精準(zhǔn)滴灌施肥監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

聶晶,王洪坤,岑紅蕾,李宏偉

(石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院電氣工程系,石河子,832003)

文章編號(hào):1007-7383(2011)01-0111-05

精準(zhǔn)滴灌施肥監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

聶晶,王洪坤,岑紅蕾,李宏偉

(石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院電氣工程系,石河子,832003)

為提高滴灌施肥過(guò)程的自動(dòng)化水平,實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)過(guò)程信息,實(shí)施精準(zhǔn)作業(yè),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)以 IPC+PLC為中心的精準(zhǔn)滴灌施肥監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)人機(jī)界面設(shè)置與作物在不同生長(zhǎng)階段的養(yǎng)分需要相匹配的施肥參數(shù),由IPC通過(guò)PLC對(duì)控制對(duì)象的參數(shù)作巡回檢測(cè)并實(shí)時(shí)顯示,根據(jù)測(cè)得的參數(shù)數(shù)據(jù)由PLC按照PID控制算法運(yùn)算后獲得控制信號(hào)量,作用到執(zhí)行機(jī)構(gòu),對(duì)被控量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié),可實(shí)現(xiàn)滴灌施肥過(guò)程的精準(zhǔn)監(jiān)控。

滴灌施肥;自動(dòng)化;監(jiān)控;精準(zhǔn);PID控制算法

滴灌施肥屬于液體施肥的一種,它是借助滴灌系統(tǒng),在滴灌的同時(shí)將由固體肥料或液體肥料配兌而成的肥液一起輸入到作物根部土壤的一種方法。隨著我國(guó)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中采用膜下滴灌技術(shù)的種植面積不斷擴(kuò)大,滴灌施肥越來(lái)越受到大家的關(guān)注,在此基礎(chǔ)上通過(guò)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)執(zhí)行變量施肥操作將是提升我國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備水平的必然要求。

我國(guó)目前變量施肥自動(dòng)控制系統(tǒng)的研制主要集中在田間拋撒施肥領(lǐng)域。王秀等[1]研究了一種與拖拉機(jī)配套使用,在 GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的幫助下可以按照施肥處方圖,通過(guò)調(diào)整肥料計(jì)量裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)速度調(diào)整肥料量,以實(shí)現(xiàn)變量施肥。張書慧等[2]開發(fā)了一種基于復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)的變量施肥控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的作業(yè)環(huán)境較差,且必須與拖拉機(jī)配套使用,成本較高。呂新等[3]針對(duì)液體變量控制施肥研發(fā)了適用于大田棉花膜下滴灌的比例混合變量施肥系統(tǒng),可提高肥料利用率10%以上。在施肥決策方面,楊利勇[4]等實(shí)現(xiàn)了基于中間件技術(shù)的棉田土壤肥力施肥決策系統(tǒng)。

對(duì)于已經(jīng)大面積采用滴灌技術(shù)的我國(guó)北方地區(qū),可以利用現(xiàn)有的滴灌資源將精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中變量施肥技術(shù)的思想與滴灌施肥技術(shù)相結(jié)合,通過(guò)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化管理,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)變量施肥自動(dòng)控制作業(yè)。本文介紹一種基于IPC+PLC兩級(jí)控制結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)滴灌施肥監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程,操作人員通過(guò)IPC中的人機(jī)界面根據(jù)施肥配方設(shè)定被控參數(shù)的給定值,同時(shí)對(duì)被控參數(shù)進(jìn)行巡檢,一方面與設(shè)定值進(jìn)行比較后求得偏差,由PLC按PID控制規(guī)律進(jìn)行控制運(yùn)算后獲得控制信號(hào)量,發(fā)出控制信號(hào),通過(guò)操縱執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行自動(dòng)控制。另一方面使操作人員通過(guò)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示了解生產(chǎn)過(guò)程信息、下達(dá)控制指令,并可以進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存及查詢。

1 系統(tǒng)的技術(shù)方案及工作原理

1.1 技術(shù)方案

變量施肥技術(shù)體系的核心是根據(jù)作物生長(zhǎng)實(shí)際需要,基于科學(xué)施肥方法,確定對(duì)作物的變量投入[5]。對(duì)于滴灌施肥作業(yè),精準(zhǔn)的含義在于實(shí)施準(zhǔn)確的變量施肥控制,其依據(jù)是對(duì)施肥地塊土壤肥力狀況及作物生長(zhǎng)實(shí)際需求的合理評(píng)估,將土壤養(yǎng)分分布圖與作物生長(zhǎng)信息相結(jié)合并考慮目標(biāo)產(chǎn)量,進(jìn)行施肥決策[6-9]。在實(shí)施過(guò)程中,由上位機(jī)根據(jù)施肥決策處方,下達(dá)控制指令,對(duì)施肥過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控;下位機(jī)控制相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作,執(zhí)行自動(dòng)化作業(yè)過(guò)程。

本系統(tǒng)選擇IPC作為監(jiān)控計(jì)算機(jī)即上位機(jī),選擇PLC作為下一級(jí)調(diào)節(jié)器即現(xiàn)場(chǎng)控制器,整個(gè)控制系統(tǒng)采用兩級(jí)控制形式。操作人員通過(guò)IPC中的人機(jī)界面根據(jù)施肥決策下達(dá)被控參數(shù)的給定值,同時(shí)通過(guò)PLC對(duì)被控參數(shù)進(jìn)行巡檢,由PLC按PID控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算后發(fā)出控制信號(hào),實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)控制。

1.2 工作原理

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意‘圖如圖1所示。其中混肥液儲(chǔ)罐中的肥液由磷酸鈣、氯化鉀、碳酸氫銨、磷酸二氫鉀、尿素及微量元素等肥料溶解液組成,輔以適當(dāng)?shù)乃嵋杭皦A液。肥液的配兌由操作人員依據(jù)作物的施肥配方參數(shù)表,通過(guò)監(jiān)控程序界面下達(dá)肥液配兌指令,下位機(jī)驅(qū)動(dòng)單個(gè)肥液溶解罐及進(jìn)水管的電磁閥來(lái)完成。在肥液配兌過(guò)程中,下位機(jī)通過(guò)傳感器采集混肥灌中的肥液配兌信息,上傳至上位機(jī)通過(guò)人機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示,由操作人員實(shí)時(shí)監(jiān)控。肥液配兌完成后通過(guò)施肥泵泵入混肥管道進(jìn)而進(jìn)入灌溉系統(tǒng)主管道,通過(guò)支路管網(wǎng)施給作物,每一級(jí)過(guò)程中均有調(diào)節(jié)閥連接,均可由操作人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Construction of the control system

施肥作業(yè)時(shí)對(duì)灌溉系統(tǒng)主管道中的肥水進(jìn)行采樣,由 IPC通過(guò) PLC對(duì)控制對(duì)象的參數(shù)(EC/PH值、閥門流量、及混肥灌中的液位、壓力等信息)作巡檢,根據(jù)測(cè)得的參數(shù)數(shù)據(jù)以 EC/PH值為中心,由PLC實(shí)現(xiàn) PID調(diào)節(jié),輸出控制信號(hào)量,作用到執(zhí)行機(jī)構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié),形成閉環(huán)控制,提高精確度。對(duì)施肥液的 EC/PH值進(jìn)行 PID調(diào)節(jié)的原因是:若施肥液的p H值不適當(dāng),使作物對(duì)營(yíng)養(yǎng)要素的吸收受阻;而施肥液濃度越大,則EC值越大,滲透壓越高,作物越難以吸收水分和養(yǎng)分,造成“鹽害”[10]。因此,在不適合的 EC和p H值情況下有必要對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)中上位機(jī)IPC實(shí)現(xiàn)通過(guò)用戶界面輸入控制指令、監(jiān)控系統(tǒng)工作、查詢系統(tǒng)信息等;下位機(jī)PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器信號(hào)的采集和處理,反饋給IPC,同時(shí)能夠接收并輸出上位機(jī)的控制指令,驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。施肥現(xiàn)場(chǎng)的各種傳感器信息通過(guò)模擬量輸入模塊采集至PLC,以串行通信方式上傳至IPC機(jī)。IPC與PLC通過(guò) RS-232串口連接,可實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳送及數(shù)據(jù)處理。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 硬件組成

系統(tǒng)硬件組成如圖2所示,其主要元器件包括IPC、主控制器 PLC、模擬量輸入/輸出模塊、系統(tǒng)電源、電磁閥、高精度的EC/PH傳感器、液位傳感器、壓力傳感器、流量檢測(cè)計(jì)、肥料泵等元件。PLC選擇日本三菱 FX2N系列 FX2N-32MR,其 I/O各為16點(diǎn),能夠滿足使用要求。PLC與 IPC之間通過(guò)FX2N-232-BD通訊板進(jìn)行連接,以串行通信方式進(jìn)行通訊。PLC輸入的傳感器信號(hào)及輸出電壓、電流驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò) FX2N-4AD及 FX2N-4DA來(lái)完成。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可與FX2N-4DA配套使用,接受統(tǒng)一的直流標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)4～20 mA,并將此信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直線位移,自動(dòng)操作閥門,完成調(diào)節(jié)。

圖2 系統(tǒng)硬件組成Fig.2 Composition of the system hardware

2.2 IPC監(jiān)控程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)IPC所要完成的功能主要包括:人機(jī)交互界面、數(shù)據(jù)通訊、輸入輸出處理三大部分。

1)人機(jī)界面要實(shí)現(xiàn)控制量的輸入,控制過(guò)程狀態(tài)變量的采集,顯示和保存(實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線、數(shù)據(jù)庫(kù)操作等)以及數(shù)據(jù)處理結(jié)果的輸出、打印。

2)數(shù)據(jù)的傳輸通過(guò) IPC與 PLC之間的RS232串口通訊協(xié)議完成。系統(tǒng)實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,允許操作者通過(guò)軟件設(shè)定控制參數(shù),改變控制狀態(tài)。

3)輸入輸出處理是指IPC通過(guò)通訊端口把采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,以用戶可以讀懂的形式表現(xiàn)出來(lái)。采集到的數(shù)據(jù)先通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)保存,同時(shí)用圖形或列表等比較直觀的形式顯示在用戶面前。

用戶監(jiān)控程序在VB6.0環(huán)境下進(jìn)行開發(fā),其界面如圖3所示。

圖3 監(jiān)控程序主界面Fig.3 Monitor program main interface

3 精準(zhǔn)滴灌施肥監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 施肥決策信息的獲取

首先需要獲得施肥地塊的空間位置信息,得到所施地塊的邊界輪廓。將記錄的地塊邊界 GPS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成地理信息系統(tǒng)軟件Map Info兼容的格式,利用Map Info及其二次開發(fā)語(yǔ)言Map Basic進(jìn)行編程處理,可得到地塊邊界圖[11]。

其次,對(duì)邊界進(jìn)行單元?jiǎng)澐峙c編碼,目的是按每一個(gè)小的操作單元采集田間狀態(tài)信息,根據(jù)土壤肥力的差異性做出施肥決策。在Map Info環(huán)境下對(duì)邊界進(jìn)行單元?jiǎng)澐趾途幋a,將此地塊劃分為小的操作單元,并對(duì)劃分的單元進(jìn)行命名和編碼[12-13],如圖4所示。

圖4 施肥地塊的單元?jiǎng)澐?、編碼圖Fig.4 Fertilizing plot code pattern

最后對(duì)編碼的地塊進(jìn)行土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)的采集和處理,測(cè)試土壤的養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)(堿解氮、速效磷、速效鉀等),建立農(nóng)田信息數(shù)據(jù)庫(kù),管理土壤養(yǎng)分信息。由專家決策系統(tǒng)綜合考慮目標(biāo)產(chǎn)量、土壤養(yǎng)分及作物生長(zhǎng)情況,得出每個(gè)操作單元的施肥決策方案。

3.2 精準(zhǔn)滴灌施肥監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行

采用PID策略的控制系統(tǒng),其穩(wěn)態(tài)精度高,提高了變量施肥的準(zhǔn)確性;動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、超調(diào)小,改善了變量施肥的快速性;抗干擾能力強(qiáng),能夠更好地適應(yīng)田間作業(yè)環(huán)境[14]。由于在滴灌施肥過(guò)程中,要求施肥液的 EC/PH值等參數(shù)保持恒定,故由PLC采用PID控制方式實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。PLC的 PID控制方式的實(shí)現(xiàn)是以連續(xù)系統(tǒng)的PID控制規(guī)律為基礎(chǔ),其輸入輸出關(guān)系為:上式中M(t)為控制器的輸出值,M0為輸出的初始值,e是給定值與被控制變量之差,即回路偏差。Ke為回路的增益,TL為積分時(shí)間常數(shù),TD為微分時(shí)間常數(shù)。

三菱FX2N系列PLC有供PID控制用的功能指令,與模擬量輸入/輸出模塊一起使用,可以方便地實(shí)現(xiàn)PID控制。PID控制程序的梯形圖見圖5。

圖5 PID控制梯形圖Fig.5 PID control ladder diagram

PLC與 IPC之間通過(guò)RS232串口進(jìn)行通訊,IPC主要負(fù)責(zé)向RS232串口發(fā)送主控信號(hào),PLC用于接收從RS232串口發(fā)送過(guò)來(lái)的主控信號(hào),再根據(jù)信號(hào)的內(nèi)容驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出相應(yīng)的動(dòng)作(如圖1中的開關(guān)閥及調(diào)節(jié)閥)。對(duì)于施肥過(guò)程中需要實(shí)時(shí)監(jiān)控的數(shù)據(jù),包括施肥液儲(chǔ)罐的液位和壓力、電磁閥的流量、肥水采樣中的EC和PH值等,PLC采集傳感器信息經(jīng)轉(zhuǎn)換后上傳至IPC,通過(guò)監(jiān)控程序?qū)崟r(shí)顯示。當(dāng)需要調(diào)整施肥參數(shù)時(shí),在上位機(jī)監(jiān)控界面中進(jìn)行修改,并下達(dá)指令,由PLC輸出,驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作,執(zhí)行精準(zhǔn)化操作。

5 結(jié)語(yǔ)

在目前具備滴灌施肥作業(yè)的生產(chǎn)條件下,將全球定位技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)、人工智能技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合,由上位機(jī)根據(jù)施肥決策設(shè)置操作程序,下達(dá)控制指令,同時(shí)對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行全面監(jiān)控;由下位機(jī)控制相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作,從而執(zhí)行精準(zhǔn)化作業(yè)。這是目前新疆兵團(tuán)及自治區(qū)整個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系中施肥作業(yè)的發(fā)展需求和發(fā)展方向。本文以IPC+PLC為中心開發(fā)了精準(zhǔn)滴灌施肥監(jiān)控系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠提高滴灌施肥作業(yè)的精準(zhǔn)化程度,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過(guò)程的自動(dòng)化,節(jié)約生產(chǎn)管理成本。

[1]王秀,趙春江,孟志軍,等.精準(zhǔn)變量施肥機(jī)的研制與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2004,20(5):114-117.

[2]張書慧,齊江濤,廖宗建,等.基于CPLD的變量施肥控制系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010,26(8):200-204.

[3]李富先,呂新,王海江,等.棉花膜下滴灌比例混合變量施肥系統(tǒng)的研發(fā)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008,24(5):115-118.

[4]楊利勇,呂新,李保成,等.基于中間件的棉田土壤肥力施肥決策系統(tǒng)的研究[J].石河子大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,25(5):658-660.

[5]邵利敏,王秀,牛曉穎,等.基于 PLC的變量施肥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2007,38(11):84-87.

[6]孫波,嚴(yán)浩,施建平,等.基于組件式 GIS的施肥專家決策支持系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2006,22(4):75-79.

[7]王國(guó)偉,閆麗,陳桂芬.變量施肥對(duì)改善土壤養(yǎng)分空間差異性的綜合評(píng)價(jià)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2009,25(10):82-85.

[8]潘瑜春,薛緒掌,陳立平,等.基于 GIS的變量施肥尺度效應(yīng)模擬系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2005,21(6):77-81.

[9]肖麗,侯振安,龔江,等.不同滴灌施肥方式對(duì)鹽漬土棉花生長(zhǎng)和氮素吸收的影響[J].石河子大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,26(4):427-430.

[10]楊春園.智能施肥機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué),2007:3-4.

[11]張書慧,馬成林,吳才聰,等.變量施肥機(jī)空間數(shù)據(jù)采集與處理方法[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2004,35(4):93-96.

[12]吳才聰,張書慧,馬成林,等.利用 MapBasic劃分精確農(nóng)業(yè)田塊網(wǎng)格方法的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2002,18(2):156-159.

[13]吳才聰,馬成林,張書慧,等.基于 GIS的精確農(nóng)業(yè)合理采樣與施肥間距研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2006,35(2):80-83.

[14]梁春英,衣淑娟,王熙,等.變量施肥控制系統(tǒng) PID控制策略[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2010,41(7):157-162.

Implementation of Precise Drip Fertilization’s Monitor System
NIE Jing,WANG Hongkun,CEN Honglei,LI Hongwei

(Department of Electrical Engineering,College of Mechanical and Electrical Engineering,Shihezi University,Shihezi 832003,China)

In order to improve the automation level of drip fertilization process,master manufacturing process information real time,execute precise operations,a IPC and PLC-oriented monitor system for precise drip fertilization was designed and realized.The system setup fertilization parameter that matched nutrient demand of crop different growth stage by human-machine interface,IPC detect parameter of control object by PLC and real-time display,PLC obtain control signal by PID algorithm and impact actuator,automaticaly regulate controlled variable,system can realize precise monitor of drip fertilization process.

drip fertilization;automation;monitor;precision;PID algorithm

S224.21;TP29

A

2010-09-13

聶晶(1979-),男,講師,從事微機(jī)機(jī)電控制研究;e-mail:niejing19@163.com。