基于PLC的柑橘根部灌溉施肥控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究

曾文果+蔣世雨+張永磊

摘要 本文介紹了一種基于可編程控制器（PLC）設(shè)計的柑橘根部灌溉施肥控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過土壤濕度傳感器檢測高、中、低位的柑橘根部土壤含水量，可以實現(xiàn)全自動的根部灌溉和施肥，同時具有手動灌溉模式，能夠單獨控制各塊試驗地的灌溉施肥。該系統(tǒng)采用控制面板和HMI實現(xiàn)控制，具有簡單、可靠等特點。

關(guān)鍵詞 PLC；柑橘根灌；灌溉施肥控制系統(tǒng)；設(shè)計；I/O分配；控制面板

中圖分類號 S232.3 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）23-0295-03

云南玉溪華寧得天獨厚的天然溫室氣候決定了柑橘早熟，而早熟的優(yōu)勢決定了市場競爭優(yōu)勢。柑橘生產(chǎn)用水量大，傳統(tǒng)灌溉方法容易造成水資源浪費，例如水沿土壤表面流失，水因蒸發(fā)而損失，水浸濕土壤表層的無效灌溉損失。通常只有10%的水能夠到達作物根部，90%以上的水無法被根部吸收，屬于無效灌溉。自動化農(nóng)作物根部節(jié)水灌溉系統(tǒng)高效節(jié)水節(jié)肥可直接將水、肥導(dǎo)入植物的根系土層，避免地表蒸發(fā)，提高水肥利用率；能根據(jù)作物存活的最低需水量，在旱季定時、定量地控制灌溉，可最大限度地節(jié)水。本文介紹的柑橘根部灌溉施肥系統(tǒng)是基于PLC的柑橘根部灌溉施肥手自動一體化控制設(shè)計[1-2]，是電氣控制與柑橘根部灌溉施肥農(nóng)藝的結(jié)合，能夠通過對土壤濕度傳感器、雨量計、流量計、電磁閥、增壓泵等設(shè)備的實時監(jiān)測控制，實現(xiàn)精確農(nóng)業(yè)灌溉施肥作業(yè)的遠程自動控制。

1 系統(tǒng)控制要求

本系統(tǒng)通過對大樹、小樹各3個試驗區(qū)，共計6個試驗區(qū)采取不同澆水施肥方式；其中大樹1號地、小樹1號地采取自動水肥一體的方法；大樹2號地、小樹2號地采取自動澆水的方法；大樹3號地、小樹3號地采取人工水肥的方法。開展6種不同處理的田間對比試驗[3]。系統(tǒng)控制流程如圖1所示?？刂颇Ｊ椒譃樽詣涌刂?、手動控制、3號地澆水3種控制模式，自動控制與手動控制用轉(zhuǎn)換開關(guān)控制，選中一種模式，另一種模式立即失效。3號地澆水與自動控制模式中的2號地自動澆水互鎖，自動控制模式中，1號地半自動施肥與1號地自動澆水互鎖，若降雨達到一定量，系統(tǒng)會自動停止灌溉，待雨停再檢測土壤濕度判斷是否繼續(xù)灌溉[4]。該系統(tǒng)可單獨手動控制各電機的運行以及各電磁閥的通斷。

2 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

采用三菱FX31-128M2/ES可編程控制器為控制核心，工作電壓220 V，同時可擴展A/D、D/A模塊。雨量計、土壤濕度傳感器、水位傳感器等根據(jù)實際配置。輸出設(shè)備為增壓泵、攪拌電機、電磁閥、信號燈等設(shè)備。系統(tǒng)總體設(shè)計見圖2。

2.1 I/O配置

此系統(tǒng)采用的是三菱FX31-128M2/ES，輸入64點（X00—X77），輸出64點（Y00—Y77）。輸入信號由11個按鈕、12個轉(zhuǎn)換開關(guān)、11個傳感器提供，除了濕度傳感器信號為模擬信號經(jīng)A/D擴展模塊輸入，其他的均為數(shù)字信號輸入。輸出信號包含3個電機、5個電磁閥、41個指示燈。部分I/O分配如表1所示。

2.2 控制面板設(shè)計

本系統(tǒng)采用簡單易懂的控制面板進行設(shè)計。該控制面板分為自動部分、手動部分、指示燈部分。自動部分又分為1號地自動澆水施肥區(qū)和2號、3號地澆水區(qū)。當(dāng)轉(zhuǎn)換到自動檔時，手動控制區(qū)域失效，系統(tǒng)按選擇的自動模式澆水施肥；當(dāng)轉(zhuǎn)到手動檔時，自動部分失效，可以自主選擇澆水地塊和澆水施肥方式，并可以單獨控制電機和電磁閥的通斷，當(dāng)系統(tǒng)遇到故障時報警指示燈閃爍，可按下緊停按鈕停止灌溉?？刂泼姘逶O(shè)計如圖3所示。

2.3 初始化程序

本系統(tǒng)采用步進梯形圖編寫，初始化程序如圖4所示。系統(tǒng)啟動，轉(zhuǎn)換開關(guān)撥到手動檔（X14接通），PLC跳轉(zhuǎn)到手動程序運行。轉(zhuǎn)換開關(guān)打到自動動檔（X13接通），PLC跳轉(zhuǎn)到自動程序運行。按下1號地自動澆水按鈕（X5接通），1號地開始自動澆水；按下1號地自動施肥按鈕（X4），1號地開始自動施肥；按下2號地自動澆水按鈕（X6），2號地開始自動澆水。

2.4 手動控制程序

程序初始化后，轉(zhuǎn)換開關(guān)撥到手動檔（X14接通），程序跳到S0執(zhí)行。部分手動程序如圖5所示。手動控制模式下，可選擇澆水模式或施肥模式；選中澆水模式，則系統(tǒng)進入手動控制澆水狀態(tài)，選中施肥模式，則系統(tǒng)進入手動控制施肥狀態(tài)。以1號地澆水為例說明：轉(zhuǎn)換開關(guān)撥到手動檔（X14接通），手動指示燈亮，手動澆水施肥開關(guān)撥到澆水檔（X15接通），手動施肥指示燈亮，按下1號澆水啟動按鈕（X2接通），1號地電磁閥指示燈亮，1號地開始澆水。

2.5 自動控制程序

自動控制程序以1號地自動澆水施肥為例。如圖6：系統(tǒng)啟動，控制模式切換至自動模式，當(dāng)啟動自動澆水按鈕或者自動施肥按鈕時，自動程序開始。當(dāng)雨量傳感器無信號，報警信號燈正常，轉(zhuǎn)換開關(guān)位于自動，滿足自動運行條件時，程序向下運行分支。1號地自動澆水施肥和2號地自動澆水可以同時運行。自動澆水施肥程序有3種模式，即模式一（淺水模式），模式二（中水模式），模式三（深水模式）。這3種模式用來適應(yīng)柑橘各個生長階段所需要的澆水施肥量。M202、M210、M214分別為1號地土壤濕度傳感器淺、中、深信號經(jīng)A/D擴展模塊轉(zhuǎn)化處理后得到的缺水信號，當(dāng)相應(yīng)模式下檢測到土壤濕度低于設(shè)定值時，系統(tǒng)便開始自動澆水施肥；當(dāng)深層土壤濕度傳感器有信號時（M216）便停止?jié)菜?/p>

3 拓展研究

3.1 柑橘生長數(shù)據(jù)采集處理

基于本柑橘根部灌溉施肥控制系統(tǒng)，可以進行更深一步的研究，可通過對澆水施肥數(shù)據(jù)的采集和柑橘果樹生長過程數(shù)據(jù)的監(jiān)測采集尋找最佳的節(jié)水灌溉施肥量[5-6]，通過精確控制柑橘的根部灌溉施肥量來加快柑橘的成熟，提高柑橘的產(chǎn)量和品質(zhì)。

3.2 PLC與上位機遠程連接實現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)采集

目前該控制系統(tǒng)僅實現(xiàn)本地控制柑橘根部灌溉施肥和相關(guān)的數(shù)據(jù)采集，可以進一步研究通過GPRS或互聯(lián)網(wǎng)將PLC和上位機連接，遠程實時控制PLC和采集柑橘生長數(shù)據(jù)，在上位機上建立相關(guān)的數(shù)據(jù)模型進行數(shù)據(jù)處理，將結(jié)果反饋到PLC中，調(diào)整PLC的控制參數(shù)，實時精確控制柑橘的根部灌溉施肥量和澆水量[7-8]。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一個以三菱FX31-128M2/ES為核心的柑橘根部手自動一體化灌溉系統(tǒng)。闡述了該系統(tǒng)的硬件設(shè)計和程序設(shè)計，該設(shè)計具有成本低廉、操作簡單、維護方便的特點，在節(jié)水灌溉上具有廣泛的推廣價值。并可進一步統(tǒng)計和整理出系統(tǒng)運行期間6種施肥灌水處理下柑橘生長變化趨勢（樹干直徑、樹高、樹冠寬度）、柑橘產(chǎn)量和質(zhì)量統(tǒng)計結(jié)果、累計灌水量、累計施肥量，得出6種不同施肥灌水處理下柑橘生長、產(chǎn)量和質(zhì)量的對比，根部灌溉系統(tǒng)節(jié)水、節(jié)肥效果的對比，以及根部灌溉系統(tǒng)運行可靠性等方面的技術(shù)參數(shù)，以期為根部灌溉技術(shù)及系統(tǒng)的進一步推廣應(yīng)用，以及為尋找最佳的節(jié)水灌溉施肥量來加快柑橘的成熟、提高柑橘的產(chǎn)量和品質(zhì)提供了有力的數(shù)據(jù)支持。

5 參考文獻

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