0 引言
溫室大棚環境中的土壤濕度和營養程度主要靠灌溉來控制，科學的灌溉與合理調節棚內土壤濕度是保證大棚農作物優質高產的重要措施。由于不同品種的作物需水規律不一致，采用不同大棚來種植的同種作物需水情況也不盡相同，一天中何時灌水與作物的習性和生長周期有關系，還與氣候和土壤條件的不同有關系，因此需要對作物進行按需灌溉。
灌溉發展至今，傳統的粗放型無控供水已經逐漸被淘汰，各種自動控制的供水裝置和節水灌溉系統不斷推出，但對作物灌溉時段的時長能夠進行自由設置、灌溉的間歇周期能夠自由設定的控制器使用還并不多見，能滿足這種要求的控制器大多由國外引進，設備功能眾多、價格昂貴；而國內一些灌溉控制器則功能單一，灌溉時段和灌水量都比較固定，不能按照作物品種、氣候條件和土壤狀況隨意設置。這樣勢必導致作物缺水或灌水過多，影響作物的生長。
因此，有必要設計開發出能自由設定灌溉時段和灌溉間歇周期的控制器，同時還要成本低、操作方便、簡單實用，以適應農民較粗放的操作方式和較低的消費水平。
1 自動灌
系統采用程序控制器實現噴灌過程的智能化。程序控制器主要由Delta公司的觸摸屏和PLC組成，所有的操作都通過觸摸屏進行，操作直觀方便、工作穩定可靠，設備可按照作物不同需求和不同生長環境任意設定周期，由控制器控制液壓泵按照設定時間周期自動運行，均勻微量地噴灑到需要灌溉的地方，從而大大減少人力物力，實現農作物生長無人值守。
系統構成原理框圖，如圖1所示。
圖1 自動灌溉系統整體構成框圖
2 控制系統硬件設計
系統硬件線路圖，如圖2所示。
圖2 系統硬件線路圖
由于自動噴灌系統被控對象不多，所以控制器硬件線路較為簡單，觸摸屏的使用更是減少了PLC輸入點的占用，也大大簡化了硬件線路。
整個系統IO點只占用了5個，2個輸入點、3個輸出點，因此選用Delta DVPl4Es00R2型PLC，該PLc共有14個IO點容量，輸入8點、輸出6點，為繼電器輸出型。為了節約成本，本系統觸摸屏采用Delta公司最小的DOP-AS38BSTD，3.8英寸，8色灰度藍白液晶屏。
PLC本身提供了一路電流容量為400mA的24V直流電源，省去了外置24V開關電源。該電源除供給觸摸屏使用外，還用來控制2個繼電器線圈、4個指示燈和PLC的輸入回路。
M1和M2為兩個240w的單相交流液壓泵電機，分別用來噴灑水和營養液，兩電機的起停分別由繼電器KA1和KA2控制；QF1，QF2是控制M1，M2的空氣開關，對液壓泵的運行起過熱和過流保護作用，QF3則是PLC的供電空氣開關；SQl和SQ2是兩個液位開關，用來提供水和營養液的液位檢測信號，若液位低于警戒線，則停泵并報警指示，防止液壓泵空運轉。Lamp1～4是4個狀態指示燈，分別是電源指示、泵1泵2工作指示和液位報警指示。
PLC與觸摸屏之間的通信采用RS485聯接，將觸摸屏COM端口的R+，T+短接為D+接至PLC的485+；R-，T-短接為D-接至PLC的485-。
系統采用30個噴頭，每個噴頭噴霧量以60mL/min計，則設計流量約1.8L/min，安全系數取1.2，則液壓泵計算規格為：流量2．16L/min；額定壓力0.4～0.67MPa(即60-100psi)，最高壓力1MPa(即150psi)。本系統選擇的是上海立肯機械工程有限公司代理的意大利福力德(nuid—o—Tech)扣環式高壓葉片泵。
3 控制系統軟件設計
系統軟件由兩部分組成：一部分是PLC梯形圖程序，這部分程序在PLC中按照掃描周期不斷循環運行，主要用來接收和處理用戶設置的系統參數，并按照參數完成對輸出點的控制；另一部分是觸摸屏軟件，主要是控制操作界面的切換和參數的輸入，同時還執行部分宏程序，分擔PLC的部分邏輯控制功能。
3.1 軟件開發環境
PLC梯形圖程序在Delta DVP-PLC的編程軟件工具WPLSoft-2.08中開發，該軟件除了一般PLC程序的規劃及wINDOWS的一般編輯功能(如剪切、粘貼、復制、多窗口等)外，另提供多種中/英文批注編輯及其它便利功能(如寄存器編輯、設定、文件讀取及各接點圖標監測與設定等)。觸摸屏程序在screen Editor 1.05.78中開發，該軟件主要用來編輯畫面和觸摸屏宏程序，支持任意字體的面面編輯，利用宏功能可以有效地幫助PLC處理復雜的運算及分擔PLC控制器的工作量。用戶還可可以使用該軟件配合通訊宏指令自行編寫通信協議，并通過串行口與不同廠家的特定系統或控制器連接。
3.2 功能設計
灌溉系統有手動和自動兩種控制方式，手動運行時可手動開停噴灌液壓泵；自動運行時。可以選擇7個不同的工作程序。每個程序可以根據不同的作物生長需要每日任意設置8個工作時間段，如8：23-1O：35，15：10-16：20，還可以任意設置工作時間段內的泵開停周期，如開2min，停15min，參數設好后，液壓泵可按設定參數全天候自動運行。另外，系統還設有液位檢測開關，當水或營養液液位低于警戒位置時，系統自動停泵，并用指示燈進行警示，同時報警蜂鳴器嗚叫。
3.3 觸摸屏畫面設計
在screen Editor環境中進行界面開發時，首先要選擇人機界面種類、Base Port控制器(即與人機相聯接的控制器，一般為PLC)型號，本系統選擇觸摸屏型號為DOP—AS38BSrI．D，Base P0rt控制器選擇DeltaDVP PLC；然后新建好各個畫面，定義好各畫面的名稱，在各畫面上使用編輯功能添加好按鈕、指示燈、數字輸人框和文本。本系統主要設計有歡迎畫面、自動手動方式選擇畫面、手動操作畫面，自動操作畫面、參數設置畫面和報警畫面。
系統的主要畫面，如圖3所示。
圖3系統主要觸摸屏界面
圖3中左上部為手動操作畫面，可以對噴水泵和營養液泵分別進行手動啟停控制，并有指示燈指示；右上部為自動操作畫面，當自動運行按鈕啟動時，系統將按照設定參數自動運行，無需人為干預；左下部為參數設置畫面，這里可以選擇每日要運行的程序號和泵開停周期；右下部則是程序段的具體時間參數設置，每日可自由設定8個工作時間段，畫面中下排的按鈕P1P7用于切換到其他各程序時間段的設置畫面。
3. 4 觸摸屏畫面組態和地址分配
觸摸屏畫面設計好后，要對畫面中的各元件進行組態，如按鈕要設置元件特性是交替型還是保持型，設On還是設Off ;按鈕對應的存儲器地址，是寫入還是讀取。對于有些程序控制按鈕還要編輯On宏程序，Off宏程序，畫面切換按鈕要設好待切換的畫面名、觸發位元地址及觸發方式。
畫面組態時除畫面文本和畫面切換按鈕外，其余元件都要設置好相應的存儲器地址。Delta人機提供的存儲區分為3塊:內部寄存器區$0-65536，斷電保持內部寄存區$MO-1023，間接尋址寄存區*$0-65536。這些寄存器都是16位的R/W數據寄存器，各內部寄存器既能按字尋址，也能按位尋址，使用時非常靈活，可以根據設計需要自由分配地址。
本系統具體地址分配，如表1所示。
分配地址時要首先設定好系統控制區和狀態區的寄存器地址，這兩個區都由8個連續16位的數據寄存器組成，可自行定義控制區和狀態區寄存器的首地址。缺省控制區地址為PLC的DO一D7，狀態區缺省地址是D10-D17，如果不重新設定區域地址，在PLC編程時，一定不要占用這些寄存器。本系統將系統控制區地址設為$0-7，狀態區設為$20-27 0
3.5 觸摸屏宏程序及PLC梯形圖程序設計
宏功能的使用可以有效地分擔PLC程序的負擔，優化程序設計。Delta觸摸屏提供宏的種類非常豐富，共有11種，分為4大類:①元件ON/OFF宏;②元件執行前/后宏;③畫面打開/關閉/Cycle宏;. Initial/Background/Clock/子宏。本系統的初始化和參數從觸摸屏到PLC的傳遞以及狀態的顯示都是由觸摸屏的各類宏功能實現的。
以讀取系統時間為例，由于系統選用的基本型PLC不具有萬年歷功能，沒有內建時鐘，而觸摸屏里具有萬年歷功能，所以需要把觸摸屏的時間參數取出傳送到PLC的數據寄存器然后進行運算。傳遞時間的一段Clock宏程序如下:
$10=GETSYSTEMTIME//獲取系統當前時間放人$10開始的觸摸屏內部地址單元
D100=$14 //當前小時數導人//PLC的地址單元D100
D101=$15//當前分鐘數導人//PLC的地址單元D101
D102=$16//當前秒數導人//PLC的地址單元D102
D103=$13//當前星期數導人//PLC的地址單元D103
該Clock宏按照一定的周期自動循環運行，不斷地把當前時間導入PLC，具體周期在模組參數Clock宏延遲時間里可以設定，本系統設定為100ms。
系統主要的邏輯運算和控制功能還是在PLC梯形圖程序里實現的，PLC程序先根據系統當日設定的程序號選取相應的時間段參數，將該程序號對應的各時間段參數與由觸摸屏宏程序導人的當前時間進行比較，若在某時間段中，則液壓泵在設定周期下間歇式工作。整個程序流程如圖4所示。
圖4 梯形圖流程圖
4 結論
本自動噴灌控制系統特別適合于一天中灌溉的次數要多而每次灌溉的水量要少的作物。經實驗室和現場的調試表明，該灌溉控制系統穩定可靠，能夠按照溫室內不同作物需要，進行不同時段和不同周期的噴灌，完全能滿足生產實際需要，且使用方便，有效地提高了控制和管理水平，也節約了水和肥料，降低了系統的運行費用。
PLC的采用使得系統功能非常容易擴展，這樣可以將多套噴灌控制器通過485總線連成網絡，實現大區域多品種的集中灌溉控制，甚至還能將系統通過TCP/IP連上Internet網絡，通過網絡修改控制參數，實現遠程網絡控制。
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本文標題：PLC和觸摸屏在自動噴灌控制器中的應用
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