基于PLC的果園水肥一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

詹 宇,胡佳寧,任振輝

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,河北 保定 071001;2.石家莊鑫農(nóng)機(jī)械有限公司,石家莊 052400)

0 引言

隨著國內(nèi)果園逐漸規(guī)?；l(fā)展,傳統(tǒng)的溝灌、漫灌方式及人工撒肥、開溝施肥不僅占用了大量的農(nóng)村勞動(dòng)力,還使得水、肥資源嚴(yán)重浪費(fèi),甚至?xí)茐耐寥澜Y(jié)構(gòu)[1-2]。為此,開發(fā)一個(gè)適用于果園的精準(zhǔn)水肥一體化控制系統(tǒng)十分必要。我國在1974年從墨西哥引進(jìn)3套滴灌設(shè)備至今,水肥一體化技術(shù)和應(yīng)用得到了廣泛的重視和發(fā)展,但與以色列、美國等農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家相比,技術(shù)仍很落后[3]。目前,國內(nèi)在開發(fā)水肥一體化控制系統(tǒng)時(shí),主要是以單片機(jī)為核心[4-7],而PLC具有較強(qiáng)的抗干擾能力和良好的穩(wěn)定性,因此更適用于果園水肥一體化設(shè)備[8-10]。本文設(shè)計(jì)的基于PLC的果園水肥一體化控制系統(tǒng)包括灌溉水過濾子系統(tǒng)、混肥子系統(tǒng)及施肥和反沖洗子系統(tǒng),能夠保證水肥溶液pH值和EC值的平衡,以及施肥的均勻性和系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,獲得良好的果園經(jīng)濟(jì)效益。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

控制系統(tǒng)由觸摸屏、PLC、數(shù)字量輸出拓展模塊、混肥罐、施肥罐、電磁閥、電動(dòng)閥、循環(huán)電機(jī)、攪拌電機(jī)、柱塞泵和加壓泵等組成,同時(shí)配備了壓力傳感器、液位傳感器、pH值傳感器、EC值傳感器和土壤濕度傳感器用于檢測系統(tǒng)工作參數(shù)和土壤濕度。系統(tǒng)可以在不同的施肥總袋數(shù)和單次混肥袋數(shù)下運(yùn)行,運(yùn)行前需要選擇所使用的混肥罐和施肥罐,兩個(gè)混肥罐可以間斷進(jìn)行混肥,4個(gè)施肥罐可以獨(dú)立進(jìn)行施肥,縮短了工作時(shí)間,提高了工作效率?？刂葡到y(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)工作流程圖Fig.1 The workflow of control system

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),灌溉水源經(jīng)過離心、砂石和疊片三級(jí)過濾后注入混肥罐中,保證了灌溉水源的質(zhì)量。肥料由送肥裝置送進(jìn)混肥罐中,經(jīng)過循環(huán)和攪拌過程充分被溶解在灌溉水源中。由于果園作物pH值最適宜范圍為6.0～8.0,因此在進(jìn)行水肥混合時(shí)將pH值設(shè)定為7.0。當(dāng)混肥罐中的pH值不等于7.0時(shí),通過計(jì)量泵向混肥罐中添加調(diào)節(jié)試劑,最終將水肥溶液pH值穩(wěn)定在7.0。另外,系統(tǒng)對(duì)EC值設(shè)定為1 500μs/cm。當(dāng)水肥溶液pH值和EC值符合設(shè)定要求后注入施肥罐,由柱塞泵將肥液送至末端滴灌裝置,完成果樹根系土壤的灌溉施肥過程。在灌溉施肥過程中,當(dāng)管道壓力不足4kPa時(shí),加壓泵會(huì)啟動(dòng),從而保證系統(tǒng)的運(yùn)行壓力;在施肥結(jié)束后,啟動(dòng)反沖洗子系統(tǒng),使用過濾水完成設(shè)備的反沖洗過程。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件包括1個(gè)西門子SMART 1000 IE V3觸摸屏、1個(gè)西門子S7-200 SMART ST40型PLC、4個(gè)西門子數(shù)字量輸出拓展模塊DR08。其中,PLC與觸摸屏之間通過網(wǎng)線連接,PLC與DR08模塊通過模塊拓展口連接。硬件系統(tǒng)接線如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)接線圖Fig.2 The wiring diagram of hardware system

系統(tǒng)選擇支持Modbus通訊協(xié)議、具有RS-485輸出方式的傳感器來檢測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和土壤濕度,包括用于檢測混肥罐和施肥罐液位的6個(gè)量程為0～2m、精度為0.5%FS的星儀液位傳感器CYW11-L2-B3-RS-B-G(從站地址1-6),用于檢測管道出口壓力的1個(gè)量程為0～20kPa、精度為0.5%FS的星儀壓力傳感器CYW11-H-05-RS-14-B-G-D(從站地址7),用于檢測混肥罐中溶液pH值的2個(gè)量程為0～14pH、精度為±0.02pH的賽亞斯pH值傳感器OSA-14(從站地址8、9),用于檢測混肥罐中溶液EC值的2個(gè)量程為0～2000uS/cm、精度為1.0uS/cm的搜博EC值傳感器SM2130B-EC(從站地址10、11),用于檢測土壤濕度的4個(gè)量程為0～60%RH、精度為±2%的星儀土壤濕度傳感器CSF11-100-A1-B-G(從站地址12-15)。其硬件系統(tǒng)DO分配如表1所示。

表1 硬件系統(tǒng)DO分配表Table 1 The DO distribution table of hardware system

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 SMART 1000 IE V3觸摸屏軟件設(shè)計(jì)

觸摸屏的主要功能是與CPU相互配合,通過人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)水肥一體化系統(tǒng)的控制。文中采用西門子WinCC Flexible Smart V3完成觸摸屏程序的編寫,使用網(wǎng)線通過以太網(wǎng)口進(jìn)行程序下載。系統(tǒng)的觸摸屏人機(jī)交互界面包括開機(jī)界面、手動(dòng)控制界面、自動(dòng)控制界面、歷史數(shù)據(jù)界面和動(dòng)態(tài)監(jiān)控界面。歷史數(shù)據(jù)界面為用戶提供了1h內(nèi)的參數(shù)歷史曲線,用戶可以根據(jù)需要選擇1號(hào)或2號(hào)混肥罐的pH值和EC值進(jìn)行查詢;動(dòng)態(tài)監(jiān)控界面以圖形的形式反映系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況,包括罐內(nèi)液位、電磁閥狀態(tài)等,如圖3所示。不同的數(shù)據(jù)值和曲線由不同的傳感器采集,對(duì)應(yīng)PLC的不同數(shù)據(jù)地址,傳感器從站地址1～15分別對(duì)應(yīng)PLC的寄存器VW1000-VW2400。

圖3 動(dòng)態(tài)監(jiān)控界面Fig.3 Dynamic monitoring interface

3.2 S7-200 SMART PLC軟件設(shè)計(jì)

中采用西門子STEP7-MicroWINSMART完成PLC程序的編寫,使用網(wǎng)線通過以太網(wǎng)口進(jìn)行程序下載。

3.2.1 Modbus通訊設(shè)置

系統(tǒng)運(yùn)行主要依賴于傳感器采集的數(shù)據(jù)信息,因此控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)首先需要對(duì)Modbus通訊進(jìn)行設(shè)置,文中使用MBUS_CTRL程序和MBUS_MSG程序完成PLC與傳感器的通訊和數(shù)據(jù)傳送。MBUS_CTRL中EN為1時(shí)導(dǎo)通,通訊方式選擇Modbus通訊協(xié)議,波特率設(shè)置為9 600,奇偶校驗(yàn)位選擇無校驗(yàn)。MBUS_MSG中同樣是EN為1時(shí)導(dǎo)通,Slave從站地址分別設(shè)為1～15,RW位選擇讀取,將傳感器傳回的數(shù)據(jù)放置在VW1000-VW2400中。當(dāng)Error位返回?cái)?shù)據(jù)為0時(shí),說明傳感器與PLC之間通訊成功,此時(shí)傳感器數(shù)據(jù)被放置在所選擇的VW字節(jié)中。1號(hào)混肥罐液位傳感器通訊梯形圖程序如圖4所示。

圖4 傳感器通訊梯形圖程序Fig.4 The ladder program of sensor communication

3.2.2 灌溉水過濾子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

灌溉水三級(jí)過濾包括離心、砂石和疊片過濾,可有效去除水中雜質(zhì)。在系統(tǒng)完成灌溉施肥設(shè)置并開始運(yùn)行后,根據(jù)設(shè)置選擇使用1號(hào)或2號(hào)混肥罐進(jìn)行混肥。選擇1號(hào)混肥罐工作時(shí),當(dāng)VW1000寄存器中數(shù)據(jù)小于等于設(shè)定高水位VW2600時(shí),QO.O、Q0.2和Q8.4被置1,QO.4被置0;1號(hào)混肥罐三級(jí)過濾裝置啟動(dòng),灌溉水經(jīng)過濾后注入1號(hào)混肥罐中。當(dāng)在系統(tǒng)灌溉施肥完畢后,QO.O、Q0.2被置0,QO.4被置1,系統(tǒng)開始進(jìn)行過濾裝置的排污過程。

3.2.3 混肥子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

混肥子系統(tǒng)通過程序控制混肥過程,使肥料與灌溉水充分混合,并且通過程序調(diào)節(jié)水肥溶液的pH值和EC值。系統(tǒng)通過設(shè)置混肥罐中的液位來控制灌溉水注入量(以選擇1號(hào)混肥罐和1號(hào)施肥罐為例),當(dāng)VW1000寄存器中數(shù)據(jù)大于等于設(shè)定高水位VW2600后,Q8.4被置0,停止注水;一定時(shí)間后,Q1.6和Q8.0被置1,開始循環(huán)和攪拌。當(dāng)EC值傳感器VW1900中的數(shù)據(jù)符合VW4100中的EC設(shè)定值后,Q1.6和Q8.0被置0,循環(huán)和攪拌停止。此時(shí),若pH值傳感器VW1700中數(shù)據(jù)不符合VW4000中的pH設(shè)定值,Q8.2被置1,1號(hào)計(jì)量泵向該混肥罐中添加調(diào)節(jié)試劑; 當(dāng)VW1700中數(shù)據(jù)符合設(shè)定值后,混肥結(jié)束,Q8.5和Q12.2被置1,水肥溶液開始注入所選擇的施肥罐中;當(dāng)VW1000寄存器中數(shù)據(jù)小于等于設(shè)定低水位VW2500后,Q8.5和Q12.2被置0?；旆首酉到y(tǒng)攪拌程序梯形圖如圖5所示。

圖5 攪拌程序梯形圖Fig.5 The ladder program of stirring

3.2.4 施肥和反沖洗子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

選擇1號(hào)混肥罐和1號(hào)施肥罐,在施肥3袋和單次混肥2袋下進(jìn)行介紹。水肥溶液混合完成后Q12.2被置1,混合液注入施肥罐; 當(dāng)1號(hào)施肥罐液位值VW1200大于或等于設(shè)定施肥高水位后,Q8.1和Q12.3被置1,柱塞泵開始從1號(hào)施肥罐向末端滴灌裝置泵送水肥溶液;當(dāng)VW1200小于設(shè)定施肥低水位后,Q8.1被置0,停止柱塞,在第2次混肥完成后重復(fù)上述工作。因?yàn)槭┓蚀鼣?shù)是單次混肥袋數(shù)的2倍(進(jìn)位計(jì)數(shù)),所以施肥過程需要重復(fù)兩次。施肥完成后,注入過濾水完成反沖洗過程。

4 系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)

系統(tǒng)于2018年6月和2018年8月分別在河北省石家莊鑫農(nóng)機(jī)械有限公司的試驗(yàn)果園和河北省衡水市武邑縣的示范果園以不同的施肥制度進(jìn)行了運(yùn)行試驗(yàn),在灌溉施肥過程中對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了記錄。

2018年8月,對(duì)果樹施加氮肥時(shí),1號(hào)混肥罐中水肥溶液EC值調(diào)節(jié)如表2所示。其反映了在整個(gè)混肥過程中溶液EC值的調(diào)節(jié)變化,能夠在20min內(nèi)將水肥溶液的EC值穩(wěn)定在1 500uS/cm左右且完成混肥工作。1號(hào)混肥罐中水肥溶液pH值調(diào)節(jié)曲線如圖6所示。由圖6可知,系統(tǒng)能夠在20s內(nèi)將水肥溶液的pH值調(diào)節(jié)到7.0,符合果樹的生長環(huán)境要求。管道出口的壓力調(diào)節(jié)曲線如圖7所示。由圖7可知,系統(tǒng)能夠使設(shè)備在4kPa的壓力下運(yùn)行。多次試驗(yàn)結(jié)果表明:系統(tǒng)可以精準(zhǔn)調(diào)節(jié)水肥溶液的pH值和EC值,保證了系統(tǒng)的精準(zhǔn)、穩(wěn)定運(yùn)行, 滿足了果園作物的養(yǎng)分需求。

表2 混肥罐EC值調(diào)節(jié)表Table 2 The table of EC adjustment of mixing tank

圖6 混肥罐pH調(diào)節(jié)曲線Fig.6 The pH adjustment curve of mixing tank

圖7 管道壓力調(diào)節(jié)曲線Fig.7 The pressure adjustment curve of pipeline

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PLC的果園水肥一體化控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制和穩(wěn)定運(yùn)行,得出以下結(jié)論:

1)使用觸摸屏完成了人機(jī)交互界面設(shè)計(jì),操作簡單,功能強(qiáng)大,可以實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)和歷史信息,用戶可以便捷地制定灌溉施肥方案,掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

2)使用傳感器檢測混肥過程中pH值和EC值的變化,通過調(diào)節(jié)控制在20s內(nèi)實(shí)現(xiàn)了水肥溶液的pH值保持在7.0、在20min內(nèi)EC值保持在1 500μs/cm的目標(biāo),滿足了果園作物的養(yǎng)分和生長環(huán)境需求。

3)為防止設(shè)備管道堵塞,系統(tǒng)在施肥結(jié)束后會(huì)使用過濾水進(jìn)行反沖洗過程,保證了設(shè)備管道的暢通,對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行很有幫助。