基于PLC的柑橘根部灌溉施肥控制系統的設計與研究

曾文果+蔣世雨+張永磊

摘要 本文介紹了一種基于可編程控制器（PLC）設計的柑橘根部灌溉施肥控制系統。該系統通過土壤濕度傳感器檢測高、中、低位的柑橘根部土壤含水量，可以實現全自動的根部灌溉和施肥，同時具有手動灌溉模式，能夠單獨控制各塊試驗地的灌溉施肥。該系統采用控制面板和HMI實現控制，具有簡單、可靠等特點。

關鍵詞 PLC；柑橘根灌；灌溉施肥控制系統；設計；I/O分配；控制面板

中圖分類號 S232.3 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）23-0295-03

云南玉溪華寧得天獨厚的天然溫室氣候決定了柑橘早熟，而早熟的優勢決定了市場競爭優勢。柑橘生產用水量大，傳統灌溉方法容易造成水資源浪費，例如水沿土壤表面流失，水因蒸發而損失，水浸濕土壤表層的無效灌溉損失。通常只有10%的水能夠到達作物根部，90%以上的水無法被根部吸收，屬于無效灌溉。自動化農作物根部節水灌溉系統高效節水節肥可直接將水、肥導入植物的根系土層，避免地表蒸發，提高水肥利用率；能根據作物存活的最低需水量，在旱季定時、定量地控制灌溉，可最大限度地節水。本文介紹的柑橘根部灌溉施肥系統是基于PLC的柑橘根部灌溉施肥手自動一體化控制設計[1-2]，是電氣控制與柑橘根部灌溉施肥農藝的結合，能夠通過對土壤濕度傳感器、雨量計、流量計、電磁閥、增壓泵等設備的實時監測控制，實現精確農業灌溉施肥作業的遠程自動控制。

1 系統控制要求

本系統通過對大樹、小樹各3個試驗區，共計6個試驗區采取不同澆水施肥方式；其中大樹1號地、小樹1號地采取自動水肥一體的方法；大樹2號地、小樹2號地采取自動澆水的方法；大樹3號地、小樹3號地采取人工水肥的方法。開展6種不同處理的田間對比試驗[3]。系統控制流程如圖1所示。控制模式分為自動控制、手動控制、3號地澆水3種控制模式，自動控制與手動控制用轉換開關控制，選中一種模式，另一種模式立即失效。3號地澆水與自動控制模式中的2號地自動澆水互鎖，自動控制模式中，1號地半自動施肥與1號地自動澆水互鎖，若降雨達到一定量，系統會自動停止灌溉，待雨停再檢測土壤濕度判斷是否繼續灌溉[4]。該系統可單獨手動控制各電機的運行以及各電磁閥的通斷。

2 控制系統的總體設計

采用三菱FX31-128M2/ES可編程控制器為控制核心，工作電壓220 V，同時可擴展A/D、D/A模塊。雨量計、土壤濕度傳感器、水位傳感器等根據實際配置。輸出設備為增壓泵、攪拌電機、電磁閥、信號燈等設備。系統總體設計見圖2。

2.1 I/O配置

此系統采用的是三菱FX31-128M2/ES，輸入64點（X00—X77），輸出64點（Y00—Y77）。輸入信號由11個按鈕、12個轉換開關、11個傳感器提供，除了濕度傳感器信號為模擬信號經A/D擴展模塊輸入，其他的均為數字信號輸入。輸出信號包含3個電機、5個電磁閥、41個指示燈。部分I/O分配如表1所示。

2.2 控制面板設計

本系統采用簡單易懂的控制面板進行設計。該控制面板分為自動部分、手動部分、指示燈部分。自動部分又分為1號地自動澆水施肥區和2號、3號地澆水區。當轉換到自動檔時，手動控制區域失效，系統按選擇的自動模式澆水施肥；當轉到手動檔時，自動部分失效，可以自主選擇澆水地塊和澆水施肥方式，并可以單獨控制電機和電磁閥的通斷，當系統遇到故障時報警指示燈閃爍，可按下緊停按鈕停止灌溉。控制面板設計如圖3所示。

2.3 初始化程序

本系統采用步進梯形圖編寫，初始化程序如圖4所示。系統啟動，轉換開關撥到手動檔（X14接通），PLC跳轉到手動程序運行。轉換開關打到自動動檔（X13接通），PLC跳轉到自動程序運行。按下1號地自動澆水按鈕（X5接通），1號地開始自動澆水；按下1號地自動施肥按鈕（X4），1號地開始自動施肥；按下2號地自動澆水按鈕（X6），2號地開始自動澆水。

2.4 手動控制程序

程序初始化后，轉換開關撥到手動檔（X14接通），程序跳到S0執行。部分手動程序如圖5所示。手動控制模式下，可選擇澆水模式或施肥模式；選中澆水模式，則系統進入手動控制澆水狀態，選中施肥模式，則系統進入手動控制施肥狀態。以1號地澆水為例說明：轉換開關撥到手動檔（X14接通），手動指示燈亮，手動澆水施肥開關撥到澆水檔（X15接通），手動施肥指示燈亮，按下1號澆水啟動按鈕（X2接通），1號地電磁閥指示燈亮，1號地開始澆水。

2.5 自動控制程序

自動控制程序以1號地自動澆水施肥為例。如圖6：系統啟動，控制模式切換至自動模式，當啟動自動澆水按鈕或者自動施肥按鈕時，自動程序開始。當雨量傳感器無信號，報警信號燈正常，轉換開關位于自動，滿足自動運行條件時，程序向下運行分支。1號地自動澆水施肥和2號地自動澆水可以同時運行。自動澆水施肥程序有3種模式，即模式一（淺水模式），模式二（中水模式），模式三（深水模式）。這3種模式用來適應柑橘各個生長階段所需要的澆水施肥量。M202、M210、M214分別為1號地土壤濕度傳感器淺、中、深信號經A/D擴展模塊轉化處理后得到的缺水信號，當相應模式下檢測到土壤濕度低于設定值時，系統便開始自動澆水施肥；當深層土壤濕度傳感器有信號時（M216）便停止澆水。

3 拓展研究

3.1 柑橘生長數據采集處理

基于本柑橘根部灌溉施肥控制系統，可以進行更深一步的研究，可通過對澆水施肥數據的采集和柑橘果樹生長過程數據的監測采集尋找最佳的節水灌溉施肥量[5-6]，通過精確控制柑橘的根部灌溉施肥量來加快柑橘的成熟，提高柑橘的產量和品質。

3.2 PLC與上位機遠程連接實現動態數據采集

目前該控制系統僅實現本地控制柑橘根部灌溉施肥和相關的數據采集，可以進一步研究通過GPRS或互聯網將PLC和上位機連接，遠程實時控制PLC和采集柑橘生長數據，在上位機上建立相關的數據模型進行數據處理，將結果反饋到PLC中，調整PLC的控制參數，實時精確控制柑橘的根部灌溉施肥量和澆水量[7-8]。

4 結語

本文設計了一個以三菱FX31-128M2/ES為核心的柑橘根部手自動一體化灌溉系統。闡述了該系統的硬件設計和程序設計，該設計具有成本低廉、操作簡單、維護方便的特點，在節水灌溉上具有廣泛的推廣價值。并可進一步統計和整理出系統運行期間6種施肥灌水處理下柑橘生長變化趨勢（樹干直徑、樹高、樹冠寬度）、柑橘產量和質量統計結果、累計灌水量、累計施肥量，得出6種不同施肥灌水處理下柑橘生長、產量和質量的對比，根部灌溉系統節水、節肥效果的對比，以及根部灌溉系統運行可靠性等方面的技術參數，以期為根部灌溉技術及系統的進一步推廣應用，以及為尋找最佳的節水灌溉施肥量來加快柑橘的成熟、提高柑橘的產量和品質提供了有力的數據支持。

5 參考文獻

[1] 許茂忠.果樹節水灌溉技術 [J].農技服務，2009（11）：149.

[2] 向曉漢.三菱FX系列PLC完全精通教程[M].北京：化學工業出版社，2012.

[3] 趙巖麗，程福厚，王艷.淺談節水灌溉技術的發展現狀[J].河北農業科學，2008，12（4）：61-63.

[4] 王君，凌振寶.傳感器原理及檢測技術[M].長春：吉林大學出版社，2003.

[5] 鄭家龍.集成電子技術基礎教程[M].北京：高等教育出版社，2002.

[6] 程德富，王君.傳感器原理及應用[M].北京：機械工業出版社，2007.

[7] 孟慶松.監控組態軟件及其應用[M].北京：中國電力出版社，2012.

[8] 王麗波.基于PLC的植物灌溉控制系統設計[J].自動化技術與應用，2007，26（9）：70-71.