基于PLC的果園水肥一體化控制系統(tǒng)設計

詹 宇,胡佳寧,任振輝

(1.河北農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院,河北 保定 071001;2.石家莊鑫農(nóng)機械有限公司,石家莊 052400)

0 引言

隨著國內(nèi)果園逐漸規(guī)模化發(fā)展,傳統(tǒng)的溝灌、漫灌方式及人工撒肥、開溝施肥不僅占用了大量的農(nóng)村勞動力,還使得水、肥資源嚴重浪費,甚至會破壞土壤結構[1-2]。為此,開發(fā)一個適用于果園的精準水肥一體化控制系統(tǒng)十分必要。我國在1974年從墨西哥引進3套滴灌設備至今,水肥一體化技術和應用得到了廣泛的重視和發(fā)展,但與以色列、美國等農(nóng)業(yè)發(fā)達國家相比,技術仍很落后[3]。目前,國內(nèi)在開發(fā)水肥一體化控制系統(tǒng)時,主要是以單片機為核心[4-7],而PLC具有較強的抗干擾能力和良好的穩(wěn)定性,因此更適用于果園水肥一體化設備[8-10]。本文設計的基于PLC的果園水肥一體化控制系統(tǒng)包括灌溉水過濾子系統(tǒng)、混肥子系統(tǒng)及施肥和反沖洗子系統(tǒng),能夠保證水肥溶液pH值和EC值的平衡,以及施肥的均勻性和系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,獲得良好的果園經(jīng)濟效益。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

控制系統(tǒng)由觸摸屏、PLC、數(shù)字量輸出拓展模塊、混肥罐、施肥罐、電磁閥、電動閥、循環(huán)電機、攪拌電機、柱塞泵和加壓泵等組成,同時配備了壓力傳感器、液位傳感器、pH值傳感器、EC值傳感器和土壤濕度傳感器用于檢測系統(tǒng)工作參數(shù)和土壤濕度。系統(tǒng)可以在不同的施肥總袋數(shù)和單次混肥袋數(shù)下運行,運行前需要選擇所使用的混肥罐和施肥罐,兩個混肥罐可以間斷進行混肥,4個施肥罐可以獨立進行施肥,縮短了工作時間,提高了工作效率。控制系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)工作流程圖Fig.1 The workflow of control system

系統(tǒng)運行時,灌溉水源經(jīng)過離心、砂石和疊片三級過濾后注入混肥罐中,保證了灌溉水源的質量。肥料由送肥裝置送進混肥罐中,經(jīng)過循環(huán)和攪拌過程充分被溶解在灌溉水源中。由于果園作物pH值最適宜范圍為6.0～8.0,因此在進行水肥混合時將pH值設定為7.0。當混肥罐中的pH值不等于7.0時,通過計量泵向混肥罐中添加調(diào)節(jié)試劑,最終將水肥溶液pH值穩(wěn)定在7.0。另外,系統(tǒng)對EC值設定為1 500μs/cm。當水肥溶液pH值和EC值符合設定要求后注入施肥罐,由柱塞泵將肥液送至末端滴灌裝置,完成果樹根系土壤的灌溉施肥過程。在灌溉施肥過程中,當管道壓力不足4kPa時,加壓泵會啟動,從而保證系統(tǒng)的運行壓力;在施肥結束后,啟動反沖洗子系統(tǒng),使用過濾水完成設備的反沖洗過程。

2 系統(tǒng)硬件設計

控制系統(tǒng)硬件包括1個西門子SMART 1000 IE V3觸摸屏、1個西門子S7-200 SMART ST40型PLC、4個西門子數(shù)字量輸出拓展模塊DR08。其中,PLC與觸摸屏之間通過網(wǎng)線連接,PLC與DR08模塊通過模塊拓展口連接。硬件系統(tǒng)接線如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)接線圖Fig.2 The wiring diagram of hardware system

系統(tǒng)選擇支持Modbus通訊協(xié)議、具有RS-485輸出方式的傳感器來檢測系統(tǒng)運行狀態(tài)和土壤濕度,包括用于檢測混肥罐和施肥罐液位的6個量程為0～2m、精度為0.5%FS的星儀液位傳感器CYW11-L2-B3-RS-B-G(從站地址1-6),用于檢測管道出口壓力的1個量程為0～20kPa、精度為0.5%FS的星儀壓力傳感器CYW11-H-05-RS-14-B-G-D(從站地址7),用于檢測混肥罐中溶液pH值的2個量程為0～14pH、精度為±0.02pH的賽亞斯pH值傳感器OSA-14(從站地址8、9),用于檢測混肥罐中溶液EC值的2個量程為0～2000uS/cm、精度為1.0uS/cm的搜博EC值傳感器SM2130B-EC(從站地址10、11),用于檢測土壤濕度的4個量程為0～60%RH、精度為±2%的星儀土壤濕度傳感器CSF11-100-A1-B-G(從站地址12-15)。其硬件系統(tǒng)DO分配如表1所示。

表1 硬件系統(tǒng)DO分配表Table 1 The DO distribution table of hardware system

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 SMART 1000 IE V3觸摸屏軟件設計

觸摸屏的主要功能是與CPU相互配合,通過人機交互界面實現(xiàn)用戶對水肥一體化系統(tǒng)的控制。文中采用西門子WinCC Flexible Smart V3完成觸摸屏程序的編寫,使用網(wǎng)線通過以太網(wǎng)口進行程序下載。系統(tǒng)的觸摸屏人機交互界面包括開機界面、手動控制界面、自動控制界面、歷史數(shù)據(jù)界面和動態(tài)監(jiān)控界面。歷史數(shù)據(jù)界面為用戶提供了1h內(nèi)的參數(shù)歷史曲線,用戶可以根據(jù)需要選擇1號或2號混肥罐的pH值和EC值進行查詢;動態(tài)監(jiān)控界面以圖形的形式反映系統(tǒng)的實時運行狀況,包括罐內(nèi)液位、電磁閥狀態(tài)等,如圖3所示。不同的數(shù)據(jù)值和曲線由不同的傳感器采集,對應PLC的不同數(shù)據(jù)地址,傳感器從站地址1～15分別對應PLC的寄存器VW1000-VW2400。

圖3 動態(tài)監(jiān)控界面Fig.3 Dynamic monitoring interface

3.2 S7-200 SMART PLC軟件設計

中采用西門子STEP7-MicroWINSMART完成PLC程序的編寫,使用網(wǎng)線通過以太網(wǎng)口進行程序下載。

3.2.1 Modbus通訊設置

系統(tǒng)運行主要依賴于傳感器采集的數(shù)據(jù)信息,因此控制系統(tǒng)程序設計首先需要對Modbus通訊進行設置,文中使用MBUS_CTRL程序和MBUS_MSG程序完成PLC與傳感器的通訊和數(shù)據(jù)傳送。MBUS_CTRL中EN為1時導通,通訊方式選擇Modbus通訊協(xié)議,波特率設置為9 600,奇偶校驗位選擇無校驗。MBUS_MSG中同樣是EN為1時導通,Slave從站地址分別設為1～15,RW位選擇讀取,將傳感器傳回的數(shù)據(jù)放置在VW1000-VW2400中。當Error位返回數(shù)據(jù)為0時,說明傳感器與PLC之間通訊成功,此時傳感器數(shù)據(jù)被放置在所選擇的VW字節(jié)中。1號混肥罐液位傳感器通訊梯形圖程序如圖4所示。

圖4 傳感器通訊梯形圖程序Fig.4 The ladder program of sensor communication

3.2.2 灌溉水過濾子系統(tǒng)軟件設計

灌溉水三級過濾包括離心、砂石和疊片過濾,可有效去除水中雜質。在系統(tǒng)完成灌溉施肥設置并開始運行后,根據(jù)設置選擇使用1號或2號混肥罐進行混肥。選擇1號混肥罐工作時,當VW1000寄存器中數(shù)據(jù)小于等于設定高水位VW2600時,QO.O、Q0.2和Q8.4被置1,QO.4被置0;1號混肥罐三級過濾裝置啟動,灌溉水經(jīng)過濾后注入1號混肥罐中。當在系統(tǒng)灌溉施肥完畢后,QO.O、Q0.2被置0,QO.4被置1,系統(tǒng)開始進行過濾裝置的排污過程。

3.2.3 混肥子系統(tǒng)軟件設計

混肥子系統(tǒng)通過程序控制混肥過程,使肥料與灌溉水充分混合,并且通過程序調(diào)節(jié)水肥溶液的pH值和EC值。系統(tǒng)通過設置混肥罐中的液位來控制灌溉水注入量(以選擇1號混肥罐和1號施肥罐為例),當VW1000寄存器中數(shù)據(jù)大于等于設定高水位VW2600后,Q8.4被置0,停止注水;一定時間后,Q1.6和Q8.0被置1,開始循環(huán)和攪拌。當EC值傳感器VW1900中的數(shù)據(jù)符合VW4100中的EC設定值后,Q1.6和Q8.0被置0,循環(huán)和攪拌停止。此時,若pH值傳感器VW1700中數(shù)據(jù)不符合VW4000中的pH設定值,Q8.2被置1,1號計量泵向該混肥罐中添加調(diào)節(jié)試劑; 當VW1700中數(shù)據(jù)符合設定值后,混肥結束,Q8.5和Q12.2被置1,水肥溶液開始注入所選擇的施肥罐中;當VW1000寄存器中數(shù)據(jù)小于等于設定低水位VW2500后,Q8.5和Q12.2被置0。混肥子系統(tǒng)攪拌程序梯形圖如圖5所示。

圖5 攪拌程序梯形圖Fig.5 The ladder program of stirring

3.2.4 施肥和反沖洗子系統(tǒng)軟件設計

選擇1號混肥罐和1號施肥罐,在施肥3袋和單次混肥2袋下進行介紹。水肥溶液混合完成后Q12.2被置1,混合液注入施肥罐; 當1號施肥罐液位值VW1200大于或等于設定施肥高水位后,Q8.1和Q12.3被置1,柱塞泵開始從1號施肥罐向末端滴灌裝置泵送水肥溶液;當VW1200小于設定施肥低水位后,Q8.1被置0,停止柱塞,在第2次混肥完成后重復上述工作。因為施肥袋數(shù)是單次混肥袋數(shù)的2倍(進位計數(shù)),所以施肥過程需要重復兩次。施肥完成后,注入過濾水完成反沖洗過程。

4 系統(tǒng)運行試驗

系統(tǒng)于2018年6月和2018年8月分別在河北省石家莊鑫農(nóng)機械有限公司的試驗果園和河北省衡水市武邑縣的示范果園以不同的施肥制度進行了運行試驗,在灌溉施肥過程中對運行數(shù)據(jù)進行了記錄。

2018年8月,對果樹施加氮肥時,1號混肥罐中水肥溶液EC值調(diào)節(jié)如表2所示。其反映了在整個混肥過程中溶液EC值的調(diào)節(jié)變化,能夠在20min內(nèi)將水肥溶液的EC值穩(wěn)定在1 500uS/cm左右且完成混肥工作。1號混肥罐中水肥溶液pH值調(diào)節(jié)曲線如圖6所示。由圖6可知,系統(tǒng)能夠在20s內(nèi)將水肥溶液的pH值調(diào)節(jié)到7.0,符合果樹的生長環(huán)境要求。管道出口的壓力調(diào)節(jié)曲線如圖7所示。由圖7可知,系統(tǒng)能夠使設備在4kPa的壓力下運行。多次試驗結果表明:系統(tǒng)可以精準調(diào)節(jié)水肥溶液的pH值和EC值,保證了系統(tǒng)的精準、穩(wěn)定運行, 滿足了果園作物的養(yǎng)分需求。

表2 混肥罐EC值調(diào)節(jié)表Table 2 The table of EC adjustment of mixing tank

圖6 混肥罐pH調(diào)節(jié)曲線Fig.6 The pH adjustment curve of mixing tank

圖7 管道壓力調(diào)節(jié)曲線Fig.7 The pressure adjustment curve of pipeline

5 結論

本文設計了一個基于PLC的果園水肥一體化控制系統(tǒng),實現(xiàn)了系統(tǒng)的精準控制和穩(wěn)定運行,得出以下結論:

1)使用觸摸屏完成了人機交互界面設計,操作簡單,功能強大,可以實時顯示系統(tǒng)的運行參數(shù)和歷史信息,用戶可以便捷地制定灌溉施肥方案,掌握設備運行狀態(tài)。

2)使用傳感器檢測混肥過程中pH值和EC值的變化,通過調(diào)節(jié)控制在20s內(nèi)實現(xiàn)了水肥溶液的pH值保持在7.0、在20min內(nèi)EC值保持在1 500μs/cm的目標,滿足了果園作物的養(yǎng)分和生長環(huán)境需求。

3)為防止設備管道堵塞,系統(tǒng)在施肥結束后會使用過濾水進行反沖洗過程,保證了設備管道的暢通,對設備的穩(wěn)定運行很有幫助。