桃園水肥藥一體化控制系統(tǒng)的設(shè)計

王紅府 趙明富

【摘? ?要】 我國傳統(tǒng)農(nóng)作物種植的粗放模式容易造成水資源浪費(fèi)，加重環(huán)境污染，水肥藥一體化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。本文介紹了水肥藥一體化技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用，闡述了基于PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計及實(shí)際應(yīng)用效果。本系統(tǒng)具有節(jié)約資源、降低環(huán)境污染和生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率、可靠性高等特點(diǎn)，并具有一定的實(shí)際應(yīng)用價值。

【關(guān)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(dāng)前，農(nóng)業(yè)灌溉的方式多采用傳統(tǒng)的漫灌方式，造成水資源浪費(fèi)嚴(yán)重。我國是一個嚴(yán)重缺水的國家，地下水位不斷下降，水資源危機(jī)日益加重。面對如此嚴(yán)峻的形勢，節(jié)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(xiàn)象比比皆是，給水土帶來嚴(yán)重的污染，造成很大的資源浪費(fèi)。在農(nóng)業(yè)施藥方面，農(nóng)藥生產(chǎn)和使用量位居世界前列，施藥不科學(xué)，帶來成本增加、環(huán)境污染等問題。因此，發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是大勢所趨，而水肥藥一體化是發(fā)展現(xiàn)代種植業(yè)的必然選擇。

1? 意義

水肥藥一體化技術(shù)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(tǒng)均勻而滴入作物根區(qū)土壤的一種方式。灌溉水以水滴的形式進(jìn)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(nóng)藥的用量，提高資源利用效率，節(jié)約成本，減輕環(huán)境污染，提高農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)。

目前，水肥藥一體化控制系統(tǒng)多采用單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，存在穩(wěn)定性和可靠性不高的現(xiàn)象?？删幊炭刂破鳎≒rogrammable 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(diǎn)，在自動控制領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動化的三大支柱之一，采用PLC控制可以提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

2? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水肥藥一體化系統(tǒng)由灌溉系統(tǒng)、注肥系統(tǒng)、施藥系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。灌溉系統(tǒng)中設(shè)置水箱用來儲水，注肥系統(tǒng)設(shè)置肥料罐，施藥系統(tǒng)設(shè)置藥物罐，在實(shí)現(xiàn)灌溉的同時也可以進(jìn)行施肥、施藥。

在水箱上設(shè)置上限位傳感器和下限位傳感器用來控制注水量，當(dāng)水位上升至上水位傳感器時，水泵電動機(jī)自動停止;當(dāng)水位下降至下水位傳感器時，自行起動水泵電動機(jī)，進(jìn)行注水;從而實(shí)現(xiàn)自動控制。水箱、灌溉管道、出水閥連成輸水通道，實(shí)現(xiàn)灌溉功能。

根據(jù)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(jī)進(jìn)行攪拌，攪拌時間可以預(yù)先設(shè)定為5、15、15分鐘，使得肥料充分溶合，開啟施肥閥，實(shí)現(xiàn)灌溉注肥功能。灌溉施藥過程與灌溉施肥過程相似。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3? 電氣控制系統(tǒng)組成

FX3U系列三菱PLC是第三代微型可編程控制器，內(nèi)置64K大容量RAM存儲器，指令豐富，指令運(yùn)行速度快，功能強(qiáng)。本系統(tǒng)選用FX3U-32M PLC，有16個輸入點(diǎn)，16個輸出點(diǎn)，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(tǒng)資源可以充分滿足實(shí)際功能要求。

水肥藥一體化系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)有PLC、接觸器、水泵電動機(jī)、肥料攪拌電動機(jī)、藥物攪拌電動機(jī)、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(guān)和各種按鈕開關(guān)等組成。

4? ?程序設(shè)計

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

4.1? 手動操作模式

4.1.1 準(zhǔn)備? 系統(tǒng)起動后，當(dāng)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(jī)的起動，進(jìn)行儲水;當(dāng)水位達(dá)到水箱上限位傳感器時，接觸器斷電，水泵電動機(jī)的停止，儲水結(jié)束。

4.1.2 灌溉方式? ①當(dāng)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(jìn)行灌溉;當(dāng)流量計顯示為零時，控制出水電磁閥斷電，排水閥關(guān)閉，灌溉結(jié)束。

②在自動模式下，當(dāng)系統(tǒng)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(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)土壤濕度決定是否進(jìn)行灌溉。

4.1.3 水肥方式? 當(dāng)水肥按鈕按下去，肥料罐進(jìn)水閥打開，與之前倒入的肥料進(jìn)行混合，當(dāng)水位達(dá)到肥料上限位傳感器時，肥料進(jìn)水閥關(guān)閉，同時肥料攪拌電動機(jī)起動，設(shè)定的時間（可以由水肥起動按鈕按下次數(shù)設(shè)定為5S，10S，15S）達(dá)到之后，肥料攪拌電動機(jī)自動停止同時出肥閥和出水閥打開，進(jìn)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(wù)技術(shù)，是2G和3G之間的技術(shù)。具有通信、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程管理等功能，能夠采集PLC串口設(shè)備數(shù)據(jù)。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(zhuǎn)成232的接口轉(zhuǎn)換器。觸摸屏和GPRS無線模塊以及PLC構(gòu)成下位機(jī)模塊。GPRS模塊通過協(xié)議與計算機(jī)連接后，計算機(jī)作為上位機(jī)通過組態(tài)軟件提供相應(yīng)控制面板進(jìn)行下位機(jī)控制。

還可以通過手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)，當(dāng)需要灌溉時，按下滴灌的地塊就可以控制電磁閥關(guān)或開，進(jìn)行灌溉。通過顏色顯示地塊濕度狀態(tài)，白色為干旱，綠色為正常，紅色為正在滴灌。當(dāng)按下水肥混合或水藥混合，啟動水肥藥一體化系統(tǒng)。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(shí)現(xiàn)若干地塊的控制。

5? 結(jié)論

基于PLC的水肥藥一體化控制系統(tǒng)可以達(dá)到節(jié)約用水、提高肥效、省藥、節(jié)約工時和降低成本，達(dá)到增產(chǎn)的目的，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)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(qiáng)的適用性;

參考文獻(xiàn)：

[1] 王 彥，王國強(qiáng)，劉 娜，等. 溫室專用水肥藥一體化滴灌技? ? ? ? ?術(shù)[J]湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018.（5）：41-41+102.

[2] 葉永偉，洪 莉，潘 靜. 設(shè)施櫻桃水肥藥一體化技術(shù)試驗示? ? ? ?范[J] 中國農(nóng)業(yè)信息，2016.（10）：129-131.

[3] 趙繼艷.冀北山區(qū)水肥藥一體化技術(shù)及黃瓜試驗示范與應(yīng)? ? ? 用[J].農(nóng)業(yè)科技通訊，2018.（9）：132-133.

[4] 王云愛，于海歐，徐菊敏.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)“水肥藥一體化”技術(shù).? ? ? 中國農(nóng)業(yè)信息，2013.（ 1）：89.

[5] 呂 品.PLC和觸摸屏組合控制系統(tǒng)的研究[J].自動化儀表，? ? ? ?2010，31（8）：45-47，51.

[6] 葉建平，鄭 萍，李建平，等.基于多模式無線控制的PLC設(shè)? ? ? ?計與研究[J].化工自動儀表，2011，38（8）：978-981.■