桃园水肥药一体化控制系统的设计

王红府 赵明富

【摘   要】 我国传统农作物种植的粗放模式容易造成水资源浪费，加重环境污染，水肥药一体化技术可以实现向现代农业的转型升级。本文介绍了水肥药一体化技术在实际生产中的应用，阐述了基于PLC的控制系统设计及实际应用效果。本系统具有节约资源、降低环境污染和生产成本、提高生产效率、可靠性高等特点，并具有一定的实际应用价值。

【关键词】 水肥药一体化;PLC

Design of Integrated Control system for Taoyuan Water， Fertilizer and Medicine

Wang Hongfu 1， 2    Zhao Mingfu 1

（ 1 Henan Institute of Science and Technology 453003;  2 Changyuan Vocational Secondary Professional School 453400）

[Abstract]  The extensive mode of traditional crop cultivation in China is easy to cause the waste of water resources， the environment pollution is aggravated， and the integration technology of water and fertilizer can be upgraded to the transformation of modern agriculture. In this paper， the application of water and fertilizer integration technology in practical production is introduced， and the design and application effect of the control system based on PLC are described. The system has the characteristics of saving resources， reducing environmental pollution and production cost， improving production efficiency， high reliability and the like， and has certain practical application value.

[Keywords]  water and fertilizer integration; PLC

當前，农业灌溉的方式多采用传统的漫灌方式，造成水资源浪费严重。我国是一个严重缺水的国家，地下水位不断下降，水资源危机日益加重。面对如此严峻的形势，节约用水势在必行。在施肥方面，我国化肥使用量占世界首位，施肥时带有很大的盲目性，施肥过量的现象比比皆是，给水土带来严重的污染，造成很大的资源浪费。在农业施药方面，农药生产和使用量位居世界前列，施药不科学，带来成本增加、环境污染等问题。因此，发展现代农业是大势所趋，而水肥药一体化是发展现代种植业的必然选择。

1  意义

水肥药一体化技术是将可溶性固体肥料或液体肥料及土壤用药配兑而成的肥药液，通过滴灌系统均匀而滴入作物根区土壤的一种方式。灌溉水以水滴的形式进入作物根部土壤[1]。采用滴灌的方式可以有效减少水、化肥和农药的用量，提高资源利用效率，节约成本，减轻环境污染，提高农产品的品质。

目前，水肥药一体化控制系统多采用单片机技术实现，存在稳定性和可靠性不高的现象。可编程控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）自1969年问世以来，以其编程简单、可靠性高等特点，在自动控制领域获得了广泛的应用，是实现工业自动化的三大支柱之一，采用PLC控制可以提高系统运行的可靠性。

2  系统结构

水肥药一体化系统由灌溉系统、注肥系统、施药系统和控制系统等组成。灌溉系统中设置水箱用来储水，注肥系统设置肥料罐，施药系统设置药物罐，在实现灌溉的同时也可以进行施肥、施药。

在水箱上设置上限位传感器和下限位传感器用来控制注水量，当水位上升至上水位传感器时，水泵电动机自动停止;当水位下降至下水位传感器时，自行起动水泵电动机，进行注水;从而实现自动控制。水箱、灌溉管道、出水阀连成输水通道，实现灌溉功能。

根据果树生长期的不同阶段的需要，检测土壤中氮、磷、钾等微量元素的含量。手动操作，将水注入到肥料罐中至上限位传感器，将配制好肥料加入肥料罐中，起动肥料搅拌电动机进行搅拌，搅拌时间可以预先设定为5、15、15分钟，使得肥料充分溶合，开启施肥阀，实现灌溉注肥功能。灌溉施药过程与灌溉施肥过程相似。

系统结构如图1所示。

3  电气控制系统组成

FX3U系列三菱PLC是第三代微型可编程控制器，内置64K大容量RAM存储器，指令丰富，指令运行速度快，功能强。本系统选用FX3U-32M PLC，有16个输入点，16个输出点，带有模拟量输入输出模块和通讯模块，继电器输出类型。系统资源可以充分满足实际功能要求。

水肥药一体化系统的电气控制系统有PLC、接触器、水泵电动机、肥料搅拌电动机、药物搅拌电动机、出水电磁阀、出肥电磁阀、出药电磁阀、水箱上限位传感器和下限位传感器、土壤湿度传感器、方式选择开关和各种按钮开关等组成。

4   程序设计

要保证控制系统的正常工作，需要编写正确的PLC控制程序。系统的工作模式有手动工作模式和上位机工作模式。根据需要选择不同的模式，以满足实际需求。

4.1  手动操作模式

4.1.1 准备  系统起动后，当水位低于水箱上限位传感器时，接触器通电，控制水泵电动机的起动，进行储水;当水位达到水箱上限位传感器时，接触器断电，水泵电动机的停止，储水结束。

4.1.2 灌溉方式  ①当灌溉起动按钮按下时，出水电磁阀的通电打开，通过流量计进行灌溉;当流量计显示为零时，控制出水电磁阀断电，排水阀关闭，灌溉结束。

②在自动模式下，当系统启动后，土壤湿度传感器检测土壤湿度，将检测值送至模拟量模块与设定值进行比较，根据土壤湿度决定是否进行灌溉。

4.1.3 水肥方式  当水肥按钮按下去，肥料罐进水阀打开，与之前倒入的肥料进行混合，当水位达到肥料上限位传感器时，肥料进水阀关闭，同时肥料搅拌电动机起动，设定的时间（可以由水肥起动按钮按下次数设定为5S，10S，15S）达到之后，肥料搅拌电动机自动停止同时出肥阀和出水阀打开，进行水肥工作模式，可以用流量计控制所加注的量。

4.1.4 水药方式和水肥药方式与水肥方式类似。

4.2  GPRS控制模式：

GPRS是通用分组无线服务技术，是2G和3G之间的技术。具有通信、数据采集、远程管理等功能，能够采集PLC串口设备数据。PLC通讯模块上提供RS485接口，GPRS上面是RS232接口，需要一个能将485转成232的接口转换器。触摸屏和GPRS无线模块以及PLC构成下位机模块。GPRS模块通过协议与计算机连接后，计算机作为上位机通过组态软件提供相应控制面板进行下位机控制。

还可以通过手机APP实现，当需要灌溉时，按下滴灌的地块就可以控制电磁阀关或开，进行灌溉。通过颜色显示地块湿度状态，白色为干旱，绿色为正常，红色为正在滴灌。当按下水肥混合或水药混合，启动水肥药一体化系统。如果桃园面积较大，可以将桃园分成若干地块，需要增加电磁阀实现若干地块的控制。

5  结论

基于PLC的水肥药一体化控制系统可以达到节约用水、提高肥效、省药、节约工时和降低成本，达到增产的目的，提高系统运行的稳定性，同时也能完成水肥一体化控制和水药一体化控制，具有更强的适用性;

参考文献：

[1] 王 彦，王国强，刘 娜，等. 温室专用水肥药一体化滴灌技         术[J]湖北农业科学，2018.（5）：41-41+102.

[2] 叶永伟，洪 莉，潘 静. 设施樱桃水肥药一体化技术试验示       范[J] 中国农业信息，2016.（10）：129-131.

[3] 赵继艳.冀北山區水肥药一体化技术及黄瓜试验示范与应      用[J].农业科技通讯，2018.（9）：132-133.

[4] 王云爱，于海欧，徐菊敏.现代农业“水肥药一体化”技术.      中国农业信息，2013.（ 1）：89.

[5] 吕 品.PLC和触摸屏组合控制系统的研究[J].自动化仪表，       2010，31（8）：45-47，51.

[6] 叶建平，郑 萍，李建平，等.基于多模式无线控制的PLC设       计与研究[J].化工自动仪表，2011，38（8）：978-981.■