基于现代农业的不断发展，人们对于农业机械化和自动化的程度要求越来越高^[1]。原有的农田水利系统自动化程度较低，存在资源的浪费问题，操作不方便，导致泵的使用寿命下降等问题。故催生了操作简便、高度自动化控制系统的诞生。

传统的泵房系统在很多地方还需要人工操作，只是依靠变频器、继电器等器件对真空泵、离心泵、调节阀等设备进行简单的逻辑控制，动力柜按钮多、操作复杂。比如真空泵抽真空时需手动开启阀门开关，水箱水位下降时需人工补水，离心泵是否抽完真空需人工判断，然后再进行相应操作，这一系列问题都有待提升^[2]。PLC是主要应用在工业自动化中的可编程控制器，它将计算机技术和传统的继电器结合在一起。相对于单片机，PLC在拥有变频器的工业现场中^[3]，控制强电设备的抗干扰能力强，硬件结构简单、容易扩展、独立性强、灵活度高、可靠性强、更易编程、维护方便。单片机在距离较近的强电工作现场应用还是较少的。研究基于PLC的农田灌溉自动控制系统对提高工业自动化程度、促进现代农业发展、节约能源具有极其重要的意义。因此，利用西门子S7-200及扩展模块、继电器对原有的单一控制柜升级改造，实现全自动的农田水利灌溉，节省了大量的人力物力，惠及了广大农民，促进了农业的发展^[4]。

1 农田灌溉自动控制系统设计方案 1.1 系统整体介绍

农田灌溉自动控制系统是由离心泵、真空泵、调节阀、变频器等硬件设备和控制系统组成。控制系统采用西门子S7-200系列PLC作为CPU。PLC通过接受来自压力传感器、电流变送器的检测信号和按钮开关的命令信号，进行内部信号处理，然后通过I/O端口发出指令信号来控制真空泵、离心泵、调节阀的运行。变频器会根据压力传感器传出的信号通过PID调制来控制离心泵的转速，实现真空泵将管道抽成真空，从而将河水引入到管道中，然后再启动大功率的离心泵将河水输送到农田中。农田灌溉自动控制系统结构如图 1所示。

1.2 工作原理分析

1) 电流变送器：电流变送器是将被测主回路交流电流或者直流电流转换成按线性比例输出的恒流环标准信号，然后将信号反馈给CPU。采用交流变送器将真空泵和离心泵的电流变送为电流信号反馈给PLC控制器。

2) 压力传感器：压力传感器^[5]是通过测量管道中的被测体压力显示到仪表盘上，然后形成反馈信号给控制系统，系统做出相应的反应。压力传感器的种类比较多，一般常用于工业中的有两种，分别是压力变送器和远传压力表。

所用的压力变送器是将压力转换为4~20 mA的电流信号，测的是排空管内的压力，达到真空时的压力为-0.3 MP(理想状态)。

3) 西门子V20变频器：变频器是由整流(交流变直流)、滤波、逆变(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。用变频器控制离心泵转速让管道内的水压保持在一个相对恒定的状态，保证流速。管道内的水压由远传压力器获得，将检测量进行A/D转换，然后把反馈信号传给变频器，经过PID调制^[6]，然后通过D/A转换为模拟量电压值信号，而后控制输出频率(f)，进而控制电机的转速(n)和水压(p)，形成闭环的负反馈控制，保证恒定出水量。将三相电进行整流，整流后电流是脉动的，然后进行滤波给离心泵提供动力。闭环恒压控制框图如图 2所示。

4) 工作原理：系统上电后会进行安全检测和故障排除，确定系统正常工作。

手动控制：人工关闭调节阀，然后人工打开排空阀开关，关闭其他的排空阀开关。按下真空泵启动按钮，直到听到真空泵发出“嘶嘶”的声音，然后按下离心泵按钮，等待5 s(按实际需求确定等待时间)；打开调节阀，看到真空泵轴的附近有水滴落下后，关闭真空泵，按下停止按钮，离心泵停，再关闭调节阀。上述操作过程比较复杂。^[7]

自动控制：

第一步：按下启动按钮，本管道开始运行。打开本管道的电磁阀(排空阀)关闭其他管道的电磁阀(排空阀)，调节阀关到位。

第二步：真空泵启动，对本管道的离心泵^[7]抽真空，电流变送器不断将真空泵的电流实时传送给CPU。

第三步：当CPU检测到电流变送器传来的电流信号达到设定值时，离心泵启动，将水从河道引入到管道中，电流变送器不断将离心泵的电流实时传给CPU。

第四步：当CPU检测到电流变送器传来的电流信号达到设定值时，关闭电磁阀(排空阀)和真空泵，延时打开调节阀(初始延时5 s，会根据实际情况进行设定)，水从管道进入农田。

第五步：按下停止按钮，离心泵停止运行，打开本管道电磁阀(排空阀)，打开其他管道排空阀(如果正在运行，则不予操作)。

系统在运行的过程中，如果发生真空泵一直不能抽真空(达不到电流设定值)、离心泵的电流设定值达不到，系统将会自动停止运行。系统控制流程图如图 3所示。

2 农田灌溉自动控制系统硬件设计

在原有控制柜的基础上，设计了自动化程度更高的控制系统。根据泵房现场的实际情况(根据泵房所灌溉面积会配置相应离心泵，一般2~3个)。对系统的输入输出点数进行了配置，采用西门子S7-200CPU224xp型PLC作为系统的CPU，辅以EM222、EM223、EM221扩展模块^[8]。以三个离心泵(即三条输水管道)为例：该系统CPU是14个输入、10个输出^[9]，EM222是1个输出，EM223是4个输入、8个输出，具体的部分地址(离心泵2、3启停同1，调节阀2、3开闭同1)分配如表 1所示。

农田灌溉自动控制系统的硬件设计采用了较好的硬件设备。EM221对排空管压力、真空泵电流、离心泵1电流、离心泵2电流、离心泵3电流进行了控制，模拟量表中不再一一列出。每个模块都留有备用的端口，为后期设备的添加和改进提供了方便。总体而言，硬件设计不仅考虑节约成本，而且对于后期维护较为方便^[10]。

控制系统的外部端子接线如图 4所示。

3 农田灌溉自动控制系统软件设计

在完成硬件设计的基础上，对软件进行设计。软件设计是采用主程序调用子程序的方式来实现的。这个软件程序包括主程序模块、量程转换模块、离心泵1控制模块、离心泵2控制模块、离心泵3控制模块。此软件程序设计对原有的手动控制系统没有任何影响，在不启动自控控制系统时，手动控制系统正常运行操作。

主程序模块：主要进行系统的初始化和中断设置，启动整个控制系统。当人工给予不同的按钮信号时，PLC会进行相应的处理，既可以实现一个泵的启动，也可实现三台泵的启动。因为考虑到节约资源和时间问题，只用一台真空泵，所以三台离心泵不能同时启动，但可逐一启动^[11]。

量程转换模块：将真空泵、离心泵的大电流(0~60 A)转换为小电流DC(4~20 mA)标准信号传送给CPU。

离心泵控制模块：首先打开排空阀，关闭其他管道排空阀，然后启动真空泵程序。电流达到设定值后，离心泵程序运行；电流达到设定值后，真空泵和排空阀关停；调节阀延时打开，停止信号对应离心泵停和本管道排空阀开，其他管道排空阀关。

主程序如图 5所示。

4 结论

传统的农田水利泵房自动化程度低，为对其进行升级改造，设计了基于PLC的农田自动灌溉控制系统。该控制系统使用了更加先进的CPU(S7-200Smart), 将原来独立控制各个电机、调节阀、人工开关的单元串联在一起，通过PLC软件程序设计，实现一键启动、一键停止的功能。这套系统省去了复杂的按键操作，更加方便了人工操作。