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基于PLC和MB+的灌溉施肥模糊控制系统的设计

么丽丽  
【摘要】:目前,我国农田灌溉施肥仍处于人工或半自动化阶段,灌溉水利用率较低,浪费严重;化肥使用没有节制,导致土壤盐碱化程度加大。农村沼气池的沼气只是用于照明和煮饭,沼液随灌溉水漫灌到田里,沼气池资源没有得到充分利用。另外,农田劳作还占用大量劳动力。作为农业大省的山东,上述现象更为严重。随着科技的发展,在山东的许多地区已经实现了农业半自动化,聊城市的东古城农场就有一套半自动化灌溉施肥系统,不过该系统只能实现对农作物进行定期定量灌溉施肥,需要部分人工操作,沼液只是做辅助肥料,不能很好地解决上述问题。 为了更好地解决以上问题,使农场实现全自动化灌溉施肥,本课题设计了一套自动化灌溉施肥控制系统。系统充分利用农场现有的沼气池资源,利用沼气发电给系统提供电源,经过滤后的沼液作主要施肥肥料,人畜粪便和庄稼秸秆作沼气池的原料。本课题设计的控制系统主要是通过土壤湿度传感器和电导率传感器分别采集土壤湿度信号和电导率信号;作为主控制器的Quantum PLC根据采集的湿度值和电导率值,利用模糊控制算法做出模糊控制决策,得到控制输出量,然后利用该控制量对执行机构(电磁阀和泵等)的开关时间进行控制,实现自动灌溉施肥。系统通过Modbus Plus(简称MB+)网络实现PLC和上位机的有线远程通信。工作人员可以通过上位机的人机界面和工艺流程动画界面设定和修改检测变量的设定值,选择灌溉施肥模式和区域,设定灌溉施肥时间,实时查看农田各区域的湿度值和电导率值,还可以对现场设备的工作情况进行监控。系统还能实现越限报警和下雨报警。 本课题主要完成了以下工作:完成了系统总体结构的设计。完成了系统Modbus Plus网络总体结构的设计,以及网络中监控层、网络层、控制层和现场层四个层面的硬件设计。完成了模糊控制器的设计,主要包括模糊控制器的结构设计,输入量和输出量的选择,输入量的模糊化,模糊控制规则的制定,模糊推理,输出量的模糊判决,以及模糊控制决策表的建立。完成了系统的软件设计,主要包括系统主程序的设计,采集模块的软件设计,模糊控制程序的设计,上位机监控界面的设计,以及通讯模块的软件设计。完成了系统的仿真测试与实验分析,利用MATLAB中的Simulink工具箱对模糊控制器的控制效果进行了仿真;利用Unity pro软件对上位机监控界面进行了模拟仿真,对程序进行了调试;搭建了实验平台,对控制系统进行了调试运行,并分析了实验测得的数据。 实验结果证明本课题设计的控制系统运行稳定,通讯正常,控制精度达到了设计标准。实现了节水、节能、节肥的全自动施肥灌溉,有效的利用了沼气池资源,可以按照作物的需求及时灌溉施肥,很大程度上提高了灌溉水和肥料的利用率,有利于改善土壤品质,提高农作物产量和品质。实现了远程监控,很大程度上节省了劳动力。


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