桃園水肥藥一體化控制系統的設計

王紅府 趙明富

【摘? ?要】 我國傳統農作物種植的粗放模式容易造成水資源浪費，加重環境污染，水肥藥一體化技術可以實現向現代農業的轉型升級。本文介紹了水肥藥一體化技術在實際生產中的應用，闡述了基于PLC的控制系統設計及實際應用效果。本系統具有節約資源、降低環境污染和生產成本、提高生產效率、可靠性高等特點，并具有一定的實際應用價值。

【關鍵詞】 水肥藥一體化;PLC

Design of Integrated Control system for Taoyuan Water， Fertilizer and Medicine

Wang Hongfu 1， 2? ? Zhao Mingfu 1

（ 1 Henan Institute of Science and Technology 453003;? 2 Changyuan Vocational Secondary Professional School 453400）

[Abstract]? The extensive mode of traditional crop cultivation in China is easy to cause the waste of water resources， the environment pollution is aggravated， and the integration technology of water and fertilizer can be upgraded to the transformation of modern agriculture. In this paper， the application of water and fertilizer integration technology in practical production is introduced， and the design and application effect of the control system based on PLC are described. The system has the characteristics of saving resources， reducing environmental pollution and production cost， improving production efficiency， high reliability and the like， and has certain practical application value.

[Keywords]? water and fertilizer integration; PLC

當前，農業灌溉的方式多采用傳統的漫灌方式，造成水資源浪費嚴重。我國是一個嚴重缺水的國家，地下水位不斷下降，水資源危機日益加重。面對如此嚴峻的形勢，節約用水勢在必行。在施肥方面，我國化肥使用量占世界首位，施肥時帶有很大的盲目性，施肥過量的現象比比皆是，給水土帶來嚴重的污染，造成很大的資源浪費。在農業施藥方面，農藥生產和使用量位居世界前列，施藥不科學，帶來成本增加、環境污染等問題。因此，發展現代農業是大勢所趨，而水肥藥一體化是發展現代種植業的必然選擇。

1? 意義

水肥藥一體化技術是將可溶性固體肥料或液體肥料及土壤用藥配兌而成的肥藥液，通過滴灌系統均勻而滴入作物根區土壤的一種方式。灌溉水以水滴的形式進入作物根部土壤[1]。采用滴灌的方式可以有效減少水、化肥和農藥的用量，提高資源利用效率，節約成本，減輕環境污染，提高農產品的品質。

目前，水肥藥一體化控制系統多采用單片機技術實現，存在穩定性和可靠性不高的現象。可編程控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC）自1969年問世以來，以其編程簡單、可靠性高等特點，在自動控制領域獲得了廣泛的應用，是實現工業自動化的三大支柱之一，采用PLC控制可以提高系統運行的可靠性。

2? 系統結構

水肥藥一體化系統由灌溉系統、注肥系統、施藥系統和控制系統等組成。灌溉系統中設置水箱用來儲水，注肥系統設置肥料罐，施藥系統設置藥物罐，在實現灌溉的同時也可以進行施肥、施藥。

在水箱上設置上限位傳感器和下限位傳感器用來控制注水量，當水位上升至上水位傳感器時，水泵電動機自動停止;當水位下降至下水位傳感器時，自行起動水泵電動機，進行注水;從而實現自動控制。水箱、灌溉管道、出水閥連成輸水通道，實現灌溉功能。

根據果樹生長期的不同階段的需要，檢測土壤中氮、磷、鉀等微量元素的含量。手動操作，將水注入到肥料罐中至上限位傳感器，將配制好肥料加入肥料罐中，起動肥料攪拌電動機進行攪拌，攪拌時間可以預先設定為5、15、15分鐘，使得肥料充分溶合，開啟施肥閥，實現灌溉注肥功能。灌溉施藥過程與灌溉施肥過程相似。

系統結構如圖1所示。

3? 電氣控制系統組成

FX3U系列三菱PLC是第三代微型可編程控制器，內置64K大容量RAM存儲器，指令豐富，指令運行速度快，功能強。本系統選用FX3U-32M PLC，有16個輸入點，16個輸出點，帶有模擬量輸入輸出模塊和通訊模塊，繼電器輸出類型。系統資源可以充分滿足實際功能要求。

水肥藥一體化系統的電氣控制系統有PLC、接觸器、水泵電動機、肥料攪拌電動機、藥物攪拌電動機、出水電磁閥、出肥電磁閥、出藥電磁閥、水箱上限位傳感器和下限位傳感器、土壤濕度傳感器、方式選擇開關和各種按鈕開關等組成。

4? ?程序設計

要保證控制系統的正常工作，需要編寫正確的PLC控制程序。系統的工作模式有手動工作模式和上位機工作模式。根據需要選擇不同的模式，以滿足實際需求。

4.1? 手動操作模式

4.1.1 準備? 系統起動后，當水位低于水箱上限位傳感器時，接觸器通電，控制水泵電動機的起動，進行儲水;當水位達到水箱上限位傳感器時，接觸器斷電，水泵電動機的停止，儲水結束。

4.1.2 灌溉方式? ①當灌溉起動按鈕按下時，出水電磁閥的通電打開，通過流量計進行灌溉;當流量計顯示為零時，控制出水電磁閥斷電，排水閥關閉，灌溉結束。

②在自動模式下，當系統啟動后，土壤濕度傳感器檢測土壤濕度，將檢測值送至模擬量模塊與設定值進行比較，根據土壤濕度決定是否進行灌溉。

4.1.3 水肥方式? 當水肥按鈕按下去，肥料罐進水閥打開，與之前倒入的肥料進行混合，當水位達到肥料上限位傳感器時，肥料進水閥關閉，同時肥料攪拌電動機起動，設定的時間（可以由水肥起動按鈕按下次數設定為5S，10S，15S）達到之后，肥料攪拌電動機自動停止同時出肥閥和出水閥打開，進行水肥工作模式，可以用流量計控制所加注的量。

4.1.4 水藥方式和水肥藥方式與水肥方式類似。

4.2? GPRS控制模式：

GPRS是通用分組無線服務技術，是2G和3G之間的技術。具有通信、數據采集、遠程管理等功能，能夠采集PLC串口設備數據。PLC通訊模塊上提供RS485接口，GPRS上面是RS232接口，需要一個能將485轉成232的接口轉換器。觸摸屏和GPRS無線模塊以及PLC構成下位機模塊。GPRS模塊通過協議與計算機連接后，計算機作為上位機通過組態軟件提供相應控制面板進行下位機控制。

還可以通過手機APP實現，當需要灌溉時，按下滴灌的地塊就可以控制電磁閥關或開，進行灌溉。通過顏色顯示地塊濕度狀態，白色為干旱，綠色為正常，紅色為正在滴灌。當按下水肥混合或水藥混合，啟動水肥藥一體化系統。如果桃園面積較大，可以將桃園分成若干地塊，需要增加電磁閥實現若干地塊的控制。

5? 結論

基于PLC的水肥藥一體化控制系統可以達到節約用水、提高肥效、省藥、節約工時和降低成本，達到增產的目的，提高系統運行的穩定性，同時也能完成水肥一體化控制和水藥一體化控制，具有更強的適用性;

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