水肥一體化灌溉監(jiān)控系統(tǒng)設計與應用

吳海龍，陶君怡，王 璐

（揚州大學 電氣與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225127）

近年來，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉技術發(fā)展速度加快，但由于缺乏專業(yè)的灌溉技術，使得水資源愈加短缺，沒有合理安排施肥的時間和次數(shù)，導致了水肥資源的浪費以及生態(tài)環(huán)境的惡化。全國農(nóng)作物需求的水肥量大，為了節(jié)約水資源和肥料資源，應該大力發(fā)展節(jié)能灌溉技術。現(xiàn)在我國農(nóng)作物灌溉的主要問題包括以下三點：其一，只靠農(nóng)民的生產(chǎn)勞作經(jīng)驗，灌溉精度不準確；其二，基本依靠人工灌溉，農(nóng)作物需求的水、肥料量得不到滿足，會出現(xiàn)肥料不夠的情況；其三，無法確定農(nóng)作物最佳需水量加以灌溉，從而盡量用比較少的水來取得更高的經(jīng)濟效益。因此我們需要一個能夠監(jiān)控農(nóng)作物生長、土壤pH 值的智能灌溉系統(tǒng)來解決農(nóng)業(yè)灌溉問題。

本文設計了一個智能化水肥灌溉一體化監(jiān)控系統(tǒng)，通過WinCC 系統(tǒng)可以觀察到傳感器實時采集到的土壤EC/pH 值和外部水壓情況，利用傳感器將土壤和水壓變化傳輸?shù)絇LC，經(jīng)過PLC 處理分析，控制肥料罐電磁閥開啟以及水泵的啟停。該系統(tǒng)可以有效改善傳統(tǒng)灌溉與施肥模式的不足，實現(xiàn)灌溉的信息化和智能化，提升了水肥利用率，節(jié)約了水資源，對促進現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展和智能化灌溉的推進有著重要的意義。

1 灌溉監(jiān)控系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)由WinCC 觸摸屏、變頻器、PLC、模擬量輸入輸出模塊、變頻器、水泵、電磁閥等組成。液位計、流量計、壓力傳感器、EC/pH 等傳感器將檢測到的數(shù)據(jù)上傳到PLC擴展模塊（模擬量輸入輸出模塊）上，再通過MODBUS 反應到WinCC 屏幕上，可以在WinCC 屏幕上實時觀察到這些數(shù)據(jù)。PLC 根據(jù)程序運行檢測到流量計傳輸過來的數(shù)據(jù)來控制水泵啟停，根據(jù)EC/pH 傳感器的值來控制四個肥料桶的施肥比例。在PLC 控制器的內(nèi)部由PID 控制模塊進行PID 運算，以此得到PID 輸入設定值a，當設定值與實際值不同的時候，PLC 進行PID 運算輸出模擬量給變頻器，改變變頻器的頻率，根據(jù)頻率調節(jié)EC/pH 值。水肥一體化施肥系統(tǒng)示意圖如圖1 所示。

圖1 水肥一體化施肥系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)運行的時候，水泵啟動，自動閥門至少打開一個。施肥管道的壓力應當與注水管道的壓力相等，將壓力傳感器采集到的壓力值傳輸?shù)絇LC；液位計測量四個肥料桶剩余的肥料，并提醒工作人員進行補充；流量計檢測施肥流量的大小，通過PLC 內(nèi)部的PID 運算達到想要的EC/pH 值。控制系統(tǒng)流程如圖2 所示。

2 硬件設計

控制系統(tǒng)硬件包括1 臺西門子SMART 1000 IE V3觸摸屏、1 臺西門子Smart 200PLC、1 只模擬量輸入輸出模塊。西門子SMART 1000 IE V3 觸摸屏支持遠程通信功能，采用MODBUS 通信，具有很強的電磁抗干擾能力。在通信方面，西門子Smart 200PLC 與西門子SMART 1000 IE V3 觸摸屏之間使用RS485 通信串口連接，西門子Smart 200PLC 和模擬量輸入輸出模塊通過模塊拓展口連接。西門子Smart 200PLC 在工作時，需外接220V交流電壓，觸摸屏和模擬量輸入輸出模塊由DC24V 電源提供工作電壓。模擬量輸入輸出的模數(shù)轉換模塊中的需選擇通道，分別與電磁流量傳感器與液位傳感器相連，PLC 的輸出端口與變頻電機相連。其硬件系統(tǒng)I/O 分配如圖3 所示。

3 軟件設計

3.1 觸摸屏設計

觸摸屏與PLC 通過相同的網(wǎng)絡地址相連接，用于人機交互，在觸摸屏上可以檢測到實時的流量數(shù)據(jù)、pH 值等，完成水肥一體化的監(jiān)控和控制。采用WinCC flexible SMART V3 來完成觸摸屏的程序編寫和遠程監(jiān)控界面的布局。通過觸摸屏可以遠程監(jiān)控并控制農(nóng)作物生長需要的肥料和水資源的灌溉。

圖2 控制系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)的觸摸屏人機交互界面包括開機界面、手自動控制界面、歷史數(shù)據(jù)界面和監(jiān)控界面。監(jiān)控界面主要以圖形和重要參數(shù)形式反映系統(tǒng)的實時運行狀況，包括罐體液位、流量大小及壓力區(qū)間等，整套系統(tǒng)控制如圖4 所示。

WinCC flexible SMART V3 軟件是一款由西門子推出的人機交互平臺搭建的編程軟件，用來完成觸摸屏界面程序的編寫。監(jiān)控界面里的參數(shù)包含了pH 值、EC 值、壓力值、流量等數(shù)據(jù)，還有歷史的施肥數(shù)據(jù)。

3.2 西門子Smart 200PLC 設計

采用STEP 7-MicroWIN SMART 編程軟件來完成PLC 程序的編寫，使用RS485 通訊網(wǎng)線下載控制程序。

3.2.1 通信設計

傳感器將采集過來的數(shù)據(jù)利用模擬量輸入輸出模塊進行傳輸。傳感器輸出信號為0-10V 的電壓信號或4～20mA 的電流信號，通過模擬量輸入輸出模塊進行數(shù)模轉換后傳送到PLC。本設計采用的是模擬量模塊為EMAM06 模塊，4 路模擬量輸入，兩路數(shù)字量輸出。系統(tǒng)部分模擬量通信程序如圖5 所示。

3.2.2 施肥系統(tǒng)PID 控制

在STEP 7-MicroWIN SMART 編程軟件中，有專門的PID 控制子程序的庫文件，通過PID 控制面板設置所需要的參數(shù)，啟動后可以自動進行PID 調節(jié)，PLC 運算出合適的增益、積分、微分。在施肥桶進行施肥的時候設定施肥桶的施肥頻率，流量傳感器將測出的流量傳送到變送器，變送器進行信號轉換，0-10V 的電壓信號或4～20mA 的電流信號，模擬量輸入輸出模塊將電壓電流信號轉換成數(shù)字信號，進而對變頻器進行控制，實現(xiàn)施肥的閉環(huán)控制。

圖3 輸入輸出地址分配

圖4 水肥一體化監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控界面圖

4 結束語

作為農(nóng)業(yè)大國，我國的水資源和肥料的消耗量較大，水肥一體化灌溉監(jiān)控系統(tǒng)與傳統(tǒng)的灌溉施肥手段相比，利用率高，自動化程度高，可以減少資源浪費，按照農(nóng)作物的生長需求進行灌溉，有利于作物對水肥的吸收，提升了農(nóng)業(yè)水肥利用效率。在新時代農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展過程中，必須堅持可持續(xù)發(fā)展，在帶來農(nóng)作物收益的同時，要關注資源的合理利用以及環(huán)境保護等問題。發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)，加快推進現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)社會建設。需要繼續(xù)將科學技術跟現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)發(fā)展結合，著力推進農(nóng)業(yè)資源利用節(jié)約化，從而加快我國從農(nóng)業(yè)大國轉變?yōu)檗r(nóng)業(yè)強國的進程。

圖5 傳感器1 通信程序圖