基于PLC的水肥一體化灌溉控制器設(shè)計(jì)

晁 陽，李培東，黃林剛

（1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電分院，陜西 楊凌712100；2.西安市科技交流中心，西安710000）

糧食安全是關(guān)系國民經(jīng)濟(jì)命脈的關(guān)鍵。施肥灌溉在農(nóng)作物生長(zhǎng)和農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收中扮演著重要角色［1］。水肥一體化灌溉是將灌溉與施肥合二為一的技術(shù)，配合滴灌技術(shù)對(duì)作物進(jìn)行灌溉和施肥，能夠?qū)崟r(shí)控制土壤濕度和肥力，起到節(jié)水、節(jié)肥的作用，極大滿足農(nóng)作物生長(zhǎng)需求［2］，促進(jìn)作物生長(zhǎng)和農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收。

國內(nèi)水肥一體化技術(shù)廣泛應(yīng)用于溫室蔬菜、果樹等設(shè)施化農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)中，對(duì)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)起到了積極的促進(jìn)作用。然而，市面上現(xiàn)有的水肥一體化設(shè)備成本昂貴、功能繁瑣，農(nóng)戶使用意愿不強(qiáng)。目前中國西北干旱半干旱地區(qū)農(nóng)戶仍普遍采用傳統(tǒng)粗放型灌溉模式，造成水資源浪費(fèi)、土壤養(yǎng)分失衡、肥料利用效率低下等問題［3-5］。因此，設(shè)計(jì)一種價(jià)格合理、使用方便、功能夠用、性能良好的水肥一體灌溉系統(tǒng)，可以極大改善中國西北地區(qū)中小型設(shè)施農(nóng)業(yè)普及和推廣的現(xiàn)狀［6］，增加中小型設(shè)施農(nóng)業(yè)種植戶的經(jīng)濟(jì)收益。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以三菱FX型整體式PLC為核心控制元件，以土壤濕度傳感器和土壤電導(dǎo)率傳感器為信息采集器件，以過濾器、灌溉泵、施肥泵等為執(zhí)行器件，以報(bào)警燈、蜂鳴器為報(bào)警裝置。系統(tǒng)包含灌溉和施肥灌溉2種功能，用三位轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行自動(dòng)模式、手動(dòng)模式、停止3種模式的切換［7］。

手動(dòng)模式主要用于系統(tǒng)停機(jī)檢修和維護(hù)調(diào)試，也可用于農(nóng)戶按照經(jīng)驗(yàn)對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行灌溉和施肥，當(dāng)系統(tǒng)處于手動(dòng)模式時(shí)，農(nóng)戶按下灌溉或施肥按鈕，對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作、顯示原件啟動(dòng)，提醒農(nóng)戶當(dāng)前系統(tǒng)正處于灌溉或施肥工作中。自動(dòng)模式主要用于系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，傳感器首先對(duì)土壤濕度和肥力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)［8，9］，當(dāng)土壤需要施肥時(shí)，系統(tǒng)對(duì)應(yīng)報(bào)警裝置啟動(dòng)并開啟灌溉施肥模式，施肥泵將事先配好的營養(yǎng)液引入管道，并通過滴灌設(shè)備對(duì)土壤進(jìn)行施肥灌溉，同時(shí)施肥指示燈點(diǎn)亮，提醒農(nóng)戶當(dāng)前處于施肥工作中；當(dāng)土壤肥力符合要求時(shí)，施肥灌溉模式停止，對(duì)應(yīng)指示燈熄滅；在施肥灌溉后，系統(tǒng)檢測(cè)土壤是否缺水，若此時(shí)土壤含水量已達(dá)到設(shè)定值，系統(tǒng)停止工作。若施肥灌溉后土壤含水量仍不能達(dá)到設(shè)定值，系統(tǒng)啟動(dòng)灌溉模式，驅(qū)動(dòng)灌溉泵運(yùn)行對(duì)作物進(jìn)行滴灌，同時(shí)對(duì)應(yīng)指示燈開啟，直至土壤含水量達(dá)標(biāo)后系統(tǒng)停止。系統(tǒng)也可對(duì)當(dāng)前土壤含水量進(jìn)行單獨(dú)檢測(cè)，當(dāng)傳感器檢測(cè)到土壤缺水時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出缺水報(bào)警，開啟灌溉模式，驅(qū)動(dòng)灌溉泵運(yùn)行將灌溉用水引入管道，對(duì)作物進(jìn)行滴灌，當(dāng)土壤含水量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，灌溉模式停止，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)作物的自動(dòng)灌溉、無人值守［9］。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器

系統(tǒng)核心控制器采用三菱FX2N-32MR型可編程序控制器（簡(jiǎn)稱PLC），該P(yáng)LC內(nèi)部有32點(diǎn)I/O接口、1～100 ms定時(shí)器256位、8K步EEPROM程序容量、128點(diǎn)16位數(shù)據(jù)寄存器，其結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定，具有較高的性價(jià)比。

2.2 傳感器

土壤濕度檢測(cè)主要采用土壤水分傳感器，其表面采用鍍鎳處理，導(dǎo)電性能高、耐腐蝕性強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、功耗低、測(cè)量精度高，可以在較寬的范圍內(nèi)測(cè)量土壤濕度，可通過電位器調(diào)節(jié)響應(yīng)閥值，滿足大多數(shù)農(nóng)產(chǎn)品種植場(chǎng)景的需求。

PR-3000-ECH-I20型土壤電導(dǎo)率傳感器通過測(cè)量土壤中介電常數(shù)，檢測(cè)土壤水分及氮、磷、鉀等鹽離子電導(dǎo)率，輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA電流，其電極采用特殊處理的合金材料，可承受較強(qiáng)的外力沖擊，探針式設(shè)計(jì)保證測(cè)量精度檢測(cè)。

2.3 滴灌管路及報(bào)警系統(tǒng)

滴灌系統(tǒng)采用2臺(tái)潛水泵作為動(dòng)力原件，潛水泵的啟停由中間繼電器控制，中間繼電器接收PLC輸出信號(hào)進(jìn)行開啟或關(guān)閉。滴灌管路布設(shè)應(yīng)根據(jù)所栽培作物的株間距合理安排，采用聚丙烯插入式滴水器插入作物根部附近較深位置，并合理調(diào)節(jié)水滴速度。

報(bào)警和模式指示系統(tǒng)采用蜂鳴器、指示燈元器件完成。當(dāng)土壤缺水或缺肥時(shí)對(duì)應(yīng)指示燈閃爍、蜂鳴器報(bào)警，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行灌溉或施肥灌溉工作時(shí)，報(bào)警指示燈熄滅，對(duì)應(yīng)工作指示燈點(diǎn)亮。

2.4 I/O分配點(diǎn)

根據(jù)系統(tǒng)功能需要，綜合日后功能擴(kuò)展應(yīng)留有適當(dāng)余量，選擇三菱FX2N-32M型PLC，確定1個(gè)數(shù)字量輸入、5個(gè)數(shù)字量輸出、土壤濕度傳感器和土壤電導(dǎo)率傳感器所采集的信息為模擬量數(shù)據(jù)，因此需要加掛FX0N-3A型模擬量模塊2個(gè)，讀取4～20 mA電流信號(hào)，分配PLC的I/O點(diǎn)如表1所示。

表1 PLC的I/O分配點(diǎn)

2.5 電氣接線

考慮到設(shè)備功能異常等特殊原因，手動(dòng)控制時(shí)信號(hào)不再經(jīng)過PLC運(yùn)算，使用按鈕、繼電器等常規(guī)控制方法進(jìn)行手動(dòng)控制。由于PLC輸出功率有限，而外部負(fù)載功率需要根據(jù)外部環(huán)境確定且工作時(shí)長(zhǎng)不確定，若用PLC直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載容易將對(duì)應(yīng)的輸出點(diǎn)擊穿，采用中間繼電器進(jìn)行逐級(jí)功率放大，系統(tǒng)電氣接線如圖2所示。

2.6 中央控制柜

圖2 電氣接線

結(jié)合溫室大棚控制室空間，綜合考慮結(jié)構(gòu)緊湊、功能完備等因素，中央控制柜如圖3所示。當(dāng)電源上電后，綠色指示燈點(diǎn)亮；當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，綠色指示燈熄滅，紅色指示燈點(diǎn)亮；用戶轉(zhuǎn)動(dòng)三位旋轉(zhuǎn)開關(guān)進(jìn)行模式切換時(shí)，對(duì)應(yīng)的模式指示燈點(diǎn)亮；當(dāng)土壤缺水或缺肥時(shí)，蜂鳴器響起，同時(shí)對(duì)應(yīng)的黃色指示燈閃爍。系統(tǒng)處于灌溉或施肥灌溉時(shí)，對(duì)應(yīng)的指示燈點(diǎn)亮。手動(dòng)控制時(shí)，單獨(dú)啟動(dòng)施肥或灌溉施肥功能也可將對(duì)應(yīng)的指示燈點(diǎn)亮。

圖3 中央控制柜布局

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分為停止、手動(dòng)、自動(dòng)3種運(yùn)行模式。手動(dòng)模式用于系統(tǒng)安裝、調(diào)試、維護(hù)檢修及作物特定狀態(tài)下的灌溉。在手動(dòng)模式中，工作人員先將轉(zhuǎn)換開關(guān)旋轉(zhuǎn)至手動(dòng)模式，之后按下灌溉啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)將進(jìn)行灌溉動(dòng)作；按下灌溉施肥按鈕，系統(tǒng)將進(jìn)行灌溉施肥動(dòng)作，直至操作人員按下停止按鈕，系統(tǒng)停止動(dòng)作，灌溉或灌溉施肥動(dòng)作停止。在自動(dòng)模式中，工作人員只需將轉(zhuǎn)換開關(guān)旋轉(zhuǎn)至自動(dòng)模式，系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化動(dòng)作，之后土壤電導(dǎo)率傳感器將自動(dòng)檢測(cè)土壤肥力，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳送給PLC的輸入端，PLC將該電信號(hào)不斷與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，若土壤肥力在設(shè)定值上下限之內(nèi)，系統(tǒng)進(jìn)行下一步，對(duì)土壤濕度進(jìn)行檢測(cè)，若土壤濕度也在設(shè)定值上下限之內(nèi)，系統(tǒng)返回初始值并進(jìn)行下一周期工作；若土壤肥力低于設(shè)定的下限值時(shí)，對(duì)應(yīng)的報(bào)警系統(tǒng)動(dòng)作，提示工作人員土壤處于缺肥模式，同時(shí)系統(tǒng)開啟施肥灌溉模式，直至土壤肥力達(dá)到設(shè)定上限值，施肥灌溉模式停止，報(bào)警系統(tǒng)停止動(dòng)作；之后系統(tǒng)進(jìn)行下一步工作，通過土壤濕度傳感器檢測(cè)土壤干濕度，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳入PLC，此時(shí)控制器將該電信號(hào)與設(shè)定值不斷進(jìn)行比較，若土壤濕度數(shù)值在預(yù)先設(shè)定的上下限閥值區(qū)間內(nèi)，系統(tǒng)返回初始化并重新檢測(cè)，若土壤濕度或土壤電導(dǎo)率低于設(shè)定下限值，對(duì)應(yīng)的報(bào)警系統(tǒng)動(dòng)作，同時(shí)系統(tǒng)將開啟灌溉模式，直至土壤濕度達(dá)到設(shè)定上限值，系統(tǒng)工作結(jié)束。系統(tǒng)流程如圖4所示。

4 實(shí)例試驗(yàn)

圖4 系統(tǒng)流程

選擇楊凌農(nóng)業(yè)示范區(qū)一座番茄種植大棚對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性、有效性及精度是否滿足要求進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。測(cè)試方法為使系統(tǒng)運(yùn)行在自動(dòng)模式下，同時(shí)用移動(dòng)式工具測(cè)量土壤濕度及電導(dǎo)率，檢測(cè)和對(duì)比系統(tǒng)誤差，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，該系統(tǒng)對(duì)土壤濕度及電導(dǎo)率的測(cè)量與實(shí)際測(cè)量誤差極小，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

5 小結(jié)

該研究設(shè)計(jì)的水肥一體灌溉系統(tǒng)以PLC為核心控制器，將傳感技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等科學(xué)技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合，有效提高了設(shè)施農(nóng)業(yè)種植灌溉的肥水使用效率，制作開發(fā)周期較短，功能夠用、價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)便，能夠滿足中小型設(shè)施農(nóng)業(yè)種植灌溉的自動(dòng)控制和無人值守，經(jīng)過樣機(jī)制作和測(cè)試檢驗(yàn)，系統(tǒng)運(yùn)行較為穩(wěn)定，具有廣闊的推廣價(jià)值。

表2 土壤濕度與電導(dǎo)率測(cè)試數(shù)據(jù)