基于PLC的室內漢麻育種自動滴灌系統設計與研究

張治國，朱 浩，王曉楠，趙 越

(黑龍江省科學院大慶分院，黑龍江 大慶 163319)

我國北方冬季室外氣溫較低，漢麻育種工作在室內開展可縮短育種周期，提高時間利用率。室內育種大多采用人工澆水方式進行灌溉，隨意性較大，缺乏可靠的數據支撐，可能造成土壤水分過澇或過旱，影響漢麻生長品質，也可能會影響科研數據的準確性。滴灌技術是將具有一定壓力的水通過主管、分管和出水管道或滴頭，以水滴形式緩慢而均勻地滴入植物根部附近土壤的一種灌水方法。將滴灌技術與自動化技術相結合，服務于漢麻室內育種，不僅能提供精準的土壤水分含量，減少人力勞動投入，還可提高水資源利用率。

1 系統總體設計

系統由土壤水分含量采集、數據轉換及比較運算、蓄水槽自動上水、自動滴灌、上位機軟件等組成。系統總體硬件設計主要包括控制單元PLC及其電路、土壤水分含量傳感器、蓄水槽、水位檢測開關、溢水檢測開關、電磁閥、潛水泵、滴灌配件等。PLC通過實時監測培養盆內水分含量的數值變化及蓄水槽水位情況，通過驅動滴灌泵和電磁閥進行補水、滴灌操作。

設計采用PLC作為核心控制單元，是一種通用的工業控制器，具有可靠性高、使用方便靈活、控制精度高、控制功能完善等特點，對全部功能設備進行統籌與內部程序進行控制。控制單元選用三菱FX3U系列小型PLC，主要控制功能包括開關量的輸入輸出、RS-485數據通信采集和上位機軟件通信等。三菱FX3U系列PLC可配置RS-485通信卡，與土壤水分含量傳感器通信，PLC編程接口與上位機軟件通信，上位機軟件對土壤水分含量值進行顯示并記錄保存，可記錄查看土壤水分含量歷史趨勢曲線。開關量輸入用于檢測蓄水槽高低水位信號，開關量輸出驅動進水電磁閥、潛水泵及滴灌電磁閥等設備。

PLC與土壤水分傳感器采用RS-485協議進行通信，實時采集數據，通過PLC內部程序完成數據轉換處理，將土壤水分含量值與設定值相比較，需啟動滴灌時，PLC驅動滴灌泵進行抽水滴灌，達到設定值上限后停止滴灌，實現漢麻室內育種自動滴灌系統的功能。

2 自動蓄水功能

蓄水槽的主要作用是防止自來水直接滴灌，因其溫度較低，氯元素含量高，會對盆內漢麻生長環境造成影響。如圖1所示，自來水管安裝電磁閥，由PLC進行驅動控制，當蓄水槽內水位不足時，觸發浮球的低水位開關信號，反饋至PLC后驅動電磁閥，水龍頭處于常開狀態，水流不斷注入蓄水槽內。當水位上升到高位時，觸發浮球的高水位開關信號，PLC關閉進水電磁閥，停止注水，實現了水槽的自動蓄水功能。在水槽上部安裝溢水檢測開關，如果注水時浮球的高水位開關信號異常或損壞，致使PLC不能及時關閉進水電磁閥，水位上升到觸發溢水開關信號時，程序設置延遲3 s后關閉電磁閥，實現防止溢水的保護功能。3 s的延遲設計是為了避免水位波動，防止頻繁驅動進水電磁閥的防抖功能。

圖1 系統結構示意圖Fig.1 Structure diagram of the system

3 土壤水分含量傳感器

土壤水分含量傳感器作為系統的關鍵組成之一，型號選擇應保證具有較高的可靠性及準確性，本設計采用型號為RS-WS-N01-TR的傳感器，該傳感器具有IP68等級防護外殼，防水、耐鹽堿、防腐蝕，供電為DC4.5～30 V寬泛電壓，水分含量測量范圍0～100%RH，測量分辨率為0.1%RH。安裝方式為可直接插入土壤，也可預埋到需要測量的土層。

土壤水分含量傳感器的安裝應選定合適的測量位置，避開堅硬物體，在快速測量時將傳感器用手握緊，垂直插入土壤中，插入時注意不要左右搖擺，小范圍土壤測量建議多次測量，求取平均值。埋地測量時，播種前將土壤垂直挖大約20 cm的坑，將傳感器鋼針水平插入坑內并填埋壓實，待土壤松軟度穩定后，即可進行連續長時間的測量與記錄。測量時要保證土壤水分的測量精準，采樣土壤直徑應大于7 cm，高度大于7 cm。

圖2 蓄水槽結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of water storage tank structure

4 自動滴灌功能

選用潛水泵作為滴灌泵，置于蓄水槽內，選用防腐蝕類型泵體，普通材質的潛水泵長期浸入水中會生銹，鐵銹極易堵塞滴灌管路，致使滴灌不通暢或不能滴灌。

滴灌管路如圖3所示，由PVC管作為主管道，安裝三通接頭及手動球閥連接分支管路，分支管路采用25PE管，安裝8L穩定器進行穩流，穩定器上插入1出4分流器，分流器的4個分支插接彎鉤滴箭，并分別插入盆內土壤中，構成滴灌管路。

圖3 滴灌管路示意圖Fig.3 Schematic diagram of drip irrigation pipeline

PLC與土壤水分含量傳感器進行RS-485通信，實時讀取土壤水分含量數據，通過PLC軟件編程轉換為土壤水分含量值，與設定范圍值進行比較，判斷是否啟動滴灌泵進行滴灌操作。當土壤水分含量值低于設定范圍值時，啟動滴灌泵進行滴灌。隨著滴灌的進行，土壤水分含量值不斷上升，達到設定值上限時，停止滴灌。

實際測試中，滴灌數次發現培養盆內水分含量總是過大或溢出盆內，雖然滴灌時達到預設值后，滴灌泵處于停止狀態，但實際整個滴灌管路形成虹吸原理，水槽內的水會不停地流入盆內，導致培養盆內水分含量過大或溢水。因此，在潛水泵出口后方安裝電磁閥，停止滴灌后，將滴灌管道同時關閉，可有效解決該問題。

5 試驗與分析

上位機組態軟件與PLC進行實時通信，組態軟件具有實時畫面顯示、歷史曲線記錄與查看、數據報表查詢打印等功能。圖4為截取部分土壤水分含量的歷時曲線，數據記錄周期為1 min。

圖4 歷史趨勢曲線圖Fig.4 Historical trend graph

對60盆漢麻進行實際滴灌測試，根據實際需求設定盆內土壤水分含量值25%RH，PLC程序編寫設定值±2%RH為土壤水分含量上下限，當土壤水分含量下降到23%RH時，啟動滴灌系統補水，當土壤水分含量達到27%RH時停止滴灌，通過截取部分趨勢曲線和水分含量監測表格可以看出，盆內的水分含量在達到上限值后仍會繼續增大，幾分鐘后，待土壤中水分均勻后，土壤水分含量值緩慢減小并趨于穩定。

表1 水分含量監測表Tab.1 Moisture content monitoring

6 存在的問題與分析

系統完成硬件安裝及軟件調試后，進入實際運行測試階段，發現若干問題，對此提出解決方案如下：系統出現培養盆內水分含量過大及溢水情況，根據分析，停止滴灌后，滴灌管路出現虹吸現象，水槽內的水不斷流入培養盆內。解決方案是在滴灌泵出口后方安裝電磁閥，停止滴灌后，及時關閉滴灌管路。由于水質及蓄水槽污染，造成滴灌不通暢現象。由于水質原因，蓄水槽內產生水垢，應經常清洗蓄水槽，防止產生水垢；也可更換較粗的滴箭，使水流能更順暢的流入培養盆內。另外，蓄水槽應蓋好蓋子，防止水槽內的水被二次污染。單點的土壤水分含量數據采集可能造成其他培養盆內水分含量與被測盆內的水分含量存在差異，應多加幾個水分含量傳感器，采集的數據進行平均值處理運算，這樣可有效提高滴灌系統的精準度。

7 結語

提出基于PLC漢麻室內育種自動滴灌系統，設計開發了相應的軟件、硬件系統，根據實際情況，對漢麻進行實際滴灌測試，經過數月的測試分析和不斷的完善系統，土壤水分含量的控制可滿足漢麻室內育種需求，代替人工進行澆水，并具有良好的可靠性和穩定性，可更好地為漢麻室內育種提供可靠的數據。自動化技術與滴灌技術相結合，可精準有效地控制植物所需水分含量值，提高水資源利用率，減少人力勞動投入。隨著自動化技術與物聯網技術的不斷發展，自動滴灌控制系統將會得到更廣泛的應用。