基于PLC的精準變量施肥自動控制系統研究

楊軍+田敏+陳劍+呂新

摘要：針對國內施肥的精準度低、均勻性差、有效利用率低、環境污染等問題，文章設計了一套滴灌農田精準變量施肥自動控制系統。該系統采用變量施肥方式，通過PLC控制器來采集壓力、流量、電機轉速等信息，通過控制配肥電機、活塞和電磁閥改變系統實際施肥量，實現自動配比調節和變量施肥。試驗分析表明，該系統具有良好的控制精度，性能穩定可靠，可滿足農田精準施肥的需求，實用性好。

關鍵詞：自動控制；變量施肥；施肥裝置

精準變量施肥技術是一個重要的領域。對于農業生產來說，水肥科學控制關系到農業產品的品質和產量，一直以來都是國內外農業經營者、種植者和研究機構關注的焦點。國外對水肥控制技術研究的起步較早。以色列、美國、荷蘭、法國等國家在這方面都有很多成果。以色列是個水資源短缺的國家，研發了很多先進的節水技術。其中，先進的微灌技術應用帶動了以色列水肥灌溉的興起，該技術在溫室的優勢更為明顯，其基于精準變量控制的溫室水肥灌溉系統對水的最高利用率可以達到95%。AMIAD公司、NETAFIM公司等是以色列知名的水肥精準變量控制技術設備供應商。

我國在滴灌施肥研究與開發方面，多集中在設施農業的溫室大棚的自動化滴灌系統研制，開發了基于智能化管理和控制的灌溉施肥系統，并且得到了應用。徐飛鵬提出了適用于溫室大棚的分層分布式計算機控制灌溉施肥系統，實現了自動控制、定時控制、周期控制、手動控制4種不同灌溉控制方式為一體的自動控制灌溉與施肥系統；郭克珺研制開發了2YTF6型灌溉液體施肥施藥自動控制系統，可用于林業工廠化育苗、花卉、蔬菜和食用菌等設施灌溉施肥生產管理；楊萬龍研制開發了溫室滴灌施肥智能化控制系統，實現了自動與人工干預選擇型滴灌與施肥控制系統。國內學者利用單片機技術開發了自動灌溉施肥控制系統，通過硬件和軟件的優化組合，實現了滴灌系統中灌溉與施肥的精確控制和同步運行，并且適合我國農業溫室自動灌溉及施肥管理，但國內目前對于滴灌施肥裝置的深入研究都集中于設施農業，注肥流量小的滴灌施肥裝置控制系統的研究，研究成果雖然較多，但是大田實體應用較少，系統自動化程度也不是很高。因此，本文開發了一種基于PLC的滴灌農田精準變量控制施肥自動控制系統，并通過GSM無線通訊實現遠程數據傳輸，實現了施肥的現場精準控制與遠程GSM網絡連接，為大田基于PLC的精準施肥與遠程監控提供了一種新的技術手段。

1精準施肥裝置結構與控制功能設計

施肥裝置采用自主研發的發明專利，專利號：ZL201210151681.2，如圖1所示。

針對精準施肥裝置，開發出一套以PLC為核心的精準施肥自動控制系統，主要實現以下功能：

（1）控制功能。系統設有手動、自動控制方式。手動控制通過本地控制箱實現，即：首先電磁閥關閉，配肥箱電機打開，肥箱電機旋轉180度，施肥箱內的配肥裝置開始配肥，送料至配肥盒，直到料漏完為止，啟動電機使肥箱電機再旋轉180度，活塞電機向下，關閉配肥盒；電磁閥打開，水流通過，再關閉重復施肥。該方式主要用于初期調試和檢修時的控制。自動控制方式完全以PLC設定程序自動執行一系列操作，完成排水工作，不需要人為干涉，為正常投入使用后的常用模式。

（2）保護功能。系統具有故障自診斷功能，對供電電壓、電機等各項參數均設有狀態監測。當某項參數異常或超出設定值時，PLC判斷故障并報警，同時停止裝置運行，有效保護電機，以便于及時排除故障。

（3）實時顯示參數信息。采用西門子人機界面TD200實時顯示施肥時間、施肥量、施肥狀態等參數，同時為避免故障還可顯示報警信息。

（4）遠程通訊及監控功能。通過GSM與遠程監控中心相連，監控中心采用組態網自動化監控軟件建立綜合自動化網絡平臺，可實現遠程自動控制，實時顯示、記錄施肥裝置運行情況和相關參數，支持歷史數據查詢。

2自動控制系統

精準施肥自動控制系統主要由系統硬件和軟件2個部分組成，控制系統原理如圖2所示。

2.1硬件的選型與控制面板的設計

PLC選用西門子S7-200-224XP晶體管型，數字量共14點輸入，10點輸出，2路模擬量輸入，1路模擬量輸出。數字量輸入擴展模塊為EM 223型，4點輸入，4點輸出；開關電源為輸入120/230VAC，輸出24V/5ADC；顯示屏選擇SIEMENS TD200型，與PLC之間的通訊采用RS485口；配肥電機選擇110三相步進電機，最大力矩20N*M；電磁閥選用通徑32的二位二通膜片電磁閥，16公斤壓力；活塞電機選擇24V H200型直線推桿電機，功率20W，行程200mm；流量計選擇電磁流量計EMF5000，流速范圍：0.2～8m/s，輸出信號4～20mA.DC；顯示控制屏為西門子TD200。控制面板如圖3所示。

2.2軟件的設計

控制軟件的設計主要分為PLC控制程序和組態網絡監控軟件2個部分。

2.2.1 PLC控制程序設計

PLC程序設計采用STEP 7軟件中的梯形邏輯圖、功能塊圖和語句表進行編程。用梯形圖在STEP 7中進行順序控制程序編程。PLC上電起動后首先執行內部初始化，然后根據手動、自動控制的方式選擇，進入相應的程序流程。整個程序主要包括施肥裝置初始狀態檢測、正常啟停電機、電磁閥和故障報警故障停止等模塊，程序流程如圖4所示。

STEP 7軟件通過建立在線連接下載程序到PLC，以對編制好的程序進行調試，可實現程序的運行狀態監視、強制性數據變更和輸入輸出信號的強制開/關等，其中裝料梯形圖如圖5所示。

2.2.2組態系統網絡監控軟件

本系統網絡監控系統采用組態王開發。組態王是新型的工業自動控制系統，它以標準的工業計算機軟、硬件平臺構成的集成系統取代傳統的封閉式系統，具有適應性強、開放性好、易于擴展、經濟、開發周期短等優點。通常可以把這樣的系統劃分為控制層、監控層、管理層3個層次結構。其中監控層對下連接控制層，對上連接管理層，它不但實現對現場的實時監測與控制，且在自動控制系統中完成上傳下達、組態開發的重要作用。尤其考慮3個方面的問題：畫面、數據、動畫。通過對監控系統要求及實現功能的分析，采用組態王對監控系統進行設計。組態軟件也為試驗者提供了可視化監控畫面，有利于試驗者實時監控。

系統功能模塊如圖6所示。

根據系統功能要求，本系統主要有主操作、用戶配置、報警記錄、參數修改、歷史曲線、歷史數據等畫面，如圖7所示。

3結語

系統的測試表明施肥控制精度誤差范圍不超過5%，可靠穩定，實現了棉田定點、定時、定量施肥，增強了施肥的均勻性和精準性，極大地提高了施肥的科學性，提高了肥料的利用效率。總之，該系統的使用必將提高精準施肥自動化水平，對農業生產具有重要意義，滿足了棉田精準施肥的技術要求，節肥，增產，省工，減輕過量施肥造成面源污染的危害。