基于PLC的壓力供肥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭 武

（湖南應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，湖南 常德 415000）

“民以食為天”，打造強(qiáng)大的農(nóng)業(yè)種植“田園”是實(shí)現(xiàn)美好生活的必經(jīng)之路。但是種植經(jīng)濟(jì)作物會(huì)導(dǎo)致土壤肥力快速流失，影響來(lái)年作物的收成及品質(zhì)。對(duì)土地生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)的特點(diǎn)進(jìn)行關(guān)注，補(bǔ)充土壤肥力是提高作物產(chǎn)量及品質(zhì)的有效手段，其中液態(tài)肥的施用具有便捷、經(jīng)濟(jì)、高效、污染少等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有大多是地面噴施、管路錯(cuò)綜復(fù)雜、移動(dòng)成本高，不利于土壤的快速翻耕，鋪設(shè)成本高。文章設(shè)計(jì)了一種基于PLC的簡(jiǎn)單壓力供肥控制系統(tǒng)[2]。

1 系統(tǒng)的工作原理及組成

1.1 點(diǎn)施設(shè)計(jì)

管路鋪設(shè)于地面以下，可根據(jù)相關(guān)作物的生長(zhǎng)機(jī)理確定根部土壤的需求深度H，管路上部開(kāi)有液態(tài)肥點(diǎn)施口，見(jiàn)圖1。

圖1 管路及液態(tài)肥釋放孔Fig.1 The pipeline and liquid fertilizer release hole

1.2 控制系統(tǒng)原理

通過(guò)檢測(cè)土壤檢測(cè)傳感器的信號(hào)，由接收信號(hào)的PLC 控制泵的啟停泵運(yùn)作的數(shù)量。土壤檢測(cè)傳感器檢測(cè)到土壤肥力不足，泵1 啟動(dòng)，30 s 后因壓力不足或投施速率低，檢測(cè)到氮磷鉀濃度仍過(guò)低，泵2 啟動(dòng)，30 s 后因壓力不足或投施速率低，檢測(cè)氮磷鉀濃度仍過(guò)低，泵3 啟動(dòng)；任一時(shí)刻，當(dāng)檢測(cè)到氮磷鉀濃度達(dá)到設(shè)定值后，編號(hào)高的泵不再啟動(dòng)并立即停止編號(hào)最低的泵，30 s 后再停止編號(hào)次低的泵，直至所有泵停止工作。

圖2 系統(tǒng)框圖Fig.2 The system block diagram

1.3 主要部件選型

土壤檢測(cè)傳感器選用威海晶合的氮磷鉀檢測(cè)傳感器，其具有IP67級(jí)防水能力，抗腐蝕性好，響應(yīng)時(shí)間＜10 s，測(cè)量范圍0～1 999 mg/kg，分辨率及精度±2%F·s，工作溫度5℃～45℃，可拓展性能優(yōu)異。

PLC選用三菱FX2N-48MR（本適用場(chǎng)景，I/O端口有較大富余）。其具有輸入/輸出端口各24點(diǎn)、速度快、體積小巧、價(jià)格適中、可拓展性強(qiáng)等特點(diǎn)。

泵選擇上海邊科機(jī)械集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的QBY-25（實(shí)際使用視施肥流量選擇）隔膜泵，其具有耐腐蝕性好、不易卡機(jī)等特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 I/O端口分配

表1 壓力供肥控制I/O分配表Tab.1 The pressure fertilizer supply control I/O distribution table

2.2 程序設(shè)計(jì)

2.3 程序仿真

啟動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的壓力供肥PLC 程序，當(dāng)土壤氮磷鉀的濃度比預(yù)設(shè)的濃度值低時(shí)，泵1能立即運(yùn)行，通過(guò)輸送液態(tài)養(yǎng)料到達(dá)點(diǎn)施位置。泵1 運(yùn)行30 s 后，如若點(diǎn)施位置仍未達(dá)到濃度預(yù)設(shè)值，此時(shí)泵2 也運(yùn)行，2 臺(tái)泵同時(shí)工作。泵1、泵2再運(yùn)行30 s后，如若點(diǎn)施位置仍未達(dá)到濃度預(yù)設(shè)值，此時(shí)泵3 運(yùn)行，3 臺(tái)泵同時(shí)工作，直至點(diǎn)施位置濃度達(dá)到預(yù)設(shè)濃度值。任意時(shí)刻達(dá)到濃度預(yù)設(shè)值，泵1（最低編號(hào)）都立即停止工作，其他泵將在泵1停止后每30 s動(dòng)作1次，且泵2（次低編號(hào)）在前30 s 周期時(shí)刻停止（如若泵1 工作時(shí)，土壤濃度已達(dá)預(yù)設(shè)值，泵2、泵3未啟動(dòng)），泵3在后30 s周期停止（如若泵1 或泵2 時(shí)，土壤濃度已達(dá)預(yù)設(shè)值，泵3 未啟動(dòng)）。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化循環(huán)工作；任意時(shí)刻，工作人員都可手動(dòng)停止系統(tǒng)。

圖3 壓力供肥系統(tǒng)啟動(dòng)Fig.3 The startup of pressure fertilizer supply system

圖4 泵1工作Fig.4 The operation of first pump

圖5 泵2工作Fig.5 The operation of second pump

圖6 泵3工作Fig.6 The operation of third pump

圖7 泵1停止Fig.7 The first pump stop

圖8 泵2停止Fig.8 The second pump stop

圖9 手動(dòng)停機(jī)Fig.9 The manual shutdown

3 關(guān)于壓力供肥控制系統(tǒng)的其他問(wèn)題

3.1 管道及點(diǎn)施口

供肥管道鋪設(shè)于地下的研究相對(duì)較少，在第一次鋪設(shè)時(shí)經(jīng)費(fèi)可能比鋪設(shè)于地面更高，但是在大面積連年耕種時(shí)，鋪設(shè)于地下?lián)碛幸淮瓮度胗谰檬褂谩⒉挥绊懙孛娓鳌⑼寥涝龇室?jiàn)效快、養(yǎng)料幾乎無(wú)損失、綜合經(jīng)濟(jì)性好等諸多優(yōu)點(diǎn)。鋪設(shè)之后，根據(jù)土壤及作物特性配物相應(yīng)營(yíng)養(yǎng)液，地上面可種植任何作物。管道鋪設(shè)地下，對(duì)點(diǎn)施口的設(shè)計(jì)要求比較高。點(diǎn)施口位于管道上方，易受泥土堵塞，工作時(shí)要求管道壓力較大，對(duì)于大面積點(diǎn)施耕地來(lái)說(shuō)耗能較大、設(shè)備使用壽命易縮短，不經(jīng)濟(jì)。點(diǎn)施口位于管道下方，點(diǎn)施肥力難以快速抵達(dá)作物吸收有效區(qū)域，不僅浪費(fèi)肥料，隨著工作時(shí)間的增加，能耗、設(shè)備運(yùn)作時(shí)間也都將增加，同樣不經(jīng)濟(jì)。所以采用斜上點(diǎn)施、保證一定的管壓、選擇新型節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)田間終端控制閥等，是保證高效、長(zhǎng)壽命、經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵[3]。

3.2 集中供肥與分散供肥

大面積供肥要求有較大壓力、檢測(cè)信號(hào)多，過(guò)程中因?yàn)橥寥婪柿系南乃俾什煌^(guò)多點(diǎn)施易對(duì)植物的生長(zhǎng)造成損害；小面積分散點(diǎn)施具有響應(yīng)迅速、土壤濃度適中、能耗小、信號(hào)線路及器材選用的經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，但面積太小則產(chǎn)值小，設(shè)備成本較難回收。所以在選擇管路鋪設(shè)時(shí)，要注意管道串并聯(lián)、易更改等問(wèn)題。另外，元器件的價(jià)格走勢(shì)及當(dāng)時(shí)能源的經(jīng)濟(jì)性也需要考慮到。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）設(shè)計(jì)了基于PLC 的壓力供肥控制系統(tǒng)，根據(jù)供肥系統(tǒng)需要不定時(shí)自動(dòng)供肥等特點(diǎn)，采用了基于傳感器的氮磷鉀信號(hào)檢測(cè)元件，信號(hào)響應(yīng)迅速、便捷可靠。選用的PLC 功能強(qiáng)大、穩(wěn)定快速。隔膜泵抗腐蝕、流量及壓力穩(wěn)定、不易卡機(jī)，無(wú)人化工作狀態(tài)友好。通過(guò)PLC 較好地控制泵的啟停，仿真中達(dá)到了預(yù)期的自動(dòng)啟停、壓力供肥目標(biāo)。

（2）針對(duì)壓力供肥的點(diǎn)施口選擇及供壓場(chǎng)景做了對(duì)比分析，提供了供肥系統(tǒng)優(yōu)化方向。