水肥一体化灌溉监控系统设计与应用

吴海龙，陶君怡，王 璐

（扬州大学 电气与能源动力工程学院，江苏 扬州 225127）

近年来，现代农业灌溉技术发展速度加快，但由于缺乏专业的灌溉技术，使得水资源愈加短缺，没有合理安排施肥的时间和次数，导致了水肥资源的浪费以及生态环境的恶化。全国农作物需求的水肥量大，为了节约水资源和肥料资源，应该大力发展节能灌溉技术。现在我国农作物灌溉的主要问题包括以下三点：其一，只靠农民的生产劳作经验，灌溉精度不准确；其二，基本依靠人工灌溉，农作物需求的水、肥料量得不到满足，会出现肥料不够的情况；其三，无法确定农作物最佳需水量加以灌溉，从而尽量用比较少的水来取得更高的经济效益。因此我们需要一个能够监控农作物生长、土壤pH 值的智能灌溉系统来解决农业灌溉问题。

本文设计了一个智能化水肥灌溉一体化监控系统，通过WinCC 系统可以观察到传感器实时采集到的土壤EC/pH 值和外部水压情况，利用传感器将土壤和水压变化传输到PLC，经过PLC 处理分析，控制肥料罐电磁阀开启以及水泵的启停。该系统可以有效改善传统灌溉与施肥模式的不足，实现灌溉的信息化和智能化，提升了水肥利用率，节约了水资源，对促进现代化农业发展和智能化灌溉的推进有着重要的意义。

1 灌溉监控系统组成及工作原理

系统由WinCC 触摸屏、变频器、PLC、模拟量输入输出模块、变频器、水泵、电磁阀等组成。液位计、流量计、压力传感器、EC/pH 等传感器将检测到的数据上传到PLC扩展模块（模拟量输入输出模块）上，再通过MODBUS 反应到WinCC 屏幕上，可以在WinCC 屏幕上实时观察到这些数据。PLC 根据程序运行检测到流量计传输过来的数据来控制水泵启停，根据EC/pH 传感器的值来控制四个肥料桶的施肥比例。在PLC 控制器的内部由PID 控制模块进行PID 运算，以此得到PID 输入设定值a，当设定值与实际值不同的时候，PLC 进行PID 运算输出模拟量给变频器，改变变频器的频率，根据频率调节EC/pH 值。水肥一体化施肥系统示意图如图1 所示。

图1 水肥一体化施肥系统示意图

系统运行的时候，水泵启动，自动阀门至少打开一个。施肥管道的压力应当与注水管道的压力相等，将压力传感器采集到的压力值传输到PLC；液位计测量四个肥料桶剩余的肥料，并提醒工作人员进行补充；流量计检测施肥流量的大小，通过PLC 内部的PID 运算达到想要的EC/pH 值。控制系统流程如图2 所示。

2 硬件设计

控制系统硬件包括1 台西门子SMART 1000 IE V3触摸屏、1 台西门子Smart 200PLC、1 只模拟量输入输出模块。西门子SMART 1000 IE V3 触摸屏支持远程通信功能，采用MODBUS 通信，具有很强的电磁抗干扰能力。在通信方面，西门子Smart 200PLC 与西门子SMART 1000 IE V3 触摸屏之间使用RS485 通信串口连接，西门子Smart 200PLC 和模拟量输入输出模块通过模块拓展口连接。西门子Smart 200PLC 在工作时，需外接220V交流电压，触摸屏和模拟量输入输出模块由DC24V 电源提供工作电压。模拟量输入输出的模数转换模块中的需选择通道，分别与电磁流量传感器与液位传感器相连，PLC 的输出端口与变频电机相连。其硬件系统I/O 分配如图3 所示。

3 软件设计

3.1 触摸屏设计

触摸屏与PLC 通过相同的网络地址相连接，用于人机交互，在触摸屏上可以检测到实时的流量数据、pH 值等，完成水肥一体化的监控和控制。采用WinCC flexible SMART V3 来完成触摸屏的程序编写和远程监控界面的布局。通过触摸屏可以远程监控并控制农作物生长需要的肥料和水资源的灌溉。

图2 控制系统流程图

系统的触摸屏人机交互界面包括开机界面、手自动控制界面、历史数据界面和监控界面。监控界面主要以图形和重要参数形式反映系统的实时运行状况，包括罐体液位、流量大小及压力区间等，整套系统控制如图4 所示。

WinCC flexible SMART V3 软件是一款由西门子推出的人机交互平台搭建的编程软件，用来完成触摸屏界面程序的编写。监控界面里的参数包含了pH 值、EC 值、压力值、流量等数据，还有历史的施肥数据。

3.2 西门子Smart 200PLC 设计

采用STEP 7-MicroWIN SMART 编程软件来完成PLC 程序的编写，使用RS485 通讯网线下载控制程序。

3.2.1 通信设计

传感器将采集过来的数据利用模拟量输入输出模块进行传输。传感器输出信号为0-10V 的电压信号或4～20mA 的电流信号，通过模拟量输入输出模块进行数模转换后传送到PLC。本设计采用的是模拟量模块为EMAM06 模块，4 路模拟量输入，两路数字量输出。系统部分模拟量通信程序如图5 所示。

3.2.2 施肥系统PID 控制

在STEP 7-MicroWIN SMART 编程软件中，有专门的PID 控制子程序的库文件，通过PID 控制面板设置所需要的参数，启动后可以自动进行PID 调节，PLC 运算出合适的增益、积分、微分。在施肥桶进行施肥的时候设定施肥桶的施肥频率，流量传感器将测出的流量传送到变送器，变送器进行信号转换，0-10V 的电压信号或4～20mA 的电流信号，模拟量输入输出模块将电压电流信号转换成数字信号，进而对变频器进行控制，实现施肥的闭环控制。

图3 输入输出地址分配

图4 水肥一体化监控系统监控界面图

4 结束语

作为农业大国，我国的水资源和肥料的消耗量较大，水肥一体化灌溉监控系统与传统的灌溉施肥手段相比，利用率高，自动化程度高，可以减少资源浪费，按照农作物的生长需求进行灌溉，有利于作物对水肥的吸收，提升了农业水肥利用效率。在新时代农业的快速发展过程中，必须坚持可持续发展，在带来农作物收益的同时，要关注资源的合理利用以及环境保护等问题。发展生态农业，加快推进现代化农业社会建设。需要继续将科学技术跟现有的农业发展结合，着力推进农业资源利用节约化，从而加快我国从农业大国转变为农业强国的进程。

图5 传感器1 通信程序图