基于PLC的壓力供肥控制系統設計

郭 武

（湖南應用技術學院機電工程學院，湖南 常德 415000）

“民以食為天”，打造強大的農業種植“田園”是實現美好生活的必經之路。但是種植經濟作物會導致土壤肥力快速流失，影響來年作物的收成及品質。對土地生態系統中的物質循環的特點進行關注，補充土壤肥力是提高作物產量及品質的有效手段，其中液態肥的施用具有便捷、經濟、高效、污染少等諸多優點[1]。調查發現，現有大多是地面噴施、管路錯綜復雜、移動成本高，不利于土壤的快速翻耕，鋪設成本高。文章設計了一種基于PLC的簡單壓力供肥控制系統[2]。

1 系統的工作原理及組成

1.1 點施設計

管路鋪設于地面以下，可根據相關作物的生長機理確定根部土壤的需求深度H，管路上部開有液態肥點施口，見圖1。

圖1 管路及液態肥釋放孔Fig.1 The pipeline and liquid fertilizer release hole

1.2 控制系統原理

通過檢測土壤檢測傳感器的信號，由接收信號的PLC 控制泵的啟停泵運作的數量。土壤檢測傳感器檢測到土壤肥力不足，泵1 啟動，30 s 后因壓力不足或投施速率低，檢測到氮磷鉀濃度仍過低，泵2 啟動，30 s 后因壓力不足或投施速率低，檢測氮磷鉀濃度仍過低，泵3 啟動；任一時刻，當檢測到氮磷鉀濃度達到設定值后，編號高的泵不再啟動并立即停止編號最低的泵，30 s 后再停止編號次低的泵，直至所有泵停止工作。

圖2 系統框圖Fig.2 The system block diagram

1.3 主要部件選型

土壤檢測傳感器選用威海晶合的氮磷鉀檢測傳感器，其具有IP67級防水能力，抗腐蝕性好，響應時間＜10 s，測量范圍0～1 999 mg/kg，分辨率及精度±2%F·s，工作溫度5℃～45℃，可拓展性能優異。

PLC選用三菱FX2N-48MR（本適用場景，I/O端口有較大富余）。其具有輸入/輸出端口各24點、速度快、體積小巧、價格適中、可拓展性強等特點。

泵選擇上海邊科機械集團有限公司生產的QBY-25（實際使用視施肥流量選擇）隔膜泵，其具有耐腐蝕性好、不易卡機等特點。

2 系統軟件設計

2.1 I/O端口分配

表1 壓力供肥控制I/O分配表Tab.1 The pressure fertilizer supply control I/O distribution table

2.2 程序設計

2.3 程序仿真

啟動系統，通過關聯設計的壓力供肥PLC 程序，當土壤氮磷鉀的濃度比預設的濃度值低時，泵1能立即運行，通過輸送液態養料到達點施位置。泵1 運行30 s 后，如若點施位置仍未達到濃度預設值，此時泵2 也運行，2 臺泵同時工作。泵1、泵2再運行30 s后，如若點施位置仍未達到濃度預設值，此時泵3 運行，3 臺泵同時工作，直至點施位置濃度達到預設濃度值。任意時刻達到濃度預設值，泵1（最低編號）都立即停止工作，其他泵將在泵1停止后每30 s動作1次，且泵2（次低編號）在前30 s 周期時刻停止（如若泵1 工作時，土壤濃度已達預設值，泵2、泵3未啟動），泵3在后30 s周期停止（如若泵1 或泵2 時，土壤濃度已達預設值，泵3 未啟動）。系統啟動時，可實現自動化循環工作；任意時刻，工作人員都可手動停止系統。

圖3 壓力供肥系統啟動Fig.3 The startup of pressure fertilizer supply system

圖4 泵1工作Fig.4 The operation of first pump

圖5 泵2工作Fig.5 The operation of second pump

圖6 泵3工作Fig.6 The operation of third pump

圖7 泵1停止Fig.7 The first pump stop

圖8 泵2停止Fig.8 The second pump stop

圖9 手動停機Fig.9 The manual shutdown

3 關于壓力供肥控制系統的其他問題

3.1 管道及點施口

供肥管道鋪設于地下的研究相對較少，在第一次鋪設時經費可能比鋪設于地面更高，但是在大面積連年耕種時，鋪設于地下擁有一次投入永久使用、不影響地面耕作、土壤增肥見效快、養料幾乎無損失、綜合經濟性好等諸多優點。鋪設之后，根據土壤及作物特性配物相應營養液，地上面可種植任何作物。管道鋪設地下，對點施口的設計要求比較高。點施口位于管道上方，易受泥土堵塞，工作時要求管道壓力較大，對于大面積點施耕地來說耗能較大、設備使用壽命易縮短，不經濟。點施口位于管道下方，點施肥力難以快速抵達作物吸收有效區域，不僅浪費肥料，隨著工作時間的增加，能耗、設備運作時間也都將增加，同樣不經濟。所以采用斜上點施、保證一定的管壓、選擇新型節水灌溉自動化控制系統田間終端控制閥等，是保證高效、長壽命、經濟性的關鍵[3]。

3.2 集中供肥與分散供肥

大面積供肥要求有較大壓力、檢測信號多，過程中因為土壤肥料的消耗速率不同，過多點施易對植物的生長造成損害；小面積分散點施具有響應迅速、土壤濃度適中、能耗小、信號線路及器材選用的經濟性好等優點，但面積太小則產值小，設備成本較難回收。所以在選擇管路鋪設時，要注意管道串并聯、易更改等問題。另外，元器件的價格走勢及當時能源的經濟性也需要考慮到。

4 結語

（1）設計了基于PLC 的壓力供肥控制系統，根據供肥系統需要不定時自動供肥等特點，采用了基于傳感器的氮磷鉀信號檢測元件，信號響應迅速、便捷可靠。選用的PLC 功能強大、穩定快速。隔膜泵抗腐蝕、流量及壓力穩定、不易卡機，無人化工作狀態友好。通過PLC 較好地控制泵的啟停，仿真中達到了預期的自動啟停、壓力供肥目標。

（2）針對壓力供肥的點施口選擇及供壓場景做了對比分析，提供了供肥系統優化方向。