基于PLC的压力供肥控制系统设计

郭 武

（湖南应用技术学院机电工程学院，湖南 常德 415000）

“民以食为天”，打造强大的农业种植“田园”是实现美好生活的必经之路。但是种植经济作物会导致土壤肥力快速流失，影响来年作物的收成及品质。对土地生态系统中的物质循环的特点进行关注，补充土壤肥力是提高作物产量及品质的有效手段，其中液态肥的施用具有便捷、经济、高效、污染少等诸多优点[1]。调查发现，现有大多是地面喷施、管路错综复杂、移动成本高，不利于土壤的快速翻耕，铺设成本高。文章设计了一种基于PLC的简单压力供肥控制系统[2]。

1 系统的工作原理及组成

1.1 点施设计

管路铺设于地面以下，可根据相关作物的生长机理确定根部土壤的需求深度H，管路上部开有液态肥点施口，见图1。

图1 管路及液态肥释放孔Fig.1 The pipeline and liquid fertilizer release hole

1.2 控制系统原理

通过检测土壤检测传感器的信号，由接收信号的PLC 控制泵的启停泵运作的数量。土壤检测传感器检测到土壤肥力不足，泵1 启动，30 s 后因压力不足或投施速率低，检测到氮磷钾浓度仍过低，泵2 启动，30 s 后因压力不足或投施速率低，检测氮磷钾浓度仍过低，泵3 启动；任一时刻，当检测到氮磷钾浓度达到设定值后，编号高的泵不再启动并立即停止编号最低的泵，30 s 后再停止编号次低的泵，直至所有泵停止工作。

图2 系统框图Fig.2 The system block diagram

1.3 主要部件选型

土壤检测传感器选用威海晶合的氮磷钾检测传感器，其具有IP67级防水能力，抗腐蚀性好，响应时间＜10 s，测量范围0～1 999 mg/kg，分辨率及精度±2%F·s，工作温度5℃～45℃，可拓展性能优异。

PLC选用三菱FX2N-48MR（本适用场景，I/O端口有较大富余）。其具有输入/输出端口各24点、速度快、体积小巧、价格适中、可拓展性强等特点。

泵选择上海边科机械集团有限公司生产的QBY-25（实际使用视施肥流量选择）隔膜泵，其具有耐腐蚀性好、不易卡机等特点。

2 系统软件设计

2.1 I/O端口分配

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

2.2 程序设计

2.3 程序仿真

启动系统，通过关联设计的压力供肥PLC 程序，当土壤氮磷钾的浓度比预设的浓度值低时，泵1能立即运行，通过输送液态养料到达点施位置。泵1 运行30 s 后，如若点施位置仍未达到浓度预设值，此时泵2 也运行，2 台泵同时工作。泵1、泵2再运行30 s后，如若点施位置仍未达到浓度预设值，此时泵3 运行，3 台泵同时工作，直至点施位置浓度达到预设浓度值。任意时刻达到浓度预设值，泵1（最低编号）都立即停止工作，其他泵将在泵1停止后每30 s动作1次，且泵2（次低编号）在前30 s 周期时刻停止（如若泵1 工作时，土壤浓度已达预设值，泵2、泵3未启动），泵3在后30 s周期停止（如若泵1 或泵2 时，土壤浓度已达预设值，泵3 未启动）。系统启动时，可实现自动化循环工作；任意时刻，工作人员都可手动停止系统。

图3 压力供肥系统启动Fig.3 The startup of pressure fertilizer supply system

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

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

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

图7 泵1停止Fig.7 The first pump stop

图8 泵2停止Fig.8 The second pump stop

图9 手动停机Fig.9 The manual shutdown

3 关于压力供肥控制系统的其他问题

3.1 管道及点施口

供肥管道铺设于地下的研究相对较少，在第一次铺设时经费可能比铺设于地面更高，但是在大面积连年耕种时，铺设于地下拥有一次投入永久使用、不影响地面耕作、土壤增肥见效快、养料几乎无损失、综合经济性好等诸多优点。铺设之后，根据土壤及作物特性配物相应营养液，地上面可种植任何作物。管道铺设地下，对点施口的设计要求比较高。点施口位于管道上方，易受泥土堵塞，工作时要求管道压力较大，对于大面积点施耕地来说耗能较大、设备使用寿命易缩短，不经济。点施口位于管道下方，点施肥力难以快速抵达作物吸收有效区域，不仅浪费肥料，随着工作时间的增加，能耗、设备运作时间也都将增加，同样不经济。所以采用斜上点施、保证一定的管压、选择新型节水灌溉自动化控制系统田间终端控制阀等，是保证高效、长寿命、经济性的关键[3]。

3.2 集中供肥与分散供肥

大面积供肥要求有较大压力、检测信号多，过程中因为土壤肥料的消耗速率不同，过多点施易对植物的生长造成损害；小面积分散点施具有响应迅速、土壤浓度适中、能耗小、信号线路及器材选用的经济性好等优点，但面积太小则产值小，设备成本较难回收。所以在选择管路铺设时，要注意管道串并联、易更改等问题。另外，元器件的价格走势及当时能源的经济性也需要考虑到。

4 结语

（1）设计了基于PLC 的压力供肥控制系统，根据供肥系统需要不定时自动供肥等特点，采用了基于传感器的氮磷钾信号检测元件，信号响应迅速、便捷可靠。选用的PLC 功能强大、稳定快速。隔膜泵抗腐蚀、流量及压力稳定、不易卡机，无人化工作状态友好。通过PLC 较好地控制泵的启停，仿真中达到了预期的自动启停、压力供肥目标。

（2）针对压力供肥的点施口选择及供压场景做了对比分析，提供了供肥系统优化方向。