基于PLC的农业大棚灌溉远程自动控制系统设计与模拟

3 系统硬件设计

3.1 PLC I/O地址分配与接线图

系统硬件设计的第一步就是完成PLC的I/O地址分配，也就是确定每一个现场设备与PLC输入输出端口的对应关系。合理的I/O分配要兼顾传感器布置情况，执行机构所在区域的便利程度，电气柜布局的可行性，后期扩充的可能性等。本系统PLC的数字量输入端口主要是用来接收手动按钮信号、模式选择开关信号、部分执行机构的反馈信号等。数字量输出端口用来控制水泵接触器的线圈以及电磁阀驱动线圈。模拟量输入端口接土壤湿度传感器和温度传感器所发出的连续电信号。

就具体地址分配而言，在启动、停止、急停这些安全相关信号被设置到输入通道的前面几路位置上，这样可以加快紧急情况出现时对其作出反应的速度。土壤湿度传感器的模拟量输入用连续的模拟量通道来占用，利于程序中采用循环或者批量的方式来获取。水泵、电磁阀输出点在相邻的输出通道上，利于接线排布及故障查找。每一个I/O点都要在电气原理图上标明地址编号、设备名称、信号类型和电缆编号，保证现场接线人员按照图纸进行施工。

图3-1系统总电源与主电路接线原理图

开关电源将交流220V转换成直流24V，给PLC本体、数字量输入输出模块、传感器、继电器线圈等提供工作电源。图中标出了开关电源L、N交流输入端子和V+、V-直流输出端子，PLC电源端子L+、M分别接到开关电源正负极上。端子排部分给出了每一个端子的编号、所连的设备名称和信号种类，利于现场接线人员对照施工。传感器供电回路独立引出，并配以熔断器保护，避免传感器短路引起PLC不能工作。

图3-2 PLC直流供电与端子排接线图

PLC本体的PROFINET接口直接和触摸屏以太网接口连接，使用标准网线，交叉或者直通均可，自动识别。图中给出通信接口引脚的定义以及网线类型，给出了IP地址设置的建议，PLC和触摸屏应该设置在一个网段内才能正常通信。图中还有预留PLC同上位机编程设备之间的连接端口，便于程序下载和在线调试。该种通信方式连接简易，传输速度快，抗干扰性能好。

图3-3 西门子S7-1200 PLC与HMI通信接线图

3.2 传感器信号采集电路设计

传感器输出信号类型有4-20mA电流、0-10V电压、数字信号三种。本系统如果使用电流型传感器，则需要在PLC模拟量输入端并联采样电阻把电流转换成电压，或者采用支持电流输入的模拟量模块。选用电压型传感器时可以直接接入PLC的模拟量通道，但是需要注意输入阻抗匹配和过压保护。

传感器信号线缆要与动力电缆分离开来布置，保持足够的间距，交叉时垂直交叉。模拟量信号线必须用屏蔽双绞线，屏蔽层在PLC端单点接地。如果使用的是PT100热电阻，则需要采用三线制或者四线制的接法来消除由于导线电阻而产生的测量误差。

传感器需要稳定的直流电源供电，应选用具有足够裕量的开关电源模块，电源可以直接从开关电源输出端引出，不能与动力负载共用线路。开关电源的输入端要加上滤波器以及过流保护装置，从而加强供电的安全性及抗电网波动的能力。

模式选择开关SA1为三档位旋钮开关，对应自动、手动、远程三种工作模式，三个档位的输出信号分别接到PLC的三个数字量输入点上。现场按钮盒中设定了系统启动按钮SB1、停止按钮SB2和急停按钮SB3，急停按钮使用常闭触点串联接入，在按下时就直接断开PLC的输入信号。所有的按钮都是用DC24V供电的，它们和PLC的输入端是通过屏蔽电缆相连的。图中给出输入点地址分配，便于程序编写时对照使用。

图3-4 现场控制按钮与模式选择输入接线图

手动模式下每个水泵和电磁阀都配有独立的启动按钮、停止按钮，按钮信号分别接入PLC不同的数字量输入点。在远程模式下，控制指令是由DTU模块用RS485总线传送到PLC的，图中给出了DTU模块与PLC RS485接口的接线方式，即A、B数据线的连接以及屏蔽层的接地处理。启停按钮部分还有指示灯回路，设备运行时指示灯亮起，给操作人员提供状态的反馈。

图3-5 手动/远程控制及启停按钮输入接线图

3.3 水泵与电磁阀驱动控制电路

水泵、电磁阀属于系统的执行部分，驱动控制电路设计的好坏直接决定着系统动作是否可靠、安全。本系统中水泵的功率较大，不能直接用PLC的输出点驱动，需要用中间继电器、接触器等来完成放大控制。PLC数字量输出点先使中间继电器的线圈通电，中间继电器触点闭合，接触器线圈回路得电，接触器主触点通断水泵电机启停。多级驱动方式可以防止PLC输出点受大电流影响，还可以达到电气互锁和过载保护的效果。

电磁阀的功率一般不大，但是如果电磁阀的数量很多，并且同时动作，那么总电流就会超过PLC输出模块所能承受的范围。此时可以使用继电器阵列或者固态继电器来实现功率扩展。每一个电磁阀回路内都要串联一个熔断器或者小型断路器，避免电磁阀线圈短路造成的驱动元件损坏。安装在潮湿环境中的电磁阀的接线盒要具有防水密封性，电缆入口处用防水接头。电磁阀的控制电压使用安全电压，即DC24V，减少触电事故的发生。

水泵驱动电路中必须要有热继电器或者电机保护断路器，起到过载保护和缺相保护的作用。当水泵电机长时间处于过载工作状态的时候，热继电器的双金属片被热效应加热而发生弯曲变形，进而推动辅助触点动作，切断接触器线圈的控制电路，从而使水泵停止工作。PLC要获取热继电器的辅助触点状况，马上检测到水泵出现过载情况时给出报警提示，同时也会把警报信息展示到触摸屏和远方操控平台之上。水泵启动、停止之间还应该加上必要的延时保护，防止出现频繁启停引起的电机过热或者水锤效应对管道造成损坏的情况。

图3-6水泵、风扇、指示灯、继电器输出控制电路图

3.4 远程通信模块接口设计

远程通信模块属于实现系统远程监控功能的重要硬件。本系统采用支持Modbus RTU协议的4G DTU模块，用RS485接口和PLC通信。S7-1200 PLC可以扩展RS485通信模块或使用本体集成的RS485接口，配置为Modbus RTU主站模式。PLC把需要上传的环境参数、设备状态等信息用Modbus协议格式进行封装，然后通过RS485总线将信息发往DTU模块，DTU模块将数据经由4G网络传送到云服务器。相反，用户通过监控平台发出的控制命令被云服务器转发给DTU模块，DTU模块接到指令之后再执行相应的操作。

DTU模块和PLC之间RS485通信的通信参数要正确设置，即波特率、数据位、停止位、校验方式等。两端必须一致才能正常通信。常见的设置有9600波特率、8位数据位、1位停止位、无校验。RS485总线使用差分信号传输，抗共模干扰能力强，适合大棚内存在的电磁干扰环境。当通信距离较大或者节点较多的时候，在总线上端和总线下端终端接入匹配电阻，防止信号反射造成通信异常。

DTU模块要装SIM卡并且配置好服务器的IP地址以及端口号。现场安装DTU天线的时候要保证信号覆盖良好，不能把金属结构阻挡信号。DTU模块的电源取自开关电源，其供电电压范围一般较宽，但是要注意电源纹波不能超过模块所允许的最大值。为了提高远程通信的可靠性，DTU模块应该具有断线自动重连的功能，当网络异常造成连接断开的时候，模块可以自动检测并重新建立连接，减少人工操作。

4系统软件设计与实现

4.1 PLC程序设计

PLC程序的数据采集模块把模拟量输入通道采集到的数字量转化为工程单位的数值。模拟量输入模块所采集到的数据是一个0到27648或者0到32767之间的整数，通过线性变换公式可以转换成温度或者土壤湿度百分比值，变换系数由传感器的量程和输出信号类型来确定。由于农业大棚环境中有水泵启停等干扰源，传感器信号容易出现异常跳变，直接用于灌溉判断会带来误动作，所以程序中加入了滤波处理。限幅滤波就是通过判断当前采样值与上一次有效的有效值之间变化率是否大于设定的变化率来去除脉冲干扰，滑动平均滤波就是将多次的采样值相加后取平均以抑制周期性干扰。对于变化缓慢的土壤湿度信号，用滑动平均滤波为主，限幅滤波为辅的组合方法，在消除噪声的同时又可以保持信号真实的变化趋势。

灌溉逻辑判断为PLC程序的主要部分，即根据当下的环境参数以及设定的阈值来决定是否启动或者停止灌溉。自动模式下，程序周期读取土壤湿度值，和配方中设定的湿度下限进行比较，当土壤湿度低于下限并且系统允许灌溉时，就置位灌溉请求标志，并检查水泵是否过载、急停按钮是否按下等联锁条件，全部满足之后再输出驱动信号。为了防止水泵在阈值附近频繁起停，程序加入了带有延时定时器的滞回控制，当湿度小于下限时开始延时，延时结束时湿度仍然低于下限才开始灌溉，如果延时期间湿度上升则重新启动计时器。灌溉开始以后，程序一直监视湿度改变的走向，如果灌水量超过规定最大单次灌水时长并且湿度没有明显提高的话，就发出灌溉异常警报并强制终止灌溉，防止由于传感器出现故障或者管道堵塞造成水资源浪费。

手动和自动模式的切换是用模式选择开关来完成的。通过程序读取物理旋钮开关或者触摸屏虚拟按钮的状态来确定当前运行模式，物理开关一般为最高优先级。手动模式下，自动逻辑的输出被强制关闭，操作人员可以通过触摸屏按钮或者现场按钮盒分别控制每一个水泵和电磁阀的启停，程序为此设置了手动操作数据块存储各个执行机构的手动指令。远程模式是手动模式的空间延伸，用户使用手机APP或者PC端监控平台向PLC发出控制指令，再由DTU模块将指令传送到PLC上，PLC解析后按照手动模式的逻辑进行执行。三种模式之间设置了互锁逻辑，保证任何时刻只有一路控制信号有效，模式切换时执行机构运行状态不变，防止水压突然变化或者灌溉中断。

4.2 触摸屏人机界面设计

4.2.1 主监控界面设计

触摸屏主监控界面属于用户操作系统的最主要入口，它要达成信息展示的完备性以及操作便捷的目的。本系统的主控画面顶部会显示项目标题“基于PLC的农业大棚灌溉远程自动控制系统”，也可以看到当前的时间。界面中部是实时数据显示区、外部天气显示区、执行器监控区、模式显示区和报警显示区。

实时数据显示区是显示土壤湿度、土壤温度等主要环境参数的现在值。外部天气显示区呈现外部的湿度，外部温度和光照强度，给灌溉决策提供依据。执行器监控区用图形化的按钮来显示水泵接触器、透光接触器、通风风机接触器等设备的控制接口，每一个设备都配有手动打开、远程打开两个按钮，供操作人员根据当前工作模式进行选择。模式显示区会显示出当前系统所处的控制模式，还带有“仿真自动启动”、“仿真自动停止”按钮可以对测试进行模拟操作。界面底部有两个按钮“参数设置”和“报警参数”，可以方便地将用户迅速导向其他的画面。

图4-1 主控画面

主监控界面左侧实时数据显示区中有土壤湿度为40%的显示，并且有目标调节滑动条，用户可以手动输入想要设定的土壤湿度目标值。土壤温度为25℃，有目标调节功能。执行器监控区的水泵接触器、透光接触器、通风风机接触器上都设有机型图标、指示灯、操作按钮等，设备工作时指示灯会亮。实时报警显示区在界面右下方，对当前还没有处理完毕的报警信息进行滚动显示，使操作人员能够第一时间发现异常。模式显示区用高亮来表示当前被激活的模式，仿真控制按钮可以模拟环境下的自动启停测试。

图4-2 实时数据与执行器监控画面

4.2.2 参数设置与配方选择界面

参数设置界面上部为“参数设置”标题，下部分为主要操作区域。配方设置区中用户可以利用“配方名”下拉菜单来挑选预先设定好的作物配方，也可以通过“编号”来选取对应的具体配方序号。系统提示文字“温度、湿度参数，不同的控制调用不同的配方”，说明了配方的主要功能就是根据不同作物或者不同生长阶段来调用不同的灌溉参数。数据记录区用来保存灌溉过程中的历史数据，可以对保存的记录名称进行查询。

采用预设的配方设置功能，用户可事先设定好若干种作物灌溉参数，每一组配方里包含土壤湿度上限、土壤湿度下限、温度补偿系数等控制参数。当作物种类发生变化或者进入到不同的生长时期的时候，只需要在配方名下拉框中选择对应的配方，系统就会自动将该配方的所有参数加载进来，灌溉逻辑就会按照新的参数进行工作。该设计方案大大提高了系统灵活性、适用性，使每次换种作物的时候不需要逐一手动更改很多参数值的麻烦。

图4-3 参数设置与配方选择界面

4.2.3 报警记录与参数设置界面

设置了土壤湿度上限75%、下限20%、土壤温度上限60℃、下限10℃这四个主要的报警参数。当实际采集的土壤湿度或者温度超过上面设定的范围时，系统就触发报警，在主监控界面的报警显示区弹出提示，并且把报警记录存入历史数据库。用户可以根据各个作物的耐受范围来改变这些上、下限值，调整完毕后按确认键即可生效。

参数设置完毕后，系统把新的报警阈值存入PLC的保持性存储区，就算PLC断电也不会丢失。当传感器的值回到正常范围内时，报警会自动解除，系统保存起恢复的时间供以后查阅。合理的报警阈值设置对保证作物健康成长十分重要，太窄的范围会造成频繁误报，太宽的范围又会造成处理异常时机的延误。本界面使用数值输入框的形式，用户可以直接输入数值或者通过增加或者减少按钮来改变数值。

图4-4 报警参数设置界面

4.3 远程监控平台设计

远程监控平台属于实现农业大棚超越地域约束而实行管理的重要环节。本系统采用组态软件进行开发，并且部署于云服务器或者本地监控计算机之上，采用DTU模块同现场的PLC达成数据交换的目的。平台主要的功能有实时显示数据、远程控制指令下达、历史数据的存储和查询、报警通知等。用户通过浏览器或者手机APP访问平台，输入授权账号密码后就可以看到大棚内的温湿度数据以及设备的状态，实现了远程管理。

平台的数据通信采用Modbus TCP协议与DTU对接，DTU将PLC的Modbus RTU数据转换为Modbus TCP格式转发给上位平台。平台按照设定周期不断向PLC发出请求，从PLC中读取传感器数值、设备状态等数据，更新到监控界面。用户点击远程控制按钮的时候，平台给PLC的相应的寄存器写入控制指令，PLC程序检测到寄存器值发生变化之后执行对应的指令。采用数据推送和轮询相结合的方式进行通信，在保证数据及时性的同时也能合理使用网络带宽。

远程监控平台还包括一个数据库系统来保存以前的灌溉记录、报警事件、操作日志。每次开启或关闭一个设备时都会生成一份记录，记录下开始时间、结束时间、灌溉时间、开始和结束时间的土壤含水量等数据。报警事件记录有报警发生时间、恢复时间，报警类型，报警值等。操作日志记录用户登录登出的时间、参数修改的操作、远程控制的操作等信息，有利于以后的追溯以及责任认定。平台具备数据查询以及报表导出的机能，用户可根据需要导出某一时间段的数据实施统计分析，进而给改进灌溉策略赋予数据支撑。

5系统模拟与验证

5.1 模拟测试环境搭建

完成系统的硬件组装、软件编程之后，就要搭建起模拟测试环境来检验系统的各项功能。由于农业大棚的实际环境限制，本课题用模拟的方式对系统进行测试。模拟测试环境主要是PLC控制器、触摸屏、模拟量信号发生器、指示灯模拟执行机构和远程监控平台之间的连接调试。模拟量信号发生器可以产生土壤湿度传感器、温度传感器等传感器所测得的模拟量信号，可以通过改变输入信号的大小来改变模拟量信号的变化，从而模拟不同的工况环境，用以验证PLC程序的逻辑判断是否准确。

执行机构模拟用指示灯阵列表示，每个水泵和电磁阀都对应一个指示灯，PLC发出驱动信号的时候，对应的指示灯亮起，从而直观的反映出执行机构动作的情况。该方式不能完全模仿水泵和电磁阀的实际负载特性，但是可以验证控制逻辑是否正确。DTU模块测试环境里接上测试用的4G网络或者采用WiFi转串口模块替换，同云服务器创建通信链路，检验远程监控功能是否可靠。

按照电气原理图搭建测试环境，所有设备的电源、通信线缆连接好之后，先进行上电前的绝缘检查和短路检查，保证没有问题后，逐级通电。通电后查看PLC及各个模块的电源指示灯工作状态，查看触摸屏能否和PLC建立正常通信，模拟量输入通道的信号能否被PLC正确采集到。基础检查完毕之后，按照测试用例一个一个地对系统进行功能测试。

5.2 配方切换与报警功能测试

配方切换功能的测试主要是检查PLC是否可以按照触摸屏上的配方切换指令正确地将新的灌溉参数加载到运行当中。测试时先在触摸屏上设置两组不同的作物配方，配方A的湿度下限为40%，配方B的湿度下限为60%。将模拟信号发生器输出的土壤湿度信号设在较低的水平上，使配方A开始工作，此时系统应该启动灌溉；再将配方B打开，由于湿度下限提高，系统判断此时湿度仍然小于新下的限，从而保持灌溉。反向切换测试的时候，把湿度设定为50%，激活配方B由于其下限高应该启动灌溉，切换到配方A后湿度高于新下限，系统应该停止灌溉。测试结果说明配方切换功能可以正常工作。

报警功能测试分为超限报警和传感器故障报警两种。将模拟信号发生器输出的温度值逐步增大，当超过设定温度上限的时候，触摸屏上就会弹出报警提示，报警记录界面就会产生一条新的报警记录。把模拟信号发生器发出的一个超出传感器正常量程的信号（例如湿度传感器输出的信号小于正常范围下限）输入到PLC程序中，当程序检测到信号异常时，就会判断出传感器存在断线或者故障，从而触发传感器故障报警，并且会暂时屏蔽自动灌溉功能，避免出现误动作的情况发生。测试时还可以模拟热继电器过载信号输入，检测PLC是否能正确检测出水泵输出被停掉。

配方切换时也要进行保护逻辑的测试。在灌溉过程中改变配方时，系统把切换请求挂起，等本次灌溉结束之后再执行参数更新。测试时在触摸屏上选择另一个配方并点击应用，观察系统反应，正在运行的水泵不应立刻停止，而应该继续完成本次灌溉，灌溉结束后水泵停止，然后配方参数更新。触摸屏需要有切换完成提示。保护逻辑可以防止因为参数突然变化导致系统出现意想不到的状况，从而保证系统的稳定运行。

表5-1 配方切换与报警功能测试结果

5.3 远程通信实时性与可靠性测试

远程通信实时性测试主要是检验从用户发出控制指令到PLC执行指令所花费时间是否处在可以接受的范围之内。测试时用手机APP或者PC端远程监控平台点击水泵启动按钮，用秒表记录从点击时刻到现场指示灯亮起的时间。多次重复测试取平均值，分析网络延迟的分布情况。测试还要考虑各种网络环境下不同的测试设备与4G基站之间所造成的延迟，以及不同时间段的测试结果。对远程监控的应用而言，秒级的延迟是允许的，但是延迟的波动不能太大，稳定的延迟比短且有剧烈波动的延迟更重要。

可靠性测试主要是对通信链路出现异常时系统的行为以及数据的完整性进行检测。测试时模拟出DTU模块的4G信号突然断开的情况，检测PLC在通信断开之后能否自行继续执行自动灌溉控制任务，这是系统设计方面的重要保证。通信恢复之后，查看远程监控平台能不能自动重新创建连接，并把缺少时间段内所有历史数据。还可以对云服务器进行重启或者网络瞬间抖动等仿真操作，检查DTU模块断线重新建立通讯时，系统有无需要人工干预的情况发生。

远程通信安全测试也不能忽略。对远程监控平台的身份认证功能进行简单的测试，测试其在没有授权情况下不能被正确的访问。控制指令传输过程中有没有采用加密措施来防止被恶意截取、篡改。测试过程中发送格式错误的控制指令或者超出合法范围的参数值，观察PLC能否对这些异常指令做出正确的识别与拒绝，保证系统不会出现由于异常指令造成的误动作。通过测试可评价出远程通信平台是否符合实际使用的要求，可靠、安全。

表5-2 远程通信测试结果

5.4 测试结果分析

对系统各个功能进行全面测试之后，可以对本设计是否有效、稳定作出评价。基础控制功能即自动灌溉逻辑根据土壤湿度与设定阈值的对比来确定是否开启或者关闭水泵、电磁阀等设备，并且双阈值滞回控制可以减少设备频繁启停带来的抖动问题。手动模式下每一个执行机构的独立控制功能正常，触摸屏按钮反应迅速，操作反馈清楚。三种工作模式之间切换的逻辑正确，互锁机制可以防止控制冲突。

配方管理功能测试结果证明系统可以保存多组灌溉参数，用户可以自由选择、切换。配方改变之后，灌溉逻辑立刻依照新的参数执行，动作准确无误。灌溉时切换配方的保护逻辑也得到验证，系统在本次灌溉结束后才执行参数更新，不会因为运行过程中参数突然变化而受到影响。报警功能测试结果表明，超限报警、传感器故障报警都能够及时发出并显示在触摸屏上，报警记录可以完整地保存下报警发生的及恢复的时间信息，有利于对以后的追溯分析。

从远程通信测试结果可知，采用DTU+组态软件的方式可以实现稳定的远程数据传输和控制指令下发，通信延时在允许范围内，断线重连功能正常。经过对所有的测试结果进行综合，本设计所建立的以PLC为核心的农业大棚灌溉远程自动控制系统功能齐全、运行稳定、操作方便，可以满足农业大棚灌溉自动化的需求，具有很好的工程应用价值。测试出的细小问题会在下一阶段的软件更新中加以改善，整个系统性能符合农业大棚智能灌溉的应用需求。