基于PLC技术的自动化灌溉施肥系统的设计

２０１　１年９月　农机化研究　第９期　基于ＰＬＣ技术的自动化灌溉施肥系统的设计　李　伟　（河南机电高等专科学校机电工程系，河南新乡４５３００２）　摘要：随着我国农业科技的发展，滴灌施肥智能化控制技术越来越引起人们的关注，成为未来优质高效设施　农业的发展趋势。为此，通过市场调研，采用ＰＬＣ控制技术，进行了自动化灌溉施肥系统的设计开发；通过性能　测试，实验取得了较好的效果，为将ＰＬＣ技术引入到灌溉施肥控制系统的后续研究提供了借鉴。　关键词：ＰＬＣ技术；自动化灌溉施肥系统；变频技术　中图分类号：ＴＰ２７３　．５；￥２２４．２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３－１８８Ｘ（２０１１）０９－０１０７－０３　０引言　水源和灌水器。注肥管路选用机械隔膜泵来作肥料　注入设备，并配置压力表和流量计。电导率（ＥＣ）传　随着我国现代化农业的发展以及滴灌技术应用　感器和酸碱度（ｐＨ）传感器的测量管路用细管从主水　的深入，滴灌施肥智能控制技术在节水、节肥、省工、　管道中旁路引出，引出点设在过滤器前。电气控制由　增效方面的优势得到了人们的普遍认同，成为未来优　控制器和传动机构组成，控制器选择ＰＬＣ，传动机构　质高效设施农业的发展趋势。针对我国精密施肥装　选用交流变频调速驱动方式，实现系统预定的灌溉施　置主要依赖进口、自动化施肥装置与市场需要严重脱　肥目标　Ｊ。自动化灌溉施肥控制系统如图１所示。　节的现状，本文进行了自动化施肥系统的设计开发，　将ＰＬＣ技术引入到灌溉施肥控制系统中¨Ｊ。　１　系统硬件设计　Ｌ　１．１　系统设计要求　灌溉施肥系统以滴灌形式来进行全自动恒量滴　ｌ注肥管道　酸管道Ｌ　肥水　灌施肥，根据用户设定的营养液浓度Ｅｃ值和ｐＨ值，　吸肥厂Ｌ、　Ｉ　吸酸　满足农作物不同生长阶段所需的水以及肥，适时调整　水肥比例、供给量以及供给时间。本系统要求根据设　定的ＥＣ值和ｐＨ值来进行恒量定比滴灌施肥。注肥　比例由肥液、酸（碱）液以及灌溉水按照设定值进行在　线闭环调控实现，ＥＣ值和ｐＨ值作为反馈信号控制注　肥泵和注酸泵的运转速度来控制肥液和酸液的输入。　考虑系统所需Ｉ／Ｏ点数，输出控制３个电磁阀和３　其控制参数的精度要求ＥＣ值为±Ｏ．１５ｍｓ／ｃｍ，ｐＨ值　个控制电机的中间继电器以及两个变频器使能信号控　为±０．１５，稳定时间在３ｍｉｎ以内，系统超调小于２０％，　制用的中间继电器，选取具有４０个Ｉ／Ｏ点（２４／１６）的　能以分钟为单位实现按时灌溉施肥，精度为３０ｓ　Ｊ。　ＦＸ２Ｎ一１６ＭＲ一００１作为控制器。采用三菱Ｆ９４０ＧＯＴ—　１．２系统硬件设计与选型　ＬＷＤ—Ｃ触摸屏，通过ＣＯＭＯ　ＲＳ　４２２串口与ＰＬＣ进行　系统由电气控制、主水管路、传感器和注肥管路４　通信。系统中流量、电导率和ｐＨ值传感器，它们的信　部分构成。主水管路由过滤器、压力表、流量表以及　号都是模拟量，须进行模数转换才能使ＰＬＣ接收。系　阀门组成，用来获得系统所需压力和流量，保护滴灌　统所用的模拟输入输出单元为ＦＸ２Ｎ一５Ａ。变频调速　器选用台达公司的ＶＦＤ００７Ｍ４６Ａ，４６０Ｖ／０．７５ｋＷ型交　收稿日期：２０１０—０６—１１　基金项目：河南省科技攻关项目（０５２４２６００５１）　流马达驱动器，设定４—２０ｍＡ电流信号控制方式。肥　作者简介：李伟（１９８１一），男，河南新乡人，讲师，硕士研究生，（Ｅ—　料和酸液注入泵选择上海欣泉公司ＤＢＹ一１０型电动隔　ｍａｉｌ）ｌｉｗｅｉ一１９８１１１０６＠１６３．ｔｏｎｉ。　膜泵，流量范围０．５ｍ。／ｈ，吸程３ｍ，扬程３０ｍ，电机功率　２０１　１年９月　农机化研究　图或语句表编程。　第９期　１　４５０ｒ／ｒａｉｎ／０．５５ｋＷ。ＥＣ和ｐＨ传感器选择新三可仪　器公司的ＣＯＮ２１０２电导率仪和ＰＨ２２０２　ＰＨ仪［６－７］。　２系统软件设计　系统程序的编制包括ＰＬＣ程序设计和可编程显　示器程序设计。系统主程序流程图如图２所示。　开始　初始化管理程序　系统参数设定　否　时序控制灌溉施肥方　～　执行比例灌溉施肥程序　执行时序控制灌溉施肥程序　Ｉ否　否　‘：：：：　：：：竺兰兰兰　图３　比例灌溉注肥程序流程图　Ｆｉｇ．３　Ｔｈｅ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｆｌｏｗ　ｃｈａｒｔ　ｏｆｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ｏｆｆａｔ　‘　ａｎｄ　ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ　结束　３　系统的安装与性能测试　完成了系统设备的设计选型后，需进行系统的机　械总装和电器的安装与调试，可采用机械部分和电气　部分物理结构独立的设计方法同时进行。系统装配　调试好后，本文进行了营养液Ｅｃ值和ｐＨ值的控制性　能测试，如图４所示。　２．　２．　２．　１．　１．　茸　图２控制系统主程序流程图　Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｆｌｏｗ　ｃｈａｒｔ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　比例灌溉施肥程序是系统控制器的实现部分，如　图３所示。其中，营养液的表征参数电导率（ＥＣ值）　的控制，采用开环阶跃响应环节来检测肥液的静态增　益Ｋ，将Ｋ作为智能ＰＩＤ控制器的自适应因子。针对　ｐＨ控制中酸液浓度配制可保持恒定，本文设计开环　阶跃控制先行的ＰＩＤ控制器，其中的自辨识结构判断　注酸管道是否充满管道、配合开环控制时间，通过对　检测值ＰＶ与初始值ＰＶ（０）的差Ｅ来控制开关ＳＷ，　从而完成进行ＰＩＤ控制和阶跃控制两个控制模式的　切换　。　０　１．　●　１．　１．　０－　０．　０・　０．　触摸屏编辑软件ＳＷＯＰＣ＿ＦＸＤＵ／ＷＩＮ—ＣＬ提供了　多种控制器件、图形控件及功能组件可实现显示与控　制功能，画面由参数设置界面、操作控制界面和生产　管理界面等组成，对ＰＬＣ中的实时数据进行显示、存　储和处理。三菱ＦＸ２Ｎ一１６ｂｌＲ－００１型ＰＬＣ可在其编　程软件ＳＷＯＰＣ—ＦＸＧＰ／ＷＩＮ—Ｃ的运行环境中用梯形　・图４肥水ＥＣ／ｐＨ值的响应曲线　Ｆｉｇ．４　Ｔｈｅ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ＣＵｌＷｅ　ｏｆ　ＥＣ／ｐＨ　ｖａ￣ｌｌｅＳ　ｏｆ　Ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ　Ｗａｔｅｒ　结果表明，Ｅｃ值的稳定时间在３ｍｉｎ之内，精度　ｌＯ８・　２０１　１年９月　农机化研究　第９期　４　结论　本文通过市场调研，分析了泵入式注肥系统的功　能需求，进行了自动化灌溉施肥系统的软硬件设计以　及选型，完成了控制系统的安装与性能测试，取得较　好的效果，为将ＰＬＣ技术引入到灌溉施肥控制系统的　后续研究提供了硬软件平台。　参考文献：　［１］李富先，吕新，潘冬梅．棉花膜下滴灌比例混合变量施肥　装置的研发与应用［Ｊ］．节水灌溉，２００７（２）：２２—２４．　［２］　于英杰，张书慧，齐江涛，等．基于ＡＲＭ的变量施肥控制　系统的研究［Ｊ］．农机化研究，２００８（１）：４７—５０．　［４］周梅芳．基于ＰＬＣ的智能ＰＩＤ控制方法及其应用［Ｊ］．化　工自动化及仪表，２００３，３０（６）：４６—４８．　［５］李锐，袁军．单片机实现自动灌溉及施肥系统［Ｊ］．计算机　应用，２００１（８）：２１９—２２１．　［６］　罗金耀．我国设施农业节水灌溉理论与技术研究进展　［Ｊ］．节水灌溉，２００３（３）：１１—１５．　［７］李久生．滴灌施肥灌溉原理与应用［Ｍ］．北京：中国农业　科学技术出版社，２００３：２－２５．　［８］张源沛．灌溉施肥原理及其应用［Ｊ］．宁夏农林科技，２０００　（３）：１０—１２．　［９］张承林，郭彦彪．灌溉施肥技术［Ｍ］．北京：化学工业出版　社，２００６．　［１０］　李凯，毛罕平．实时施肥灌溉自动控制系统的研制［Ｊ］．　［３］王晓健．单片机模糊控制节水灌溉系统设计［Ｊ］．安徽农　业科学，２０１０（１）：３６５—３６６，４２２．　江苏理工大学学报，２００１，２２（１）：１２—１６．　Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＰＬＣ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｌｉ　Ｗｅｌ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｎａｎ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉｎｘｉａｎｇ　４５３００２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｄａｙ，Ｃｈｉｎａ　Ｓ　ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｌ　ｓｃｉａｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｉｓ　ｖｅｒｙ　ｆａｓｔ，ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｆｅｒｔｉｇａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｈａｓ　ｄｒａｗｎ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｂｅｃｏｍｅ　ｈｉ【ｇｈ　ｑｕａｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｅｆｉｃｉｆｅｎｔ　ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ　ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　ｔｒｅｎｄｓ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｍａｒｋｅｔ　ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｕｓｉｎｇ　ＰＬＣ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ａｕｔｏｍａｔｅｄ　ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ，　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｔｅｓｔ　ｔｏ　ｏｂｔａｉｎ　ｇｏｏｄ　ｒｅｓｕｌｔｓ，ｐｒｏｖｉｄｅｄ　ａ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ＰＬＣ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｆｅｒ—　ｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＰＬＣ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ；ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　・１０９・