本實用新型涉及灌溉技術領域，具體涉及一種基于PLC的太陽能自動灌溉系統。

背景技術：

目前，我國農田灌溉大多使用水泵等設備進行排灌或者噴灌。在作物的溫室栽培中，采用無控制的滴灌。在上述灌溉方法中，大都需要人工操作，或者通過定時的方法來控制開關水閥，可能會造成澆水不及時而導致作物干旱，又或者是澆水過多造成水資源的大量浪費。并且農業灌溉的水泵功率較大，需要提供電力能源，通常情況下，我國廣大農村需要灌溉的地域距離農電網較遠，需要搭建專線，或者采用柴油發電等方式，不僅麻煩且消耗大量的電力資源，又或者使用蓄電池進行動力傳輸，而蓄電池蓄電成本較高，且幾年就需要更換一次。

我國有著豐富的太陽能資源，利用這些豐富的太陽能資源與有限的水資源相結合，開展節水灌溉，是我國經濟、社會、生態可持續發展的一條有效途徑。國內將光伏供電技術與節水灌溉技術相結合知識領域相對比較薄弱，我國的研究領域仍然停留在小范圍、小規模的溫室。與節水發達國家相比，缺乏配套的硬件設備以及先進的管理控制技術，灌溉技術也存在著多方面的問題。因此，要想促進我國農業發展，提高水資源的高利用率，實現農業自動化，就必須更進一步的研制出適合我國國情的智能化灌溉控制系統，以及合理的灌溉控制方法，以解決水資源及其能源問題。

技術實現要素：

本申請通過提供一種基于PLC的太陽能自動灌溉系統，以解決現有技術中灌溉系統智能化不高以及偏遠地區灌溉所需供電的技術問題。

為解決上述技術問題，本申請采用以下技術方案予以實現：

一種基于PLC的太陽能自動灌溉系統，包括光伏供電模塊、檢測模塊、PLC控制模塊以及灌溉模塊，其中，所述光伏供電模塊包括太陽能電池板以及與所述太陽能電池板連接的蓄電池，所述光伏供電模塊為所述PLC控制模塊以及所述灌溉模塊供電，所述檢測模塊包括土壤濕度傳感器、水位傳感器以及閥門開度傳感器，所述檢測模塊與所述PLC控制模塊連接，所述檢測模塊將所述土壤濕度傳感器檢測的土壤濕度信息、水位傳感器檢測的蓄水池的水位信息以及閥門開度傳感器檢測的電磁閥開度信息傳輸給所述PLC控制模塊，所述灌溉模塊包括依次連接的抽水泵、蓄水池以及絞盤式噴灌機，所述抽水泵與所述蓄水池之間設置有進水閥，所述蓄水池與所述絞盤式噴灌機之間設置有出水閥，所述水位傳感器設置于所述蓄水池中，所述PLC控制模塊的輸出端連接所述灌溉模塊，用以控制所述進水閥和/或所述出水閥的電磁閥開度，控制所述絞盤式噴灌機的移動和/或灌溉。

所述光伏供電模塊在其閉路系統內部形成電路，通過太陽能電池板將接收到的太陽輻射能量直接轉換成電能供給負載，并將多余能量經過充電控制器轉換后以化學能的形式儲存在蓄電池中。

進一步地，所述絞盤式噴灌機包括進水管、至少一個噴頭、升降機構以及移動機構，所述進水管一端連接在所述出水閥上，另一端連接所述噴頭，所述升降機構包括升降支架、升降電機以及安裝噴頭的放置臺，通過所述升降電機的正反轉控制所述升降支架的上升或者下降，從而調節噴灌的高度。

作為一種優選的技術方案，在升降機構的放置臺中間兩邊各安裝一個噴頭，在噴頭下方安裝一個底盤用于固定噴頭，噴頭可以360度旋轉，達到無死角噴灌。

進一步地，所述進水管為軟管，所述絞盤式噴灌機還包括進水管自動回收裝置，該自動回收裝置包括卷盤、水渦輪、齒輪以及鏈條，所述進水管纏繞在所述卷盤上，在所述卷盤的助流位置裝配有水渦輪，所述鏈條圈套在所述水渦輪與所述齒輪的外圍，由電機控制所述齒輪轉動，通過所述鏈條的傳動，帶動所述水渦輪實現所述進水管的收放，所述移動機構為四輪驅動小車。四輪驅動小車的前面兩個輪子負責轉向，后面兩個輪子負責驅動，四輪驅動小車的電源可以直接由光伏供電模塊1中的蓄電池提供。

作為一種優選的技術方案，所述PLC控制模塊還可連接上位機組態王，實現遠程控制。

作為一種優選的技術方案，所述PLC控制模塊采用西門子S7-200系列，所述太陽能電池板采用SHP200W-1P電池板組件，采用雨鳥PGA系列的電磁閥，所述抽水泵采用SHP0.7/30-24型號的光伏水泵。

一種基于PLC的太陽能自動灌溉系統的灌溉方法，包括如下步驟：

S1：判斷所述光伏供電模塊是否在白天模式，如果是，則進入步驟S2,否則跳轉至步驟S8；

S2：根據水位傳感器檢測的蓄水池的水位信息，判斷蓄水池的水位是否低于最低水位，如果是，則進入步驟S3，否則，進入步驟S4；

S3：報警提示，并打開所述進水閥，由所述抽水泵抽取地下水送入所述蓄水池中，解除報警，隨后跳轉至步驟S2；

S4：根據所述水位傳感器檢測的所述蓄水池的水位信息，判斷所述蓄水池的水位是否高于最高水位，如果是，則進入步驟S4，否則，進入步驟S5；

S5：報警，并使所述抽水泵停止抽水；

S6：根據所述土壤濕度傳感器檢測的土壤濕度信息，判斷是否需要澆水，如果是，則進入步驟S7，否則，進入步驟S8；

S7：根據灌溉需求，利用模糊PID控制器來控制所述出水閥的電磁閥開度，由所述絞盤式噴灌機進行灌溉，進入步驟S6；

S8：關閉所述出水閥，收回所述進水管，停止灌溉。

進一步地，步驟S7中利用模糊PID控制器來控制所述出水閥的電磁閥開度具體操作為：將閥門開度傳感器檢測到的信號輸入到模糊PID控制器中，首先經模糊PID器處理得到一個特定的模糊規則，將給定的灌溉量K與輸出灌溉量L的系統誤差e及誤差變化率ec作為輸入，將系統誤差e模糊化得到語言變量E，將誤差變化率ec模糊化得到語言變量EC，進行模糊推理形成模糊集合，語言變量E與EC的模糊集均為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，其論域均為{-3,-2,-1,0,1,2,3，}所述模糊集合將聚類形成單獨的模糊集后，經逆模糊化處理輸出控制量U，控制量U的模糊集為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，其論域為{-3,-2,-1,0,1,2,3}，被控對象為電磁閥開度，找出比例參數kp、積分參數ki、微分參數kd與系統誤差e及誤差變化率ec之間的模糊關系，通過不斷檢測系統誤差e及誤差變化率ec，對比例參數kp、積分參數ki、微分參數kd進行在線修改，以達到最佳控制效果。

由模糊PID控制器來控制所述出水閥的電磁閥的開度，將所述閥門開度傳感器的信號輸入到模糊PIC控制器中，其中，模糊PID控制器的比例環節將自動灌溉系統給定的灌溉量K與輸出灌溉量L的系統偏差e(t)實時成比例表現出來，對電磁閥進行控制，積分環節調節使得e(∞)＝0，微分環節將對系統偏差e(t)將要出現的走勢進行變現，并在系統偏差e(t)變大之前，產生一個修正因子給被控對象，以提高系統響應速度，減少反應時間。

進一步地，根據所述PLC控制模塊的系統時間來設定所述光伏供電模塊分為白天模式和夜晚模式，在白天模式下，所述太陽能電池板自動工作，在夜晚模式下，所述太陽能電池板自動關閉，且所述光伏供電模塊還設置有手動開關。

進一步地，所述基于PLC的太陽能自動灌溉系統可分為遠程模式與現場模式，既可以通過上位機組態王對太陽能自動灌溉系統進行操作控制，又可以切換至現場模式，在現場直接控制所有的閥門和電機，以便于系統的調試、檢修與維護。

與現有技術相比，本申請提供的技術方案，具有的技術效果或優點是：

1)利用PLC控制器來控制灌溉系統，且采用模糊PID控制器控制電磁閥的開度，能更精準地控制灌溉量，大大提高了灌溉系統的智能化，實現了智能節水灌溉。

2)在出水閥的末端連接絞盤式噴灌機，能夠在噴灌過程中自走、自停、自我調節噴灌高度，不受地理環境限制，適應性強，可以完成不同環境的噴灌任務。

3)利用光伏供電模塊為灌溉系統提供電能，既解決了在灌溉地區進行灌溉所需的能源問題，又具有很好的節能減排效應，且保護了生態環境。

附圖說明

圖1為本實用新型灌溉系統的結構框圖；

圖2為本實用新型灌溉系統的組成示意圖；

圖3為本實用新型絞盤式噴灌機結構示意圖；

圖4為本實用新型絞盤式噴灌機升降機構的結構示意圖；

圖5為本實用新型絞盤式噴灌機噴頭結構示意圖；

圖6為本實用新型進水管自動回收裝置結構示意圖；

圖7為本實用新型進水管自動回收裝置傳動機構結構示意圖；

圖8為本實用新型灌溉方法流程圖；

圖9為本實用新型模塊PID控制器原理圖。

具體實施方式

本申請實施例通過提供一種基于PLC的太陽能自動灌溉系統及其灌溉方法，以解決現有技術中灌溉系統智能化不高以及偏遠地區灌溉所需供電的技術問題。

為了更好的理解上述技術方案，下面將結合說明書附圖以及具體的實施方式，對上述技術方案進行詳細的說明。

實施例

一種基于PLC的太陽能自動灌溉系統，如圖1所示，包括光伏供電模塊1、檢測模塊2、PLC控制模塊3以及灌溉模塊4，其中，所述光伏供電模塊1包括太陽能電池板以及與所述太陽能電池板連接的蓄電池，所述光伏供電模塊1為所述PLC控制模塊3以及所述灌溉模塊4供電，所述檢測模塊2包括土壤濕度傳感器、水位傳感器以及閥門開度傳感器，所述檢測模塊2與所述PLC控制模塊3連接，所述檢測模塊2將所述土壤濕度傳感器檢測的土壤濕度信息、水位傳感器檢測的蓄水池的水位信息以及閥門開度傳感器檢測的電磁閥開度信息傳輸給所述PLC控制模塊3，如圖2所示，所述灌溉模塊4包括依次連接的抽水泵4a、蓄水池4b以及絞盤式噴灌機4c，所述抽水泵4a與所述蓄水池4b之間設置有進水閥，所述蓄水池4b與所述絞盤式噴灌機4c之間設置有出水閥，所述水位傳感器設置于所述蓄水池4b中，所述PLC控制模塊3的輸出端連接所述灌溉模塊4，用以控制所述進水閥和/或所述出水閥的電磁閥開度，控制所述絞盤式噴灌機4c的移動和/或灌溉。

所述光伏供電模塊1在其閉路系統內部形成電路，通過太陽能電池板將接收到的太陽輻射能量直接轉換成電能供給負載，并將多余能量經過充電控制器轉換后以化學能的形式儲存在蓄電池中。

如圖3所示，所述絞盤式噴灌機4c包括進水管401、至少一個噴頭402、升降機構403以及移動機構404，所述進水管401一端連接在所述出水閥上，另一端連接所述噴頭402，如圖4所示，所述升降機構403包括升降支架403a、升降電機403b以及安裝噴頭的放置臺403c，通過所述升降電機403b的正反轉控制所述升降支架403a的上升或者下降，從而調節噴灌的高度，以適應不同環境的噴灌作業。

在升降機構403的放置臺403c中間兩邊各安裝一個噴頭402，如圖5所示，在噴頭402下方安裝一個底盤405，用于固定噴頭402，噴頭402可以360度旋轉，達到無死角噴灌。

所述進水管401為軟管，所述絞盤式噴灌機4c還包括進水管自動回收裝置405，如圖6、7所示，該自動回收裝置405包括卷盤405a、水渦輪405b、齒輪405c以及鏈條405d，所述進水管401纏繞在所述卷盤405a上，在所述卷盤405a的助流位置裝配有水渦輪405b，所述鏈條405d圈套在所述水渦輪405b與所述齒輪405c的外圍，由電機控制所述齒輪405c轉動，通過所述鏈條405d的傳動，帶動所述水渦輪405b實現所述進水管401的收放，所述移動機構404為四輪驅動小車。四輪驅動小車的前面兩個輪子負責轉向，后面兩個輪子負責驅動，四輪驅動小車的電源可以直接由光伏供電模塊1中的蓄電池提供。

作為一種優選的技術方案，所述PLC控制模塊3還可連接上位機組態王，實現遠程控制。所述基于PLC的太陽能自動灌溉系統可分為遠程模式與現場模式，既可以通過上位機組態王對太陽能自動灌溉系統進行操作控制，又可以切換至現場模式，在現場直接控制所有的閥門和電機，以便于系統的調試、檢修與維護。

根據所述PLC控制模塊的系統時間來設定所述光伏供電模塊分為白天模式和夜晚模式，在白天模式下，所述太陽能電池板自動工作，在夜晚模式下，所述太陽能電池板自動關閉，且所述光伏供電模塊設置有手動開關。

在本實施例中，所述PLC控制模塊3采用西門子S7-200系列，所述太陽能電池板采用SHP200W-1P電池板組件，采用雨鳥PGA系列的電磁閥，所述抽水泵4a采用SHP0.7/30-24型號的光伏水泵。

一種基于PLC的太陽能自動灌溉系統的灌溉方法，如圖8所示，包括如下步驟：

S1：判斷所述光伏供電模塊是否在白天模式，如果是，則進入步驟S2,否則跳轉至步驟S8；

S2：根據水位傳感器檢測的蓄水池的水位信息，判斷蓄水池的水位是否低于最低水位，如果是，則進入步驟S3，否則，進入步驟S4；

S3：報警提示，并打開所述進水閥，由所述抽水泵抽取地下水送入所述蓄水池中，解除報警，隨后跳轉至步驟S2；

S4：根據所述水位傳感器檢測的所述蓄水池的水位信息，判斷所述蓄水池的水位是否高于最高水位，如果是，則進入步驟S4，否則，進入步驟S5；

S5：報警，并使所述抽水泵停止抽水；

S6：根據所述土壤濕度傳感器檢測的土壤濕度信息，判斷是否需要澆水，如果是，則進入步驟S7，否則，進入步驟S8；

S7：根據灌溉需求，利用模糊PID控制器來控制所述出水閥的電磁閥開度，由所述絞盤式噴灌機進行灌溉，進入步驟S6；

S8：關閉所述出水閥，收回所述進水管，停止灌溉。

如圖9所示，步驟S7中利用模糊PID控制器來控制所述出水閥的電磁閥開度具體操作為：將閥門開度傳感器檢測到的信號輸入到模糊PID控制器中，首先經模糊PID器處理得到一個特定的模糊規則，將給定的灌溉量K與輸出灌溉量L的系統誤差e及誤差變化率ec作為輸入，將系統誤差e模糊化得到語言變量E，將誤差變化率ec模糊化得到語言變量EC，進行模糊推理形成模糊集合，語言變量E與EC的模糊集均為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，其論域均為{-3,-2,-1,0,1,2,3}，所述模糊集合將聚類形成單獨的模糊集后，經逆模糊化處理輸出控制量U，控制量U的模糊集為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，其論域為{-3,-2,-1,0,1,2,3}，被控對象為電磁閥開度，找出比例參數kp、積分參數ki、微分參數kd與系統誤差e及誤差變化率ec之間的模糊關系，通過不斷檢測系統誤差e及誤差變化率ec，對比例參數kp、積分參數ki、微分參數kd進行在線修改，以達到最佳控制效果。

(1)確定模糊控制規則

運用PID模糊控制器來控制灌溉量，需要考慮到許多變量因素，并不能精準的建立一個被控對象。因此，需要建立一個適合本系統的模糊規則，在自動灌溉系統中，給定的灌溉量K與輸出灌溉量L的系統誤差e及誤差變化率ec作為輸入。

(2)確定模糊變量的賦值表

根據對自動灌溉系統進行仿真的情況，將系統誤差e及誤差變化率ec經模糊化分別得到語言變量E和EC，它們的模糊集均為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，其論域均為{-3,-2,-1,0,1,2,3}；控制量U的模糊集為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，其論域為{-3,-2,-1,0,1,2,3}，這三者的隸屬函數均為三角型隸屬函數。

(3)建立模糊控制規則表

自動灌溉系統給定灌溉量K與輸出灌溉量L的系統誤差e及誤差變化率ec各有7個模糊子集，所測得的數據經過控制專家的經驗和認知處理后得到49條控制規則，控制規則如下表1所示規則表。

表1 控制規則表

(4)去模糊化

最后一步，將模糊量轉換成精確量，用輸出量化因子乘以X以適應控制要求，從而得到控制量的實際值。

此外，對PID算法的三個參數kp、ki、kd做同樣的模糊化處理，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}，其論域則都為{-3,-2,-1,0,1,2,3}。

建立模糊規則為：

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模糊控制系統設計中，模糊規則根據kp、ki、kd三個參數的模糊語言變量值進行設定，在PID控制及模糊控制器下進一步優化。從系統的穩定性、響應速度、超調量和穩態精度等各方面來考慮，kp、ki、kd的作用如下：

比例系數kp的作用是加快系統的響應速度，提高系統的調節精度。因此，kp應該取值偏大，加快系統的響應速度，提高系統的調節精度，但注意不要超調，導致系統的不穩定。

積分系數ki的作用是消除系統的穩態誤差。ki取值越大，系統的靜態誤差消除的越快，同樣的，需要注意系統初期產生的積分飽和現象。

微分系數kd的作用是改善系統的動態特性，抑制偏差的大變化，對偏差變化提前預報，所以微分系數不易偏大。

本申請的上述實施例中，通過提供一種基于PLC的太陽能自動灌溉系統及其灌溉方法，包括光伏供電模塊、檢測模塊、PLC控制模塊以及灌溉模塊，利用PLC控制模塊來控制灌溉系統，且采用模糊PID控制器控制電磁閥的開度，能更精準地控制灌溉量，大大提高了灌溉系統的智能化，實現了智能節水灌溉。在出水閥的末端連接絞盤式噴灌機，能夠在噴灌過程中自走、自停、自我調節噴灌高度，不受地理環境限制，適應性強，可以完成不同環境的噴灌任務。利用光伏供電模塊為灌溉系統提供電能，既解決了在灌溉地區進行灌溉所需的能源問題，又具有很好的節能減排效應，且保護了生態環境。

應當指出的是，上述說明并非是對本實用新型的限制，本實用新型也并不僅限于上述舉例，本技術領域的普通技術人員在本實用新型的實質范圍內所做出的變化、改性、添加或替換，也應屬于本實用新型的保護范圍。