王紅府 趙明富

【摘? ?要】 我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)作物種植的粗放模式容易造成水資源浪費(fèi)，加重環(huán)境污染，水肥藥一體化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。本文介紹了水肥藥一體化技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用，闡述了基于PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)際應(yīng)用效果。本系統(tǒng)具有節(jié)約資源、降低環(huán)境污染和生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率、可靠性高等特點(diǎn)，并具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】 水肥藥一體化;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(dāng)前，農(nóng)業(yè)灌溉的方式多采用傳統(tǒng)的漫灌方式，造成水資源浪費(fèi)嚴(yán)重。我國(guó)是一個(gè)嚴(yán)重缺水的國(guó)家，地下水位不斷下降，水資源危機(jī)日益加重。面對(duì)如此嚴(yán)峻的形勢(shì)，節(jié)約用水勢(shì)在必行。在施肥方面，我國(guó)化肥使用量占世界首位，施肥時(shí)帶有很大的盲目性，施肥過(guò)量的現(xiàn)象比比皆是，給水土帶來(lái)嚴(yán)重的污染，造成很大的資源浪費(fèi)。在農(nóng)業(yè)施藥方面，農(nóng)藥生產(chǎn)和使用量位居世界前列，施藥不科學(xué)，帶來(lái)成本增加、環(huán)境污染等問(wèn)題。因此，發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是大勢(shì)所趨，而水肥藥一體化是發(fā)展現(xiàn)代種植業(yè)的必然選擇。

1? 意義

水肥藥一體化技術(shù)是將可溶性固體肥料或液體肥料及土壤用藥配兌而成的肥藥液，通過(guò)滴灌系統(tǒng)均勻而滴入作物根區(qū)土壤的一種方式。灌溉水以水滴的形式進(jìn)入作物根部土壤[1]。采用滴灌的方式可以有效減少水、化肥和農(nóng)藥的用量，提高資源利用效率，節(jié)約成本，減輕環(huán)境污染，提高農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)。

目前，水肥藥一體化控制系統(tǒng)多采用單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，存在穩(wěn)定性和可靠性不高的現(xiàn)象?？删幊炭刂破鳎≒rogrammable Logic Controller，簡(jiǎn)稱PLC）自1969年問(wèn)世以來(lái)，以其編程簡(jiǎn)單、可靠性高等特點(diǎn)，在自動(dòng)控制領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱之一，采用PLC控制可以提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

2? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水肥藥一體化系統(tǒng)由灌溉系統(tǒng)、注肥系統(tǒng)、施藥系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。灌溉系統(tǒng)中設(shè)置水箱用來(lái)儲(chǔ)水，注肥系統(tǒng)設(shè)置肥料罐，施藥系統(tǒng)設(shè)置藥物罐，在實(shí)現(xiàn)灌溉的同時(shí)也可以進(jìn)行施肥、施藥。

在水箱上設(shè)置上限位傳感器和下限位傳感器用來(lái)控制注水量，當(dāng)水位上升至上水位傳感器時(shí)，水泵電動(dòng)機(jī)自動(dòng)停止;當(dāng)水位下降至下水位傳感器時(shí)，自行起動(dòng)水泵電動(dòng)機(jī)，進(jìn)行注水;從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。水箱、灌溉管道、出水閥連成輸水通道，實(shí)現(xiàn)灌溉功能。

根據(jù)果樹生長(zhǎng)期的不同階段的需要，檢測(cè)土壤中氮、磷、鉀等微量元素的含量。手動(dòng)操作，將水注入到肥料罐中至上限位傳感器，將配制好肥料加入肥料罐中，起動(dòng)肥料攪拌電動(dòng)機(jī)進(jìn)行攪拌，攪拌時(shí)間可以預(yù)先設(shè)定為5、15、15分鐘，使得肥料充分溶合，開啟施肥閥，實(shí)現(xiàn)灌溉注肥功能。灌溉施藥過(guò)程與灌溉施肥過(guò)程相似。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3? 電氣控制系統(tǒng)組成

FX3U系列三菱PLC是第三代微型可編程控制器，內(nèi)置64K大容量RAM存儲(chǔ)器，指令豐富，指令運(yùn)行速度快，功能強(qiáng)。本系統(tǒng)選用FX3U-32M PLC，有16個(gè)輸入點(diǎn)，16個(gè)輸出點(diǎn)，帶有模擬量輸入輸出模塊和通訊模塊，繼電器輸出類型。系統(tǒng)資源可以充分滿足實(shí)際功能要求。

水肥藥一體化系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)有PLC、接觸器、水泵電動(dòng)機(jī)、肥料攪拌電動(dòng)機(jī)、藥物攪拌電動(dòng)機(jī)、出水電磁閥、出肥電磁閥、出藥電磁閥、水箱上限位傳感器和下限位傳感器、土壤濕度傳感器、方式選擇開關(guān)和各種按鈕開關(guān)等組成。

4? ?程序設(shè)計(jì)

要保證控制系統(tǒng)的正常工作，需要編寫正確的PLC控制程序。系統(tǒng)的工作模式有手動(dòng)工作模式和上位機(jī)工作模式。根據(jù)需要選擇不同的模式，以滿足實(shí)際需求。

4.1? 手動(dòng)操作模式

4.1.1 準(zhǔn)備? 系統(tǒng)起動(dòng)后，當(dāng)水位低于水箱上限位傳感器時(shí)，接觸器通電，控制水泵電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)，進(jìn)行儲(chǔ)水;當(dāng)水位達(dá)到水箱上限位傳感器時(shí)，接觸器斷電，水泵電動(dòng)機(jī)的停止，儲(chǔ)水結(jié)束。

4.1.2 灌溉方式? ①當(dāng)灌溉起動(dòng)按鈕按下時(shí)，出水電磁閥的通電打開，通過(guò)流量計(jì)進(jìn)行灌溉;當(dāng)流量計(jì)顯示為零時(shí)，控制出水電磁閥斷電，排水閥關(guān)閉，灌溉結(jié)束。

②在自動(dòng)模式下，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，土壤濕度傳感器檢測(cè)土壤濕度，將檢測(cè)值送至模擬量模塊與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)土壤濕度決定是否進(jìn)行灌溉。

4.1.3 水肥方式? 當(dāng)水肥按鈕按下去，肥料罐進(jìn)水閥打開，與之前倒入的肥料進(jìn)行混合，當(dāng)水位達(dá)到肥料上限位傳感器時(shí)，肥料進(jìn)水閥關(guān)閉，同時(shí)肥料攪拌電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，設(shè)定的時(shí)間（可以由水肥起動(dòng)按鈕按下次數(shù)設(shè)定為5S，10S，15S）達(dá)到之后，肥料攪拌電動(dòng)機(jī)自動(dòng)停止同時(shí)出肥閥和出水閥打開，進(jìn)行水肥工作模式，可以用流量計(jì)控制所加注的量。

4.1.4 水藥方式和水肥藥方式與水肥方式類似。

4.2? GPRS控制模式：

GPRS是通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)，是2G和3G之間的技術(shù)。具有通信、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程管理等功能，能夠采集PLC串口設(shè)備數(shù)據(jù)。PLC通訊模塊上提供RS485接口，GPRS上面是RS232接口，需要一個(gè)能將485轉(zhuǎn)成232的接口轉(zhuǎn)換器。觸摸屏和GPRS無(wú)線模塊以及PLC構(gòu)成下位機(jī)模塊。GPRS模塊通過(guò)協(xié)議與計(jì)算機(jī)連接后，計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)通過(guò)組態(tài)軟件提供相應(yīng)控制面板進(jìn)行下位機(jī)控制。

還可以通過(guò)手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)，當(dāng)需要灌溉時(shí)，按下滴灌的地塊就可以控制電磁閥關(guān)或開，進(jìn)行灌溉。通過(guò)顏色顯示地塊濕度狀態(tài)，白色為干旱，綠色為正常，紅色為正在滴灌。當(dāng)按下水肥混合或水藥混合，啟動(dòng)水肥藥一體化系統(tǒng)。如果桃園面積較大，可以將桃園分成若干地塊，需要增加電磁閥實(shí)現(xiàn)若干地塊的控制。

5? 結(jié)論

基于PLC的水肥藥一體化控制系統(tǒng)可以達(dá)到節(jié)約用水、提高肥效、省藥、節(jié)約工時(shí)和降低成本，達(dá)到增產(chǎn)的目的，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，同時(shí)也能完成水肥一體化控制和水藥一體化控制，具有更強(qiáng)的適用性;

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