水肥一體化灌溉監控系統設計與應用

吳海龍，陶君怡，王 璐

（揚州大學 電氣與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225127）

近年來，現代農業灌溉技術發展速度加快，但由于缺乏專業的灌溉技術，使得水資源愈加短缺，沒有合理安排施肥的時間和次數，導致了水肥資源的浪費以及生態環境的惡化。全國農作物需求的水肥量大，為了節約水資源和肥料資源，應該大力發展節能灌溉技術。現在我國農作物灌溉的主要問題包括以下三點：其一，只靠農民的生產勞作經驗，灌溉精度不準確；其二，基本依靠人工灌溉，農作物需求的水、肥料量得不到滿足，會出現肥料不夠的情況；其三，無法確定農作物最佳需水量加以灌溉，從而盡量用比較少的水來取得更高的經濟效益。因此我們需要一個能夠監控農作物生長、土壤pH 值的智能灌溉系統來解決農業灌溉問題。

本文設計了一個智能化水肥灌溉一體化監控系統，通過WinCC 系統可以觀察到傳感器實時采集到的土壤EC/pH 值和外部水壓情況，利用傳感器將土壤和水壓變化傳輸到PLC，經過PLC 處理分析，控制肥料罐電磁閥開啟以及水泵的啟停。該系統可以有效改善傳統灌溉與施肥模式的不足，實現灌溉的信息化和智能化，提升了水肥利用率，節約了水資源，對促進現代化農業發展和智能化灌溉的推進有著重要的意義。

1 灌溉監控系統組成及工作原理

系統由WinCC 觸摸屏、變頻器、PLC、模擬量輸入輸出模塊、變頻器、水泵、電磁閥等組成。液位計、流量計、壓力傳感器、EC/pH 等傳感器將檢測到的數據上傳到PLC擴展模塊（模擬量輸入輸出模塊）上，再通過MODBUS 反應到WinCC 屏幕上，可以在WinCC 屏幕上實時觀察到這些數據。PLC 根據程序運行檢測到流量計傳輸過來的數據來控制水泵啟停，根據EC/pH 傳感器的值來控制四個肥料桶的施肥比例。在PLC 控制器的內部由PID 控制模塊進行PID 運算，以此得到PID 輸入設定值a，當設定值與實際值不同的時候，PLC 進行PID 運算輸出模擬量給變頻器，改變變頻器的頻率，根據頻率調節EC/pH 值。水肥一體化施肥系統示意圖如圖1 所示。

圖1 水肥一體化施肥系統示意圖

系統運行的時候，水泵啟動，自動閥門至少打開一個。施肥管道的壓力應當與注水管道的壓力相等，將壓力傳感器采集到的壓力值傳輸到PLC；液位計測量四個肥料桶剩余的肥料，并提醒工作人員進行補充；流量計檢測施肥流量的大小，通過PLC 內部的PID 運算達到想要的EC/pH 值。控制系統流程如圖2 所示。

2 硬件設計

控制系統硬件包括1 臺西門子SMART 1000 IE V3觸摸屏、1 臺西門子Smart 200PLC、1 只模擬量輸入輸出模塊。西門子SMART 1000 IE V3 觸摸屏支持遠程通信功能，采用MODBUS 通信，具有很強的電磁抗干擾能力。在通信方面，西門子Smart 200PLC 與西門子SMART 1000 IE V3 觸摸屏之間使用RS485 通信串口連接，西門子Smart 200PLC 和模擬量輸入輸出模塊通過模塊拓展口連接。西門子Smart 200PLC 在工作時，需外接220V交流電壓，觸摸屏和模擬量輸入輸出模塊由DC24V 電源提供工作電壓。模擬量輸入輸出的模數轉換模塊中的需選擇通道，分別與電磁流量傳感器與液位傳感器相連，PLC 的輸出端口與變頻電機相連。其硬件系統I/O 分配如圖3 所示。

3 軟件設計

3.1 觸摸屏設計

觸摸屏與PLC 通過相同的網絡地址相連接，用于人機交互，在觸摸屏上可以檢測到實時的流量數據、pH 值等，完成水肥一體化的監控和控制。采用WinCC flexible SMART V3 來完成觸摸屏的程序編寫和遠程監控界面的布局。通過觸摸屏可以遠程監控并控制農作物生長需要的肥料和水資源的灌溉。

圖2 控制系統流程圖

系統的觸摸屏人機交互界面包括開機界面、手自動控制界面、歷史數據界面和監控界面。監控界面主要以圖形和重要參數形式反映系統的實時運行狀況，包括罐體液位、流量大小及壓力區間等，整套系統控制如圖4 所示。

WinCC flexible SMART V3 軟件是一款由西門子推出的人機交互平臺搭建的編程軟件，用來完成觸摸屏界面程序的編寫。監控界面里的參數包含了pH 值、EC 值、壓力值、流量等數據，還有歷史的施肥數據。

3.2 西門子Smart 200PLC 設計

采用STEP 7-MicroWIN SMART 編程軟件來完成PLC 程序的編寫，使用RS485 通訊網線下載控制程序。

3.2.1 通信設計

傳感器將采集過來的數據利用模擬量輸入輸出模塊進行傳輸。傳感器輸出信號為0-10V 的電壓信號或4～20mA 的電流信號，通過模擬量輸入輸出模塊進行數模轉換后傳送到PLC。本設計采用的是模擬量模塊為EMAM06 模塊，4 路模擬量輸入，兩路數字量輸出。系統部分模擬量通信程序如圖5 所示。

3.2.2 施肥系統PID 控制

在STEP 7-MicroWIN SMART 編程軟件中，有專門的PID 控制子程序的庫文件，通過PID 控制面板設置所需要的參數，啟動后可以自動進行PID 調節，PLC 運算出合適的增益、積分、微分。在施肥桶進行施肥的時候設定施肥桶的施肥頻率，流量傳感器將測出的流量傳送到變送器，變送器進行信號轉換，0-10V 的電壓信號或4～20mA 的電流信號，模擬量輸入輸出模塊將電壓電流信號轉換成數字信號，進而對變頻器進行控制，實現施肥的閉環控制。

圖3 輸入輸出地址分配

圖4 水肥一體化監控系統監控界面圖

4 結束語

作為農業大國，我國的水資源和肥料的消耗量較大，水肥一體化灌溉監控系統與傳統的灌溉施肥手段相比，利用率高，自動化程度高，可以減少資源浪費，按照農作物的生長需求進行灌溉，有利于作物對水肥的吸收，提升了農業水肥利用效率。在新時代農業的快速發展過程中，必須堅持可持續發展，在帶來農作物收益的同時，要關注資源的合理利用以及環境保護等問題。發展生態農業，加快推進現代化農業社會建設。需要繼續將科學技術跟現有的農業發展結合，著力推進農業資源利用節約化，從而加快我國從農業大國轉變為農業強國的進程。

圖5 傳感器1 通信程序圖