基于PLC的水肥一體化灌溉控制器設計

晁 陽，李培東，黃林剛

（1.楊凌職業技術學院機電分院，陜西 楊凌712100；2.西安市科技交流中心，西安710000）

糧食安全是關系國民經濟命脈的關鍵。施肥灌溉在農作物生長和農業增產增收中扮演著重要角色［1］。水肥一體化灌溉是將灌溉與施肥合二為一的技術，配合滴灌技術對作物進行灌溉和施肥，能夠實時控制土壤濕度和肥力，起到節水、節肥的作用，極大滿足農作物生長需求［2］，促進作物生長和農業增產增收。

國內水肥一體化技術廣泛應用于溫室蔬菜、果樹等設施化農業種植生產中，對農業增產起到了積極的促進作用。然而，市面上現有的水肥一體化設備成本昂貴、功能繁瑣，農戶使用意愿不強。目前中國西北干旱半干旱地區農戶仍普遍采用傳統粗放型灌溉模式，造成水資源浪費、土壤養分失衡、肥料利用效率低下等問題［3-5］。因此，設計一種價格合理、使用方便、功能夠用、性能良好的水肥一體灌溉系統，可以極大改善中國西北地區中小型設施農業普及和推廣的現狀［6］，增加中小型設施農業種植戶的經濟收益。

1 系統整體設計

系統以三菱FX型整體式PLC為核心控制元件，以土壤濕度傳感器和土壤電導率傳感器為信息采集器件，以過濾器、灌溉泵、施肥泵等為執行器件，以報警燈、蜂鳴器為報警裝置。系統包含灌溉和施肥灌溉2種功能，用三位轉換開關進行自動模式、手動模式、停止3種模式的切換［7］。

手動模式主要用于系統停機檢修和維護調試，也可用于農戶按照經驗對農作物進行灌溉和施肥，當系統處于手動模式時，農戶按下灌溉或施肥按鈕，對應的執行機構動作、顯示原件啟動，提醒農戶當前系統正處于灌溉或施肥工作中。自動模式主要用于系統長時間自動運行狀態下，傳感器首先對土壤濕度和肥力進行實時監測［8，9］，當土壤需要施肥時，系統對應報警裝置啟動并開啟灌溉施肥模式，施肥泵將事先配好的營養液引入管道，并通過滴灌設備對土壤進行施肥灌溉，同時施肥指示燈點亮，提醒農戶當前處于施肥工作中；當土壤肥力符合要求時，施肥灌溉模式停止，對應指示燈熄滅；在施肥灌溉后，系統檢測土壤是否缺水，若此時土壤含水量已達到設定值，系統停止工作。若施肥灌溉后土壤含水量仍不能達到設定值，系統啟動灌溉模式，驅動灌溉泵運行對作物進行滴灌，同時對應指示燈開啟，直至土壤含水量達標后系統停止。系統也可對當前土壤含水量進行單獨檢測，當傳感器檢測到土壤缺水時，系統發出缺水報警，開啟灌溉模式，驅動灌溉泵運行將灌溉用水引入管道，對作物進行滴灌，當土壤含水量達到設定值時，灌溉模式停止，從而實現對作物的自動灌溉、無人值守［9］。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構

2 硬件設計

2.1 控制器

系統核心控制器采用三菱FX2N-32MR型可編程序控制器（簡稱PLC），該PLC內部有32點I/O接口、1～100 ms定時器256位、8K步EEPROM程序容量、128點16位數據寄存器，其結構緊湊、性能穩定，具有較高的性價比。

2.2 傳感器

土壤濕度檢測主要采用土壤水分傳感器，其表面采用鍍鎳處理，導電性能高、耐腐蝕性強、使用壽命長、功耗低、測量精度高，可以在較寬的范圍內測量土壤濕度，可通過電位器調節響應閥值，滿足大多數農產品種植場景的需求。

PR-3000-ECH-I20型土壤電導率傳感器通過測量土壤中介電常數，檢測土壤水分及氮、磷、鉀等鹽離子電導率，輸出信號為標準的4～20 mA電流，其電極采用特殊處理的合金材料，可承受較強的外力沖擊，探針式設計保證測量精度檢測。

2.3 滴灌管路及報警系統

滴灌系統采用2臺潛水泵作為動力原件，潛水泵的啟停由中間繼電器控制，中間繼電器接收PLC輸出信號進行開啟或關閉。滴灌管路布設應根據所栽培作物的株間距合理安排，采用聚丙烯插入式滴水器插入作物根部附近較深位置，并合理調節水滴速度。

報警和模式指示系統采用蜂鳴器、指示燈元器件完成。當土壤缺水或缺肥時對應指示燈閃爍、蜂鳴器報警，當系統進行灌溉或施肥灌溉工作時，報警指示燈熄滅，對應工作指示燈點亮。

2.4 I/O分配點

根據系統功能需要，綜合日后功能擴展應留有適當余量，選擇三菱FX2N-32M型PLC，確定1個數字量輸入、5個數字量輸出、土壤濕度傳感器和土壤電導率傳感器所采集的信息為模擬量數據，因此需要加掛FX0N-3A型模擬量模塊2個，讀取4～20 mA電流信號，分配PLC的I/O點如表1所示。

表1 PLC的I/O分配點

2.5 電氣接線

考慮到設備功能異常等特殊原因，手動控制時信號不再經過PLC運算，使用按鈕、繼電器等常規控制方法進行手動控制。由于PLC輸出功率有限，而外部負載功率需要根據外部環境確定且工作時長不確定，若用PLC直接驅動負載容易將對應的輸出點擊穿，采用中間繼電器進行逐級功率放大，系統電氣接線如圖2所示。

2.6 中央控制柜

圖2 電氣接線

結合溫室大棚控制室空間，綜合考慮結構緊湊、功能完備等因素，中央控制柜如圖3所示。當電源上電后，綠色指示燈點亮；當系統運行時，綠色指示燈熄滅，紅色指示燈點亮；用戶轉動三位旋轉開關進行模式切換時，對應的模式指示燈點亮；當土壤缺水或缺肥時，蜂鳴器響起，同時對應的黃色指示燈閃爍。系統處于灌溉或施肥灌溉時，對應的指示燈點亮。手動控制時，單獨啟動施肥或灌溉施肥功能也可將對應的指示燈點亮。

圖3 中央控制柜布局

3 軟件設計

系統分為停止、手動、自動3種運行模式。手動模式用于系統安裝、調試、維護檢修及作物特定狀態下的灌溉。在手動模式中，工作人員先將轉換開關旋轉至手動模式，之后按下灌溉啟動按鈕，系統將進行灌溉動作；按下灌溉施肥按鈕，系統將進行灌溉施肥動作，直至操作人員按下停止按鈕，系統停止動作，灌溉或灌溉施肥動作停止。在自動模式中，工作人員只需將轉換開關旋轉至自動模式，系統首先進行初始化動作，之后土壤電導率傳感器將自動檢測土壤肥力，并將其轉化為電信號傳送給PLC的輸入端，PLC將該電信號不斷與設定值進行對比，若土壤肥力在設定值上下限之內，系統進行下一步，對土壤濕度進行檢測，若土壤濕度也在設定值上下限之內，系統返回初始值并進行下一周期工作；若土壤肥力低于設定的下限值時，對應的報警系統動作，提示工作人員土壤處于缺肥模式，同時系統開啟施肥灌溉模式，直至土壤肥力達到設定上限值，施肥灌溉模式停止，報警系統停止動作；之后系統進行下一步工作，通過土壤濕度傳感器檢測土壤干濕度，并將其轉換為電信號傳入PLC，此時控制器將該電信號與設定值不斷進行比較，若土壤濕度數值在預先設定的上下限閥值區間內，系統返回初始化并重新檢測，若土壤濕度或土壤電導率低于設定下限值，對應的報警系統動作，同時系統將開啟灌溉模式，直至土壤濕度達到設定上限值，系統工作結束。系統流程如圖4所示。

4 實例試驗

圖4 系統流程

選擇楊凌農業示范區一座番茄種植大棚對系統穩定性、有效性及精度是否滿足要求進行系統測試。測試方法為使系統運行在自動模式下，同時用移動式工具測量土壤濕度及電導率，檢測和對比系統誤差，檢測結果如表2所示。結果表明，該系統對土壤濕度及電導率的測量與實際測量誤差極小，運行穩定可靠。

5 小結

該研究設計的水肥一體灌溉系統以PLC為核心控制器，將傳感技術、自動控制技術等科學技術與農業生產相結合，有效提高了設施農業種植灌溉的肥水使用效率，制作開發周期較短，功能夠用、價格低廉、操作簡便，能夠滿足中小型設施農業種植灌溉的自動控制和無人值守，經過樣機制作和測試檢驗，系統運行較為穩定，具有廣闊的推廣價值。

表2 土壤濕度與電導率測試數據