合理運(yùn)用PLC技術(shù)，優(yōu)化自動(dòng)化噴灌智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

【摘要】隨著我國農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展，滴灌施肥智能化控制技術(shù)越來越引起人們的關(guān)注，成為未來優(yōu)質(zhì)高效設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢。為此，通過市場調(diào)研，采用PLc控制技術(shù)，進(jìn)行了自動(dòng)化灌溉施肥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)；通過性能測試，實(shí)驗(yàn)取得了較好的效果，為將PLc技術(shù)引入到灌溉施肥控制系統(tǒng)的后續(xù)研究提供了借鑒。

【關(guān)鍵詞】PLc技術(shù)；自動(dòng)化灌溉施肥系統(tǒng)；變頻技術(shù)；托普農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

1. 引言

隨著我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展以及滴灌技術(shù)應(yīng)用的深入，滴灌施肥智能控制技術(shù)在節(jié)水、節(jié)肥、省工、增效方面的優(yōu)勢得到了人們的普遍認(rèn)同，成為未來優(yōu)質(zhì)高效設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢。針對我國精密施肥裝置主要依賴進(jìn)口、自動(dòng)化施肥裝置與市場需要嚴(yán)重脫節(jié)的現(xiàn)狀，本文進(jìn)行了自動(dòng)化施肥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)，將PLC技術(shù)引入到灌溉施肥控制系統(tǒng)中…。

2. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

灌溉施肥系統(tǒng)以滴灌形式來進(jìn)行全自動(dòng)恒量滴灌施肥，根據(jù)用戶設(shè)定的營養(yǎng)液濃度EC值和pH值，滿足農(nóng)作物不同生長階段所需的水以及肥，適時(shí)調(diào)整水肥比例、供給量以及供給時(shí)間。本系統(tǒng)要求根據(jù)設(shè)定的EC值和pH值來進(jìn)行恒量定比滴灌施肥。注肥比例由肥液、酸（堿）液以及灌溉水按照設(shè)定值進(jìn)行在線閉環(huán)調(diào)控實(shí)現(xiàn)，Ec值和pH值作為反饋信號控制注肥泵和注酸泵的運(yùn)轉(zhuǎn)速度來控制肥液和酸液的輸入。其控制參數(shù)的精度要求Ec值為±O，15ms/cm，pH值為±0.15，穩(wěn)定時(shí)間在3 min以內(nèi)，系統(tǒng)超調(diào)小于20%，能以分鐘為單位實(shí)現(xiàn)按時(shí)灌溉施肥。

圖1圖1自動(dòng)化灌溉施肥控制系統(tǒng)

2.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與選型。

（1）系統(tǒng)由電氣控制、主水管路、傳感器和注肥管路4部分構(gòu)成。主水管路由過濾器、壓力表、流量表以及閥門組成，用來獲得系統(tǒng)所需壓力和流量，保護(hù)滴灌水源和灌水器。注肥管路選用機(jī)械隔膜泵來作肥料注入設(shè)備，并配置壓力表和流量計(jì)。電導(dǎo)率（Ec）傳感器和酸堿度（pH）傳感器的測量管路用細(xì)管從主水管道中旁路引出，引出點(diǎn)設(shè)在過濾器前。電氣控制由控制器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，控制器選擇PLC，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選用交流變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)定的灌溉施肥目標(biāo)∽。5J。自動(dòng)化灌溉施肥控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖2控制系統(tǒng)主程序流程圖

（2）考慮系統(tǒng)所需L/O點(diǎn)數(shù)，輸出控制3個(gè)電磁閥和3個(gè)控制電機(jī)的中間繼電器以及兩個(gè)變頻器使能信號控制用的中間繼電器，選取具有40個(gè)L/O點(diǎn)（24/16）的Fx2N-16MR一00l作為控制器。采用三菱F940GOT-LwD-C觸摸屏，通過cOMO RS 422串口與PLC進(jìn)行通信。系統(tǒng)中流量、電導(dǎo)率和pH值傳感器，它們的信都是模擬量，須進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換才能使PLC接收。系統(tǒng)所用的模擬輸入輸出單元為FX2N一5A。變頻凋速器選用臺達(dá)公司的VFD007M46A，460V/0.75KW型交流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器，設(shè)定4～20mA電流信號控制方式。肥料和酸液注入泵選擇上海欣泉公司DBY-10型電動(dòng)隔膜泵，流量范圍0.5m3/h，吸程3m，揚(yáng)程30m，電機(jī)功率1 450r/mi柵.55KW。EC和pH傳感器選擇浙江托普儀器的TZS-ZC-I型電導(dǎo)儀和PH2202 PH儀'6。

圖3比例灌溉注肥程序流程圖

3. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)程序的編制包括PLc程序設(shè)計(jì)和可編程顯示器程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主程序流程圖如圖2所示。

（2）比例灌溉施肥程序是系統(tǒng)控制器的實(shí)現(xiàn)部分，如圖3所示。其中，營養(yǎng)液的表征參數(shù)電導(dǎo)率（Ec值）的控制，采用開環(huán)階躍響應(yīng)環(huán)節(jié)來檢測肥液的靜態(tài)增益K，將K作為智能PID控制器的自適應(yīng)因子。針對pH控制中酸液濃度配制可保持恒定，本文設(shè)計(jì)開環(huán)階躍控制先行的PID控制器，其中的自辨識結(jié)構(gòu)判斷注酸管道是否充滿管道、配合開環(huán)控制時(shí)間，通過對

檢測值PV與初始值PV（0）的差E來控制開關(guān)Sw，從而完成進(jìn)行PID控制和階躍控制兩個(gè)控制模式的切換¨J。

（3）觸摸屏編輯軟件SwOPC-FxDU/wIN-CL提供了多種控制器件、圖形控件及功能組件可實(shí)現(xiàn)顯示與控制功能，畫面由參數(shù)設(shè)置界面、操作控制界面和生產(chǎn)管理界面等組成，對PLC中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲和處理。三菱Fx2N-16MR-OOl型PLC可在其編程軟件SwOPC-FxGP/wIN～C的運(yùn)行環(huán)境中用梯形圖或語句表編程。

圖4肥水EC/PH值的響應(yīng)曲線

4. 系統(tǒng)的安裝與性能測試

（1）完成了系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計(jì)選型后，需進(jìn)行系統(tǒng)的機(jī)械總裝和電器的安裝與調(diào)試，可采用機(jī)械部分和電氣部分物理結(jié)構(gòu)獨(dú)立的設(shè)計(jì)方法同時(shí)進(jìn)行。系統(tǒng)裝配調(diào)試好后，本文進(jìn)行了營養(yǎng)液Ec值和pH值的控制性能測試，如圖4所示。

（2）結(jié)果表明，EC值的穩(wěn)定時(shí)間在3min之內(nèi)，精度達(dá)到0.15ms/cm，起調(diào)量小于20%，PH值的穩(wěn)定時(shí)間3分鐘左右，精度在0.15PH，起調(diào)量小于20%，基本滿足要求（滴頭水流的EC/PH值采樣見表1）。

5. 結(jié)論

本文通過市場調(diào)研，分析了泵人式注肥系統(tǒng)的功能需求，進(jìn)行了自動(dòng)化灌溉施肥系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)以及選型，完成了控制系統(tǒng)的安裝與性能測試，取得較好的效果，為將PLC技術(shù)引入到灌溉施肥控制系統(tǒng)的后續(xù)研究提供了硬軟件平臺。

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