山地葡萄智能水肥一体控制系统设计

初光勇 姚立国

摘要 结合当前丘陵山地葡萄园水肥一体灌溉的需求，设计了一款基于PLC控制的智能水肥一体化系统。该系统以西门子PLC为核心控制器，使用无线通信技术实时采集当前的温湿度、电导率、pH、EC值等参数，利用MCGS软件设计了触摸屏界面。根据当前的环境参数对灌溉电机泵进行变频控制，驱动执行机构进行种植环境参数的调节。该智能控制系统能够有效地对葡萄种植过程中的土壤墒情等多种参数以及环境参数进行无线采集传输，并通过PLC进行智能控制。运行试验结果表明：系统运行平稳、响应及时，可提高葡萄种植过程中水肥的利用率。

关键词 水肥一体；PLC；葡萄；山地

中图分类号 S66  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2024）11-0187-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.11.040

Design of Integrated Control System of Intelligent Water and Fertilizer for Mountain Grape

CHU Guang-yong1， YAO Li-guo2

（1. School of Engineering， Tongren Polytechnic College， Tongren， Guizhou 554300;2. School of Mechanical and Electrical Engineering， Guizhou Normal University， Guiyang， Guizhou 550025）

Abstract Based on the demand of integrated irrigation of water and fertilizer in hilly vineyards， an intelligent integrated system of water and fertilizer controlled by PLC was designed. The system uses Siemens PLC as the core controller， and uses wireless communication technology to collect the current temperature and humidity， conductivity， pH value， EC value and other parameters in real time. MCGS software is used to design a touch screen interface. According to the current environmental parameters， the irrigation motor pump frequency control is carried out， and the actuator is driven to adjust the planting environmental parameters. The intelligent control system can effectively collect and transmit various parameters such as soil moisture and environmental parameters in the process of grape planting， and carry out intelligent control through PLC. The system runs smoothly and responds in time， which improves the utilization rate of water and fertilizer in the process of grape planting.

Key words Water and fertilizer in one;PLC;Grapes;Mountainous area

基金项目 贵州省科技计划项目（黔科合基础-ZK〔2022〕一般320）；铜仁职业技术学院院级科研平台项目（tzkpt〔2022〕188-07号）。

作者简介 初光勇（1989—），男，山东聊城人，副教授，硕士，从事农业装备研究。

*通信作者，副教授，博士，从事智能制造和制造大数据研究。

收稿日期 2023-08-02；修回日期 2023-12-01

我国是全球最大的鲜食葡萄生产国，国内鲜食葡萄消费需求呈现快速增长态势，消费者对鲜食葡萄数量和质量的要求也在逐年提高［1］。葡萄在生长过程中对光照、水肥的要求比较高，水肥的科学供应可以极大程度提高水果的品质和产量。随着我国山地高效农业的推进，自动化技术、物联网技术等新技术［2-4］在农业生产中的应用，实施水肥一体化智能控制将有效解决山地水果种植水肥管控不精准、土壤环境差异问题。目前，大多数的水肥一体化技术能够实现定时灌溉、自动灌溉，但是控制的过程不够精准，植物生长过程的参数采集不够丰富，水路的压力变化波动大，影响了吸肥灌溉的精度，因此关于智能农业的新技术研究势在必行。相对于传统的单片机控制或者简单的定时器控制，基于PLC控制的山地葡萄智能水肥一体化控制系统，能够实时的检测当前的土壤墒情，计算植物生长过程中所需要的水肥浓度［5］，科学分析当前缺失量、补给量，不仅能提高山地地区水果产量，也能改善农业生态环境。

1 控制系统的总体构架

智能水肥一体控制系统由数据采集系统、数据处理系统、人机交互系统和执行系统组成（图1）。

数据采集系统集成了空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、二氧化碳浓度传感器、光照强度传感器、土壤多参数检测传感器［6］。各个传感器模块通过无线串口将数据实时的传递到数据处理终端PLC进行处理。

数据处理系统由电源模块、PLC模块［7］、物联网模块、无线透传模块组成。电源模块为各个模块提供稳定的交直流电。PLC模块作为主要的中央处理器将来自各系统的数据进行分析处理并通过网络在触摸屏终端、手机终端进行显示。物联网模块将PLC中的数据进行远程显示，利用远程计算机可以进行远程监控。无线透传模块主要接收来自数据采集系统中传感器采集到的数据。

人机交互系统由触摸屏、远端计算机显示器、手机APP界面等组成，主要作用是完成对整个系统的数据监测及远程控制。

执行系统主要包括系统的末端执行设备，由电磁阀、土壤施肥泵、通风设备、加热设备、遮光设备组成，接收PLC的输出指令，通过继电器、变频器动作实现对土壤施肥过程中的控制。

2 系统网络组态设计

2.1 系统的组态软件设计

在MCGS触摸屏的组态界面中，包括了诸多土壤墒情参数实时监测信息，例如氮含量、磷含量、土壤及空气的温湿度、光照强度、pH、EC值［8］等。在手动控制界面可以单独对系统的各个电机、电磁阀进行控制，包含了液位指示、故障指示等报警功能，能够实时显示各个肥料罐的当前总量，进料泵实时显示流量计压力值，主电机可以显示当前的电机转速，支持曲线实时统计当前的数据方便后续的分析（图2）。

2.2 远程控制系统

远程控制系统由本地端和远端组成，本地端由机载传感器、PLC、速控云等组成（图3）。本地端系统采用西门子S7-200SmartSR20型号PLC，采用梯形图编程语言［9］进行程序的设计，PLC与MCGS触摸屏之间进行Modbus TCP方式通信，与数据采集传感器之间通过Moudbus485协议无线串口方式通信。远程端由远端传感器、多数据采集终端等组成。速控云远程模块支持API接口、OPC接口和MQTT协议，利用手机APP通过速控云的4G网络对PLC采集到的过程数据进行远程监控。通过4G网络对泵、电磁阀等进行启动和停止控制，设备的传感器参数可以实时的显示在手机APP终端。

2.3 灌溉的工艺流程设计

水肥一体灌溉系统由供水系统、吸肥系统、终端控制器3部分组成（图4）。供水系统由变频离心泵、蓄水池、过滤系统组成，主要为系统提供水源。吸肥系统由文丘里吸肥器、肥液罐组成，依靠文丘里效应［10］产生负压将肥液吸入至管路中。终端控制器由传感器、控制器、上位机组成。传感器主要采集工作过程的信号，控制器主要接收来自上位机的命令，上位机主要显示和监视系统运行过程中的参数。

3 水肥智能调控模型

3.1 水肥一体调控EC模型

根据质量守恒，设备管道中剩余液体的量等于流入液体的量减去流出液体的量，文丘里吸肥器里面的进出口流量与变频泵之间的频率f（t）有关，得出之间的关系为一阶滞后模型：

d［VTC（t）］dt=C1f（t）qw+C0f（t）qm-C（t）q2（1）

式（1）中，VT为混合管道中肥液的体积，C（t）为混合管道中肥液的浓度，C0为进水管中肥液的浓度，C1为水肥混合管道中肥液的浓度，qw为文丘里吸肥器最大吸肥量，qm为主管路进水口最大流量，q2为主管路出口流量，t为变频泵的工作时间。由于液体的EC与浓度成正比关系［11］，式（1）可变换为：

d［VTE（t）］dt=E1f（t）+E0f（t）-E（t）q2（2）

式（2）中，E（t）为混合管道中肥液的EC，E0为进水管道中肥液的EC，E1为肥液罐中肥液的EC。将式（2）进行拉斯变换后得：

E（s）=E1qw+e0qmVTs+q2m（s）（3）

将混合管道中的体积VT=50 L、主管道进水口的最大流量qm=3 000 L/h、文丘里吸肥器最大吸肥量qw=640 L/h、肥液罐中肥液的E1=10 mS/cm、进水管道中肥液的E0=0.6 mS/cm、滞后时间为10 s，带入以上公式中得到传递函数：

E（s）m（s）=2.7360 s+1e-10 s（4）

3.2 水肥一体模糊PID调控模型

利用EC传感器实时采集肥料母液罐中的值，通过Moudbus485通信将数据发送至PLC，经过预设值进行差值比对，模糊PID［12］计算比例积分微分，转化为吸肥电机的频率，变频器通过485通信实时反馈至PLC，从而控制最终的水肥浓度（图5）。

根据现场水肥一体系统的实际情况，利用Matlab中的Simulink模块进行仿真，将EC值的误差e和误差变化率ec作为模糊自适应PID控制器的输入，输出为ΔKp、ΔKi、ΔKd。定义模糊集上的域论：e＝｛-6，-4，-2，0，2，4，6｝，ec＝｛-6，-4，-2，0，2，4，6｝，根据专家经验和实际经验定义模糊规则，经过解模糊使ΔKp、ΔKi、ΔKd转化为相应的量化值，如表1所示。

将表格中的数据依次存入PLC的变量寄存器中，利用查表法［13］进行控制器的设计，将模糊PID计算的结果Kp、Ki、Kd输入至PLC，转换输出至变频器的频率值。

4 控制系统的运行试验

为了验证控制系统运行过程中的精确度与稳定性，试验选取在葡萄园示范基地进行。试验选用恒压供水，保持压力值在0.32 MPa，现场利用EC值为10 mS/cm的水溶性硝酸钾溶液，植物的生长EC值过高会导致根系死亡，EC值过低会影响作物的品质［14］。考虑到葡萄生长在果期［15］，选取目标EC值为1.5～2.0 mS/cm，经过连续多次现场测试，结果见表2。

通过以上试验数据对比发现，采用模糊PID控制的波动幅度较小，超调量较小，调控水肥所需的时间为90～120 s，由此可见，所开发的系统能够满足现场需要。

5 结论

笔者研究的山地葡萄智能水肥一体控制系统，完成了系统总体方案的设计、硬件接线及控制器的选型、软件功能的设计，有效地提高了山地葡萄园种植过程的智能化，在节水节肥的同时提高了农作物的产量，为山地农业提质增效提供技术支持和理论依据。

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