基于PLC 的农业种植水肥一体化自动控制系统

胡萱萱

（同济大学浙江学院，314001，浙江嘉兴）

1 研究背景

1.1 我国农业种植现存在的问题

我国作为农业大国，其农业种植关系着全国14亿人的生存问题。而在农业种植中，灌溉、施肥起着至关重要的作用，不仅为植物提供所需的大部分水分，还为植物所在土壤提供肥料，促进植物健康生长。我国目前的农业种植主要采用传统的灌溉、施肥方式，这种方式有着几个显著的特点。首先，它要消耗大量的劳动力，并且人工浇灌效率低下。其次，它的施肥方式极不科学，容易因过度施肥对土壤造成化学污染，或者是破坏植物根系中的营养比例，造成植物营养缺失。最后，这种灌溉方式难以实时监测土地的含水情况，易引起水资源的大量浪费。而近年来，我国农村劳动力逐渐老龄化，资源紧缺，而且随着经济发展，某些地区生态逐年恶化，水资源严重匮乏。在这种情况之下，传统的灌溉形式已无法满足人们的生产生活需求，急需新式的灌溉方式来改善农业种植状况，提高其产量和质量。

1.2 国内外科技发展趋势

随着科技的发展，农业种植的灌溉技术水平有了很大的提升，尤其是发达国家对此有着自己的科研发明。例如以色列Netafim 研发出可以监测土壤和配肥、完成自动灌溉施肥的产品；Antonio-Javier 建立无线传感器网络，实现对农作物的合理灌溉等。我国对此也有自己的研发成果，但更多是引进国外的先进技术。这些农业种植的灌溉技术有着这样的发展趋势：渠道灌溉变为管道灌溉，水肥由分开浇灌变为一体施用，将水浇灌到土壤转变为将水肥一体浇灌到作物根部，管理监控形式也不再是人工而是机器全自动化等。这些转变大大提升了我国农作物的产量和质量。同时它也存在着缺点，那就是由这些发达国家根据自己本土情况研发的技术，不太适应我国的气候环境变化，因此极大程度上影响了自动控制系统的灵敏度和效率，造成了不必要的水肥浪费，亟须加以改良。

1.3 农业种植水肥一体化灌溉技术及其应用意义

水肥一体化灌溉技术，就是在灌溉之前，先把肥料和水溶解在一起，再放置到灌溉系统的管道中，由管道输送到各个灌溉部位，从而灌溉到植物的根部。在这一系列动作之前，系统内的监控设备会实时监测土壤的含水程度和营养状况，并通过物联网和无线组网技术将监测数据传送至控制终端和网络服务器，经过计算机的计算分析后，得出适宜的水肥溶解比例，实现科学的水肥一体化精准灌溉。这种技术，能够在一定程度上改善引进设备与环境适配性差的问题，提高系统的灵敏性。同时该技术在一定程度上提高了水肥利用率，满足农作物的水分和营养需求，有利于提高农作物产量和质量，增加商品价值，大大减少了人力劳动，实现信息化、自动化管理，科学便捷。

2 自动控制系统

2.1 系统组成

我国研发的水肥一体化自动控制系统主要由控制子系统、灌溉子系统、过滤子系统、报警子系统和水肥混合子系统等部分组成。同时，各个子系统又涉及电磁阀、电动阀、各类传感器（液位、压力、湿度、浓度、温度等）、电机、搅拌电机、电子触摸屏、PLC 技术、物联网技术、数字量输出拓展模块、模拟量输入拓展模块、混肥罐、施肥罐、柱塞泵等装置和技术。其系统结构如图1 所示。

图1 水肥一体化自动控制系统结构图

2.2 PLC 技术原理

PLC（可编程逻辑控制器）技术经常被应用于自动控制系统中，它是电气化中一种重要的技术。PLC 通过数字化、智能化操作，改变以往人工控制系统的工作方式，实现自动化控制，大大降低了人力成本，简化工作步骤，便于维修，提高经济收益。同时由于PLC 技术具有开关量控制功能，在电路发生故障时可以通过接触器的快速反应，控制短路，减少短路对电路造成的损害。这种功能有利于加强对各个环节的操控，提高工作效率，降低了系统故障率。

水肥一体化自动控制系统的传感器较多是以使用PLC 技术的单片机为核心，这是因为PLC 具有抗干扰能力强、系统稳定性强、控制性能好、抗干扰能力强的优点。PLC 在水肥一体化自动控制系统中是作为信息采集器和控制终端存在的，其控制系统设备完善，包含多个控制程序，可以组成多个闭环控制。在系统运行之前，要根据需求和实际的环境状况，设定好参数。由于水肥一体化自动控制系统中的监控系统通过以太网与PLC 相连接，PLC 的中央处理器可以通过监控设备实时采集农田中土壤湿度、肥料浓度、光照强度、空气温度等信息，及时对这些信息进行汇总，并和设定参数进行比较、分析和计算，对信息实现模拟量和数字量之间的转换，再将处理后的信息传输给各个执行器实现精准灌溉施肥。当PLC 运行时，其控制软件会对整个系统进行扫描、监测、诊断，并将收集到的信息进行处理，一旦发现错误就会发出警报，避免错误信息对整个系统运行结果的干扰。PLC 采集到的数据也会通过以太网传输至监控设备，以便工作人员查看分析。

2.3 系统运行原理

系统整体运行原理如图2 所示。

图2 水肥一体化自动控制系统运行原理图

2.3.1 硬件设计

控制系统由西门子触摸屏、三菱FX2N-32MR 型可编程逻辑控制器即PLC（有32 点I/O 接口）、模拟量输入拓展模块、数字量输出拓展模块、数据寄存器、定时器等组成。触摸屏通过网线与控制器连接，通过模块拓展口与输出、输入拓展模块连接。工作人员可使用触摸屏直接处理PLC 采集的数据，整体结构紧凑，功能稳定。

该系统根据不同需求选取不同的传感器。就土壤湿度传感器来说，其功能是实时监测和采集土壤内水分含量数据并传送给控制系统。土壤湿度传感器一般采用直流电源供电，其表面通常镀镍，这样传感器便有耐腐蚀、寿命长的特点。同时，土壤湿度传感器具有功率低、测量精度高、测量范围宽的优点。

液位传感器的选取，需要考虑其膜片隔离技术的先进程度，避免出现水渗透仪器的情况。液位传感器反应灵敏，仪器精度高，抗干扰能力强，并且其体积小巧，便于安装。

压力传感器主要是测量液体或者气体的体积，其稳定性能好，耐温能力强，测量精度高，压力量程广。

在灌溉子系统中，根据场地面积、地形等，合理安排滴灌管路的长度与间隔宽度，并插入到土壤深处贴近植物根系的地方，以适当的水流进行灌溉。系统以水泵为动力向管道输送水，继电器则用于控制水阀开关。

在报警子系统中，使用闪光灯、警铃、喇叭来实现报警功能。当传感器检测到土壤缺水或缺肥时，闪光灯会闪烁，警铃响起，控制系统通过喇叭向人们播报土壤具体的缺失物。

2.3.2 软件设计

触摸屏的开机页面需要用户密码进行登录。登录后，将会有操控页面、监控页面、历史数据页面几个选择。操作人员根据需求，选择所需的页面完成操作。

控制页面可以控制水泵、压力泵、水阀、药阀、警报、排风、储存罐的开关。操作人员点击屏幕，即可在相应界面输入想要的水肥混合比例，点击确认键后，系统会根据输入，自动打开相应的开关，从而获得所需比例的水肥，并传送到相应的管道中去，等待操作员的下一步指示。同时，操作人员也可根据需求，在该页面完成开关排风、开关警报器等操作，便捷高效。

监控页面会实时显示园内监控拍摄到的画面，操作人员可以通过画面巡查园内环境情况，可根据需求有目的地选取仪器，查看其运行状况等，大大减少了人员实地巡查时间，节省了人力、资金。

数据寄存器会存储近一星期的系统运行数据，在此，操作人员可以查看园内温度、湿度、水肥混合比例的曲线图，可以查看相关数据的设定或修改情况。

2.4 系统调试运行结果

选择一农场，安装此系统进行模拟测试。根据需求，操作人员提前设定好水肥混合比例、排风口风速等数据，并上传至系统数据库进行保存。控制系统根据参数进行智能计算，获得最佳施肥频率。选择自动模式，系统根据PLC 指示开始运行。当检测到土壤水肥值低于设定值时，施肥泵运转，电磁阀关闭，化肥罐内的化肥经过施肥泵进入管道中，最终进入混肥罐，并向罐中注入清水，直至传感器检测到与设定值相符合的水肥混合浓度。PLC 控制施肥泵停止运转，电磁阀门打开，变频器反向工作，此时清水反向流动清洗管道。混肥罐中的水肥进入施肥罐，并向出肥口运输，对土壤进行施肥。在此期间，系统不断与传感器采集的数据作比较，一旦土壤实际水肥值与设定值相匹配，施肥动作停止，系统更新检测数据重新与设定值进行比较。

通过使用移动设备对土壤进行实时检测可知，系统运行结果与设定结果间误差很小，系统整体上达到精确、稳定、高效的要求。

3 结语

设计和试验的这套基于PLC 的农业种植水肥一体化自动控制系统涉及传感器、控制器等多个学科的技术知识，其应用可以改变农业灌溉方式，使得灌溉精度、效率得到大幅提升，减少化学污染、资源浪费，提高农作物的产量和质量。系统功能强大，能同时满足人们灌溉、施肥、监测的需求。此外，该系统操作流程简单，易上手操作，减少了工作人员学习操作的时间。系统内部数据更新快，系统反应灵敏且运行稳定，能准确完成任务，误差小。系统由多个不同的子系统构成，在维修时可以看作是独立的部分分别进行检测，维修便捷、经济。系统内部具有一定的清洁功能，能够清洗管道，防止管道堵塞或者避免管道内多种残余物混杂，影响水肥混合精确度。