据输出。以太网模块44使得可编程逻辑控制器4作为一从站连接到局域网，实现监控中心6与可编程逻辑控制器4的通信。模拟量输入模块41完成现场模拟量的输入、采集与处理工作，其中，为达到高精度位移传感器401
5的采集要求，可以采用一 16位模拟量输入单元，其它给排水称重传感器406、土壤盐分传感器405、土壤温度传感器404、土壤含水率传感器403、地下水位传感器402均可用12位模拟量输入单元。可编程逻辑控制器4可以采用两种方式对供水箱31进行随动控制，其一为根据地下水位传感器402采集的大田地下水位数据，调控供水箱31沿竖直导轨24上下移动，使两者高度一致；其二为根据设定的蒸渗仪内水位参数，调控供水箱31沿竖直导轨24上下移
动，使两者高度一致。触摸屏7与可编程逻辑控制器4连接，用于时间显示与设置、采集参数显示、参数存储时间间隔设置、地下水位调控参数设置。在优选实施例中，可以采用嵌入式一体化触摸屏工控机，实现现场人机交互接口及参数存储。嵌入式工控机是一种可靠性、成本、体积、功耗等综合性能具有突出表现的专用计算机系统。监控中心6也即一计算机系统，其通过以太网5与可编程逻辑控制器4的以太网模块44连接，用于实时或定时采集诸如土柱重量变化、供水量、排水量、地下水位、土壤温度、土壤含水率等称重式蒸渗仪运行数据，并将上述数据分门别类存储在数据库里，以及据此绘制实时数据曲线、历史数据曲线等，并可随时调用；根据需要还可进行远程操作，如设定蒸渗仪内水位等参数。综上，本实用新型通过利用计算机技术、PLC技术、无线通信技术、高精度检测技术、数据库技术等多种技术手段，可以实现自动化数据采集与传输、数据存储、数据管理、统计处理功能，大大提高了数据观测效率和数据精度，明显降低了工作人员劳动强度。由技术常识可知，本实用新型可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本实用新型范围内或在等同于本实用新型的范围内的改变均被本实用新型包含。
权利要求1.一种基于可编程逻辑控制器的称重式蒸渗仪监控系统，包括用于采集称重式蒸渗仪运行数据的多个传感器，其特征在于，还包括可编程逻辑控制器，与所述多个传感器连接，用于完成蒸渗仪运行数据的采集、传输、 存储与输出；触摸屏，与所述可编程逻辑控制器连接，用于数据显示和指令输入；监控中心，通过以太网与所述可编程逻辑控制器连接，用于实时或定时采集称重式蒸渗仪运行数据，并存储上述称重式蒸渗仪运行数据，以及根据需要进行远程操作。
2.根据权利要求1所述的称重式蒸渗仪监控系统，其特征在于，还包括编码器，与所述可编程逻辑控制器连接，用于设在称重式蒸渗仪的供水箱钢丝上，以检测及输出供水箱的移动距离；电机控制继电器，与所述可编程逻辑控制器连接，用于通过所述可编程逻辑控制器的开关量输出控制电机操纵供水箱的移动；限位开关，与所述可编程逻辑控制器连接，用于设在供水箱的移动导轨上以对供水箱上下移动行程进行保护；所述可编程逻辑控制器则还用于跟踪大田地下水位驱动电机调控供水箱沿导轨上下移动，使称重式蒸渗仪自动模拟地下水位变化。
专利摘要本实用新型提供一种基于可编程逻辑控制器的称重式蒸渗仪监控系统，其包括用于采集称重式蒸渗仪运行数据的多个传感器，以及，可编程逻辑控制器，与所述多个传感器连接，用于完成蒸渗仪运行数据的采集、传输、存储与输出；触摸屏，与所述可编程逻辑控制器连接，用于数据显示和指令输入；监控中心，通过以太网与所述可编程逻辑控制器连接，用于实时或定时采集称重式蒸渗仪运行数据，并存储上述称重式蒸渗仪运行数据，以及根据需要进行远程操作。本实用新型可以实现自动化数据采集、传输、存储、管理、统计和分析，不但大大降低了工作人员的劳动强度，而且可以提高数据观测的准确度。
文档编号G01N5/04GK202257185SQ20112042551
公开日2012年5月30日 申请日期2011年11月1日 优先权日2011年11月1日
发明者娄金勇, 李汉侠, 欧阳竹 申请人:中国科学院地理科学与资源研究所