基于PLC的精准变量施肥自动控制系统研究

杨军+田敏+陈剑+吕新

摘要：针对国内施肥的精准度低、均匀性差、有效利用率低、环境污染等问题，文章设计了一套滴灌农田精准变量施肥自动控制系统。该系统采用变量施肥方式，通过PLC控制器来采集压力、流量、电机转速等信息，通过控制配肥电机、活塞和电磁阀改变系统实际施肥量，实现自动配比调节和变量施肥。试验分析表明，该系统具有良好的控制精度，性能稳定可靠，可满足农田精准施肥的需求，实用性好。

关键词：自动控制；变量施肥；施肥装置

精准变量施肥技术是一个重要的领域。对于农业生产来说，水肥科学控制关系到农业产品的品质和产量，一直以来都是国内外农业经营者、种植者和研究机构关注的焦点。国外对水肥控制技术研究的起步较早。以色列、美国、荷兰、法国等国家在这方面都有很多成果。以色列是个水资源短缺的国家，研发了很多先进的节水技术。其中，先进的微灌技术应用带动了以色列水肥灌溉的兴起，该技术在温室的优势更为明显，其基于精准变量控制的温室水肥灌溉系统对水的最高利用率可以达到95%。AMIAD公司、NETAFIM公司等是以色列知名的水肥精准变量控制技术设备供应商。

我国在滴灌施肥研究与开发方面，多集中在设施农业的温室大棚的自动化滴灌系统研制，开发了基于智能化管理和控制的灌溉施肥系统，并且得到了应用。徐飞鹏提出了适用于温室大棚的分层分布式计算机控制灌溉施肥系统，实现了自动控制、定时控制、周期控制、手动控制4种不同灌溉控制方式为一体的自动控制灌溉与施肥系统；郭克珺研制开发了2YTF6型灌溉液体施肥施药自动控制系统，可用于林业工厂化育苗、花卉、蔬菜和食用菌等设施灌溉施肥生产管理；杨万龙研制开发了温室滴灌施肥智能化控制系统，实现了自动与人工干预选择型滴灌与施肥控制系统。国内学者利用单片机技术开发了自动灌溉施肥控制系统，通过硬件和软件的优化组合，实现了滴灌系统中灌溉与施肥的精确控制和同步运行，并且适合我国农业温室自动灌溉及施肥管理，但国内目前对于滴灌施肥装置的深入研究都集中于设施农业，注肥流量小的滴灌施肥装置控制系统的研究，研究成果虽然较多，但是大田实体应用较少，系统自动化程度也不是很高。因此，本文开发了一种基于PLC的滴灌农田精准变量控制施肥自动控制系统，并通过GSM无线通讯实现远程数据传输，实现了施肥的现场精准控制与远程GSM网络连接，为大田基于PLC的精准施肥与远程监控提供了一种新的技术手段。

1精准施肥装置结构与控制功能设计

施肥装置采用自主研发的发明专利，专利号：ZL201210151681.2，如图1所示。

针对精准施肥装置，开发出一套以PLC为核心的精准施肥自动控制系统，主要实现以下功能：

（1）控制功能。系统设有手动、自动控制方式。手动控制通过本地控制箱实现，即：首先电磁阀关闭，配肥箱电机打开，肥箱电机旋转180度，施肥箱内的配肥装置开始配肥，送料至配肥盒，直到料漏完为止，启动电机使肥箱电机再旋转180度，活塞电机向下，关闭配肥盒；电磁阀打开，水流通过，再关闭重复施肥。该方式主要用于初期调试和检修时的控制。自动控制方式完全以PLC设定程序自动执行一系列操作，完成排水工作，不需要人为干涉，为正常投入使用后的常用模式。

（2）保护功能。系统具有故障自诊断功能，对供电电压、电机等各项参数均设有状态监测。当某项参数异常或超出设定值时，PLC判断故障并报警，同时停止装置运行，有效保护电机，以便于及时排除故障。

（3）实时显示参数信息。采用西门子人机界面TD200实时显示施肥时间、施肥量、施肥状态等参数，同时为避免故障还可显示报警信息。

（4）远程通讯及监控功能。通过GSM与远程监控中心相连，监控中心采用组态网自动化监控软件建立综合自动化网络平台，可实现远程自动控制，实时显示、记录施肥装置运行情况和相关参数，支持历史数据查询。

2自动控制系统

精准施肥自动控制系统主要由系统硬件和软件2个部分组成，控制系统原理如图2所示。

2.1硬件的选型与控制面板的设计

PLC选用西门子S7-200-224XP晶体管型，数字量共14点输入，10点输出，2路模拟量输入，1路模拟量输出。数字量输入扩展模块为EM 223型，4点输入，4点输出；开关电源为输入120/230VAC，输出24V/5ADC；显示屏选择SIEMENS TD200型，与PLC之间的通讯采用RS485口；配肥电机选择110三相步进电机，最大力矩20N*M；电磁阀选用通径32的二位二通膜片电磁阀，16公斤压力；活塞电机选择24V H200型直线推杆电机，功率20W，行程200mm；流量计选择电磁流量计EMF5000，流速范围：0.2～8m/s，输出信号4～20mA.DC；显示控制屏为西门子TD200。控制面板如图3所示。

2.2软件的设计

控制软件的设计主要分为PLC控制程序和组态网络监控软件2个部分。

2.2.1 PLC控制程序设计

PLC程序设计采用STEP 7软件中的梯形逻辑图、功能块图和语句表进行编程。用梯形图在STEP 7中进行顺序控制程序编程。PLC上电起动后首先执行内部初始化，然后根据手动、自动控制的方式选择，进入相应的程序流程。整个程序主要包括施肥装置初始状态检测、正常启停电机、电磁阀和故障报警故障停止等模块，程序流程如图4所示。

STEP 7软件通过建立在线连接下载程序到PLC，以对编制好的程序进行调试，可实现程序的运行状态监视、强制性数据变更和输入输出信号的强制开/关等，其中装料梯形图如图5所示。

2.2.2组态系统网络监控软件

本系统网络监控系统采用组态王开发。组态王是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统，具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层3个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑3个方面的问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时监控。

系统功能模块如图6所示。

根据系统功能要求，本系统主要有主操作、用户配置、报警记录、参数修改、历史曲线、历史数据等画面，如图7所示。

3结语

系统的测试表明施肥控制精度误差范围不超过5%，可靠稳定，实现了棉田定点、定时、定量施肥，增强了施肥的均匀性和精准性，极大地提高了施肥的科学性，提高了肥料的利用效率。总之，该系统的使用必将提高精准施肥自动化水平，对农业生产具有重要意义，满足了棉田精准施肥的技术要求，节肥，增产，省工，减轻过量施肥造成面源污染的危害。