基于PLC的室內(nèi)漢麻育種自動(dòng)滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

張治國(guó)，朱 浩，王曉楠，趙 越

(黑龍江省科學(xué)院大慶分院，黑龍江 大慶 163319)

我國(guó)北方冬季室外氣溫較低，漢麻育種工作在室內(nèi)開(kāi)展可縮短育種周期，提高時(shí)間利用率。室內(nèi)育種大多采用人工澆水方式進(jìn)行灌溉，隨意性較大，缺乏可靠的數(shù)據(jù)支撐，可能造成土壤水分過(guò)澇或過(guò)旱，影響漢麻生長(zhǎng)品質(zhì)，也可能會(huì)影響科研數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。滴灌技術(shù)是將具有一定壓力的水通過(guò)主管、分管和出水管道或滴頭，以水滴形式緩慢而均勻地滴入植物根部附近土壤的一種灌水方法。將滴灌技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)相結(jié)合，服務(wù)于漢麻室內(nèi)育種，不僅能提供精準(zhǔn)的土壤水分含量，減少人力勞動(dòng)投入，還可提高水資源利用率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由土壤水分含量采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及比較運(yùn)算、蓄水槽自動(dòng)上水、自動(dòng)滴灌、上位機(jī)軟件等組成。系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)主要包括控制單元PLC及其電路、土壤水分含量傳感器、蓄水槽、水位檢測(cè)開(kāi)關(guān)、溢水檢測(cè)開(kāi)關(guān)、電磁閥、潛水泵、滴灌配件等。PLC通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)培養(yǎng)盆內(nèi)水分含量的數(shù)值變化及蓄水槽水位情況，通過(guò)驅(qū)動(dòng)滴灌泵和電磁閥進(jìn)行補(bǔ)水、滴灌操作。

設(shè)計(jì)采用PLC作為核心控制單元，是一種通用的工業(yè)控制器，具有可靠性高、使用方便靈活、控制精度高、控制功能完善等特點(diǎn)，對(duì)全部功能設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)籌與內(nèi)部程序進(jìn)行控制。控制單元選用三菱FX3U系列小型PLC，主要控制功能包括開(kāi)關(guān)量的輸入輸出、RS-485數(shù)據(jù)通信采集和上位機(jī)軟件通信等。三菱FX3U系列PLC可配置RS-485通信卡，與土壤水分含量傳感器通信，PLC編程接口與上位機(jī)軟件通信，上位機(jī)軟件對(duì)土壤水分含量值進(jìn)行顯示并記錄保存，可記錄查看土壤水分含量歷史趨勢(shì)曲線。開(kāi)關(guān)量輸入用于檢測(cè)蓄水槽高低水位信號(hào)，開(kāi)關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)進(jìn)水電磁閥、潛水泵及滴灌電磁閥等設(shè)備。

PLC與土壤水分傳感器采用RS-485協(xié)議進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，通過(guò)PLC內(nèi)部程序完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理，將土壤水分含量值與設(shè)定值相比較，需啟動(dòng)滴灌時(shí)，PLC驅(qū)動(dòng)滴灌泵進(jìn)行抽水滴灌，達(dá)到設(shè)定值上限后停止滴灌，實(shí)現(xiàn)漢麻室內(nèi)育種自動(dòng)滴灌系統(tǒng)的功能。

2 自動(dòng)蓄水功能

蓄水槽的主要作用是防止自來(lái)水直接滴灌，因其溫度較低，氯元素含量高，會(huì)對(duì)盆內(nèi)漢麻生長(zhǎng)環(huán)境造成影響。如圖1所示，自來(lái)水管安裝電磁閥，由PLC進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，當(dāng)蓄水槽內(nèi)水位不足時(shí)，觸發(fā)浮球的低水位開(kāi)關(guān)信號(hào)，反饋至PLC后驅(qū)動(dòng)電磁閥，水龍頭處于常開(kāi)狀態(tài)，水流不斷注入蓄水槽內(nèi)。當(dāng)水位上升到高位時(shí)，觸發(fā)浮球的高水位開(kāi)關(guān)信號(hào)，PLC關(guān)閉進(jìn)水電磁閥，停止注水，實(shí)現(xiàn)了水槽的自動(dòng)蓄水功能。在水槽上部安裝溢水檢測(cè)開(kāi)關(guān)，如果注水時(shí)浮球的高水位開(kāi)關(guān)信號(hào)異?；驌p壞，致使PLC不能及時(shí)關(guān)閉進(jìn)水電磁閥，水位上升到觸發(fā)溢水開(kāi)關(guān)信號(hào)時(shí)，程序設(shè)置延遲3 s后關(guān)閉電磁閥，實(shí)現(xiàn)防止溢水的保護(hù)功能。3 s的延遲設(shè)計(jì)是為了避免水位波動(dòng)，防止頻繁驅(qū)動(dòng)進(jìn)水電磁閥的防抖功能。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of the system

3 土壤水分含量傳感器

土壤水分含量傳感器作為系統(tǒng)的關(guān)鍵組成之一，型號(hào)選擇應(yīng)保證具有較高的可靠性及準(zhǔn)確性，本設(shè)計(jì)采用型號(hào)為RS-WS-N01-TR的傳感器，該傳感器具有IP68等級(jí)防護(hù)外殼，防水、耐鹽堿、防腐蝕，供電為DC4.5～30 V寬泛電壓，水分含量測(cè)量范圍0～100%RH，測(cè)量分辨率為0.1%RH。安裝方式為可直接插入土壤，也可預(yù)埋到需要測(cè)量的土層。

土壤水分含量傳感器的安裝應(yīng)選定合適的測(cè)量位置，避開(kāi)堅(jiān)硬物體，在快速測(cè)量時(shí)將傳感器用手握緊，垂直插入土壤中，插入時(shí)注意不要左右搖擺，小范圍土壤測(cè)量建議多次測(cè)量，求取平均值。埋地測(cè)量時(shí)，播種前將土壤垂直挖大約20 cm的坑，將傳感器鋼針?biāo)讲迦肟觾?nèi)并填埋壓實(shí)，待土壤松軟度穩(wěn)定后，即可進(jìn)行連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量與記錄。測(cè)量時(shí)要保證土壤水分的測(cè)量精準(zhǔn)，采樣土壤直徑應(yīng)大于7 cm，高度大于7 cm。

圖2 蓄水槽結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of water storage tank structure

4 自動(dòng)滴灌功能

選用潛水泵作為滴灌泵，置于蓄水槽內(nèi)，選用防腐蝕類型泵體，普通材質(zhì)的潛水泵長(zhǎng)期浸入水中會(huì)生銹，鐵銹極易堵塞滴灌管路，致使滴灌不通暢或不能滴灌。

滴灌管路如圖3所示，由PVC管作為主管道，安裝三通接頭及手動(dòng)球閥連接分支管路，分支管路采用25PE管，安裝8L穩(wěn)定器進(jìn)行穩(wěn)流，穩(wěn)定器上插入1出4分流器，分流器的4個(gè)分支插接彎鉤滴箭，并分別插入盆內(nèi)土壤中，構(gòu)成滴灌管路。

圖3 滴灌管路示意圖Fig.3 Schematic diagram of drip irrigation pipeline

PLC與土壤水分含量傳感器進(jìn)行RS-485通信，實(shí)時(shí)讀取土壤水分含量數(shù)據(jù)，通過(guò)PLC軟件編程轉(zhuǎn)換為土壤水分含量值，與設(shè)定范圍值進(jìn)行比較，判斷是否啟動(dòng)滴灌泵進(jìn)行滴灌操作。當(dāng)土壤水分含量值低于設(shè)定范圍值時(shí)，啟動(dòng)滴灌泵進(jìn)行滴灌。隨著滴灌的進(jìn)行，土壤水分含量值不斷上升，達(dá)到設(shè)定值上限時(shí)，停止滴灌。

實(shí)際測(cè)試中，滴灌數(shù)次發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)盆內(nèi)水分含量總是過(guò)大或溢出盆內(nèi)，雖然滴灌時(shí)達(dá)到預(yù)設(shè)值后，滴灌泵處于停止?fàn)顟B(tài)，但實(shí)際整個(gè)滴灌管路形成虹吸原理，水槽內(nèi)的水會(huì)不停地流入盆內(nèi)，導(dǎo)致培養(yǎng)盆內(nèi)水分含量過(guò)大或溢水。因此，在潛水泵出口后方安裝電磁閥，停止滴灌后，將滴灌管道同時(shí)關(guān)閉，可有效解決該問(wèn)題。

5 試驗(yàn)與分析

上位機(jī)組態(tài)軟件與PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，組態(tài)軟件具有實(shí)時(shí)畫(huà)面顯示、歷史曲線記錄與查看、數(shù)據(jù)報(bào)表查詢打印等功能。圖4為截取部分土壤水分含量的歷時(shí)曲線，數(shù)據(jù)記錄周期為1 min。

圖4 歷史趨勢(shì)曲線圖Fig.4 Historical trend graph

對(duì)60盆漢麻進(jìn)行實(shí)際滴灌測(cè)試，根據(jù)實(shí)際需求設(shè)定盆內(nèi)土壤水分含量值25%RH，PLC程序編寫(xiě)設(shè)定值±2%RH為土壤水分含量上下限，當(dāng)土壤水分含量下降到23%RH時(shí)，啟動(dòng)滴灌系統(tǒng)補(bǔ)水，當(dāng)土壤水分含量達(dá)到27%RH時(shí)停止滴灌，通過(guò)截取部分趨勢(shì)曲線和水分含量監(jiān)測(cè)表格可以看出，盆內(nèi)的水分含量在達(dá)到上限值后仍會(huì)繼續(xù)增大，幾分鐘后，待土壤中水分均勻后，土壤水分含量值緩慢減小并趨于穩(wěn)定。

表1 水分含量監(jiān)測(cè)表Tab.1 Moisture content monitoring

6 存在的問(wèn)題與分析

系統(tǒng)完成硬件安裝及軟件調(diào)試后，進(jìn)入實(shí)際運(yùn)行測(cè)試階段，發(fā)現(xiàn)若干問(wèn)題，對(duì)此提出解決方案如下：系統(tǒng)出現(xiàn)培養(yǎng)盆內(nèi)水分含量過(guò)大及溢水情況，根據(jù)分析，停止滴灌后，滴灌管路出現(xiàn)虹吸現(xiàn)象，水槽內(nèi)的水不斷流入培養(yǎng)盆內(nèi)。解決方案是在滴灌泵出口后方安裝電磁閥，停止滴灌后，及時(shí)關(guān)閉滴灌管路。由于水質(zhì)及蓄水槽污染，造成滴灌不通暢現(xiàn)象。由于水質(zhì)原因，蓄水槽內(nèi)產(chǎn)生水垢，應(yīng)經(jīng)常清洗蓄水槽，防止產(chǎn)生水垢；也可更換較粗的滴箭，使水流能更順暢的流入培養(yǎng)盆內(nèi)。另外，蓄水槽應(yīng)蓋好蓋子，防止水槽內(nèi)的水被二次污染。單點(diǎn)的土壤水分含量數(shù)據(jù)采集可能造成其他培養(yǎng)盆內(nèi)水分含量與被測(cè)盆內(nèi)的水分含量存在差異，應(yīng)多加幾個(gè)水分含量傳感器，采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值處理運(yùn)算，這樣可有效提高滴灌系統(tǒng)的精準(zhǔn)度。

7 結(jié)語(yǔ)

提出基于PLC漢麻室內(nèi)育種自動(dòng)滴灌系統(tǒng)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的軟件、硬件系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)漢麻進(jìn)行實(shí)際滴灌測(cè)試，經(jīng)過(guò)數(shù)月的測(cè)試分析和不斷的完善系統(tǒng)，土壤水分含量的控制可滿足漢麻室內(nèi)育種需求，代替人工進(jìn)行澆水，并具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，可更好地為漢麻室內(nèi)育種提供可靠的數(shù)據(jù)。自動(dòng)化技術(shù)與滴灌技術(shù)相結(jié)合，可精準(zhǔn)有效地控制植物所需水分含量值，提高水資源利用率，減少人力勞動(dòng)投入。隨著自動(dòng)化技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)滴灌控制系統(tǒng)將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。