基于PLC 的精準變量水肥一體化設備研制分析

王 力，楊亞飛，王國強，張彥陽，伏自強

(江蘇農牧科技職業學院，225300，江蘇泰州)

無論是大田作物還是園藝作物，栽種過程中均存在水肥應用不合理的情況，水肥用量過多導致土壤質量下降，不利于作物生長。正因如此，當前急需針對水肥制定合理應用方式，實現綠色生產。近年來，我國愈發重視水肥一體化技術，引入大量技術及設備，但目前仍舊處于研究初期，并且裝備穩定性不佳，不適用于我國農業種植，可靠性有待提升，水肥一體化技術應用因此受到限制?；诖耍恼陆Y合實例探討基于PLC 的精準變量水肥一體化設備研制，以解決上述問題。

1 PLC 精準變量概述

變量即是能夠變化的量，由PLC（可編程邏輯控制器）自行為數據規劃儲存空間。和以往采取的物理存儲方式有所不同，基于IEC61131 標準的PLC 變量成為開關、變頻器等部件與程序相連接的途徑。對PLC來說，精準變量旨在辨識輸入內容、輸出內容和內部空間占用情況。而PLC 編程可看作不同變量操作方式。高速運行程序不僅要具備合理的結構，還要確保精準變量名合理，如此程序才能正常運行。

2 設備系統架構設計

針對水肥一體化技術應用過程中受到的限制，以PLC 技術為基礎研制精準變量智能水肥一體化設備。該設備組成分為三個部分，即土壤墑情采集單元、灌溉施肥系統和控制系統。土壤墑情采集單元主要是通過調用EC（電導率）傳感器、pH 傳感器采集當前土壤信息?？刂葡到y由可編程邏輯控制器及人機界面觸摸屏等部件組成，針對二者配備通信協議，采取統一串行接口傳輸信息，土壤墑情采集單元采集的信息最終都會傳至觸摸屏中，系統會結合信息提供最為科學的肥料應用方案，憑借PLC 技術將具體指令發送至灌溉施肥系統。灌溉施肥系統包括射流式自吸泵、吸肥器、比例電磁閥等多個元件，系統被調用之后會按照接收的指令執行具體操作，如肥料輸送、營養液澆灌等。設備通過變量方式為農作物施加所需肥料，滿足作物生長過程中對氮、磷等元素供應提出的要求。

設備工作流程詳情為：先由土壤墑情采集單元收集目標基本信息，之后傳輸至控制系統；之后控制系統將信息發送至觸摸顯示屏中，觸摸顯示屏會基于信息內容制定當前環境下最適合作物生長的元素用量方案；PLC 技術會結合具體數據調整各個比例電磁閥開啟狀態，控制不同液態肥用量，利用電磁流量計將肥料使用情況回傳至觸摸屏中；結合肥料用量再次對電磁閥當前工作狀態進行調整，使肥料實際用量與用量方案保持一致，實現精準控制。

3 系統硬件架構分析

3.1 土壤墑情采集單元設計

對農作物生長而言，合理灌溉是不可缺少的重要條件。農作物生長過程中所需的灌溉量及灌溉頻率主要取決于土壤墑情數據。土壤墑情采集單元配有多個傳感器，統一選用485 通信方式進行通信，基于S7-200 PLC 設置通信協議。使用2265FS 型EC 傳感器，收集農作物種植環境中的土壤信息，確定當前電導率。這種方式的優勢在于不需要采集農作物種植環境中的土壤，對土壤測量之前無需采取預處理措施，流程得到簡化，效率有所提升，測量結果更為精準。土壤墑情采集單元選用pH-1800 型pH 傳感器，該裝置最大的優勢在于具有較高的分辨率，能夠測定土壤中的pH 數值，靈敏度高且較為穩定。單元選用FDS-100 型水分傳感器，這類傳感器即使長時間埋藏在土壤中仍舊可以正常工作，這也是單元選用該型號裝置的主要原因，運行過程中對土壤表層及深層進行檢測，具備實時監測功能，便于隨時掌握土壤信息變化。

3.2 精準變量水肥一體化控制系統設計

控制系統在設備中占有非常重要的位置，旨在處理土壤墑情采集單元收集的信息，以此為基礎針對作物生長設計肥料應用方案，控制各類肥料比例，確保方案科學合理，調整射流式自吸泵工作狀態。土壤墑情采集單元完成信息收集之后會利用MODBUS 協議將信息傳至PLC 中，電磁流量計主要用于計算水流量并將相關信息內容轉化為電信號，經光電隔離處理之后反饋至PLC 中。系統運行階段，PLC 通過串行接口將接收的信息傳遞至觸摸顯示屏，之后操作觸摸顯示屏確定灌溉時間及肥料應用方案，隨即再次通過串行接口將信息回傳至PLC 中，PLC 會根據反饋的信息發出控制指令操作電磁閥。該設備所用PLC 是由西門子工業推出的6ES7 216-2AD23-0XB8 系列產品。觸屏顯示裝置選用功耗較低的CPU，為方便人機交流配備了高約7 英寸的觸摸顯示屏，分辨率較高，同時裝配4 線電阻式觸摸顯示屏，基于二者搭建信息傳輸通道。

3.3 灌溉施肥系統設計

設備的灌溉施肥系統組成復雜，包括射流式自吸泵、吸肥器等部件。但系統被設備調用之后，PLC 會向自吸泵發出指令，農作物種植用水直接進入管道內，在吸肥裝置作用下，各類液態肥進入對應管道，比例電磁閥會結合PLC 發出的信號控制不同管道液態肥流量，電子流量計會計算液態肥流量，并將信息傳輸至控制系統，控制系統分析之后調整比例電磁閥工作狀態，使液態肥實際流量與方案用量保持一致，最終由設備管道將液態肥施加給農作物。設備所用射流式自吸泵型號為BJZ150T，運行過程中覆蓋范圍半徑可達50 m，液態肥最大流量為4.8 m3/h，部件滿足設備要求。吸肥裝置具備節流特性，如果農作物灌溉水流入吸肥裝置內部收斂處，吸肥裝置內會有吸力產生，受氣壓影響灌溉水直接流入管道。比例電磁閥分為電磁線圈、鐵芯等多個部分，由PLC 發出的指令調節當前工作狀態，控制不同管道內部液態肥流量。設備選用型號為YF-S201B 的電磁流量計，組成復雜，包括閥體、水流轉子等不同組件，通過計算掌握水流量變化情況，采集相關數據信息并傳輸至PLC 中，經觸摸顯示屏展示。

4 設備系統軟件分析

設備所用S7-200 PLC 是以STEP7 MicroWIN V4.0 SP9 作為基礎進行研發的，采取梯形圖方式編寫設備運行所需程序，選擇PC/PPI 電纜和PC 端之間建立連接實現信息傳輸。設備程序主體分為采集土壤墑情數據、控制比例閥開關度、初始化程序等多個部分。

4.1 系統程序初始化設計

針對設備主程序進行初始化設計，通過這種方式校準復合定時裝置及計數器，對輸入繼電器、輸出繼電器等進行歸零處理。

4.2 土壤墑情數據采集設計

VB10、VB20、VB30 等變量存儲裝置是設備采集土壤墑情數據的關鍵，決定了數據精準程度，正因如此，實際運行之前需進行初始化處理，便于接受由EC傳感器、pH 傳感器等發送的信息，數據信息通過PLC展示在觸摸顯示屏中，對信息變化實施監測。

4.3 比例電磁閥開度控制設計

比例電磁閥開度控制流程如下：操作觸摸顯示屏發出相應指令，當PLC 控制裝置接收到來自觸摸顯示屏的指令之后會對其分析并發出電壓脈沖信號，通過這種方式調整流經比例電磁閥電磁線圈的電流值，實現對比例電磁閥工作狀態的控制。由公式（1）可以看出，經過比例電磁閥線圈的電流波動值（dI）與脈沖波形生命周期（T）有直接關系，因此，在比例電磁閥線圈電流波動數值接近零的情況下，結合公式（2）就可以看出，當占空比D 由小到大變化時，流過線圈的穩定電流平均值I 可以從0 變化至U/RL。當U=24 V，RL=12 Ω時，基于此繪制穩定電流平均值I 和占空比D 之間的關系曲線。如果T/τ 較小時，平均電流I 和占空比D 近似為線性關系。通過對PLC 的定時器編程可以控制占空比D 的大小，進而改變流過比例電磁閥線圈的穩定電流平均值，其值越大，閥口的開度越大，由此實現PLC 對比例電磁閥開度的控制。

4.4 電磁流量計數據采集設計

電磁流量計用于檢測液態肥流量，其工作流程為:當液態肥流過水流轉子組件時，磁性轉子轉動并且轉速隨著流量變化而變化，霍爾傳感器輸出相應脈沖信號，反饋給PLC 控制裝置。根據霍爾效應測量各路液態肥的流量，其工作原理為：在霍爾元件的正極串入負載電阻，同時通上5 V 的直流電壓，使電流方向與磁場方向正交；當水流推動磁性轉子轉動時，產生不同磁極的旋轉磁場，切割磁感應線，產生高低脈沖電平。

5 結論

針對農作物種植過程中水肥應用存在的問題，探討基于PLC 的精準變量水肥一體化設備的研制，彌補以往水肥施加過程中存在的缺陷，提高肥料利用率，減少對農作物種植環境造成的影響。同時根據作物對氮、磷供應提出的要求控制元素比例，以便作物可以充分吸收這些營養元素，進而提升作物產量。文章所提及的設備是應用PLC、傳感技術等多種現代化技術研發而成的，可保證肥料用量精準，為農業發展提供保障，實現標準化生產。