王 力，楊亞飛，王國強(qiáng)，張彥陽，伏自強(qiáng)

(江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院，225300，江蘇泰州)

無論是大田作物還是園藝作物，栽種過程中均存在水肥應(yīng)用不合理的情況，水肥用量過多導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降，不利于作物生長。正因如此，當(dāng)前急需針對水肥制定合理應(yīng)用方式，實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)。近年來，我國愈發(fā)重視水肥一體化技術(shù)，引入大量技術(shù)及設(shè)備，但目前仍舊處于研究初期，并且裝備穩(wěn)定性不佳，不適用于我國農(nóng)業(yè)種植，可靠性有待提升，水肥一體化技術(shù)應(yīng)用因此受到限制?；诖?，文章結(jié)合實(shí)例探討基于PLC 的精準(zhǔn)變量水肥一體化設(shè)備研制，以解決上述問題。

1 PLC 精準(zhǔn)變量概述

變量即是能夠變化的量，由PLC（可編程邏輯控制器）自行為數(shù)據(jù)規(guī)劃儲存空間。和以往采取的物理存儲方式有所不同，基于IEC61131 標(biāo)準(zhǔn)的PLC 變量成為開關(guān)、變頻器等部件與程序相連接的途徑。對PLC來說，精準(zhǔn)變量旨在辨識輸入內(nèi)容、輸出內(nèi)容和內(nèi)部空間占用情況。而PLC 編程可看作不同變量操作方式。高速運(yùn)行程序不僅要具備合理的結(jié)構(gòu)，還要確保精準(zhǔn)變量名合理，如此程序才能正常運(yùn)行。

2 設(shè)備系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

針對水肥一體化技術(shù)應(yīng)用過程中受到的限制，以PLC 技術(shù)為基礎(chǔ)研制精準(zhǔn)變量智能水肥一體化設(shè)備。該設(shè)備組成分為三個部分，即土壤墑情采集單元、灌溉施肥系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。土壤墑情采集單元主要是通過調(diào)用EC（電導(dǎo)率）傳感器、pH 傳感器采集當(dāng)前土壤信息?？刂葡到y(tǒng)由可編程邏輯控制器及人機(jī)界面觸摸屏等部件組成，針對二者配備通信協(xié)議，采取統(tǒng)一串行接口傳輸信息，土壤墑情采集單元采集的信息最終都會傳至觸摸屏中，系統(tǒng)會結(jié)合信息提供最為科學(xué)的肥料應(yīng)用方案，憑借PLC 技術(shù)將具體指令發(fā)送至灌溉施肥系統(tǒng)。灌溉施肥系統(tǒng)包括射流式自吸泵、吸肥器、比例電磁閥等多個元件，系統(tǒng)被調(diào)用之后會按照接收的指令執(zhí)行具體操作，如肥料輸送、營養(yǎng)液澆灌等。設(shè)備通過變量方式為農(nóng)作物施加所需肥料，滿足作物生長過程中對氮、磷等元素供應(yīng)提出的要求。

設(shè)備工作流程詳情為：先由土壤墑情采集單元收集目標(biāo)基本信息，之后傳輸至控制系統(tǒng)；之后控制系統(tǒng)將信息發(fā)送至觸摸顯示屏中，觸摸顯示屏?xí)谛畔?nèi)容制定當(dāng)前環(huán)境下最適合作物生長的元素用量方案；PLC 技術(shù)會結(jié)合具體數(shù)據(jù)調(diào)整各個比例電磁閥開啟狀態(tài)，控制不同液態(tài)肥用量，利用電磁流量計將肥料使用情況回傳至觸摸屏中；結(jié)合肥料用量再次對電磁閥當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，使肥料實(shí)際用量與用量方案保持一致，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。

3 系統(tǒng)硬件架構(gòu)分析

3.1 土壤墑情采集單元設(shè)計

對農(nóng)作物生長而言，合理灌溉是不可缺少的重要條件。農(nóng)作物生長過程中所需的灌溉量及灌溉頻率主要取決于土壤墑情數(shù)據(jù)。土壤墑情采集單元配有多個傳感器，統(tǒng)一選用485 通信方式進(jìn)行通信，基于S7-200 PLC 設(shè)置通信協(xié)議。使用2265FS 型EC 傳感器，收集農(nóng)作物種植環(huán)境中的土壤信息，確定當(dāng)前電導(dǎo)率。這種方式的優(yōu)勢在于不需要采集農(nóng)作物種植環(huán)境中的土壤，對土壤測量之前無需采取預(yù)處理措施，流程得到簡化，效率有所提升，測量結(jié)果更為精準(zhǔn)。土壤墑情采集單元選用pH-1800 型pH 傳感器，該裝置最大的優(yōu)勢在于具有較高的分辨率，能夠測定土壤中的pH 數(shù)值，靈敏度高且較為穩(wěn)定。單元選用FDS-100 型水分傳感器，這類傳感器即使長時間埋藏在土壤中仍舊可以正常工作，這也是單元選用該型號裝置的主要原因，運(yùn)行過程中對土壤表層及深層進(jìn)行檢測，具備實(shí)時監(jiān)測功能，便于隨時掌握土壤信息變化。

3.2 精準(zhǔn)變量水肥一體化控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)在設(shè)備中占有非常重要的位置，旨在處理土壤墑情采集單元收集的信息，以此為基礎(chǔ)針對作物生長設(shè)計肥料應(yīng)用方案，控制各類肥料比例，確保方案科學(xué)合理，調(diào)整射流式自吸泵工作狀態(tài)。土壤墑情采集單元完成信息收集之后會利用MODBUS 協(xié)議將信息傳至PLC 中，電磁流量計主要用于計算水流量并將相關(guān)信息內(nèi)容轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)光電隔離處理之后反饋至PLC 中。系統(tǒng)運(yùn)行階段，PLC 通過串行接口將接收的信息傳遞至觸摸顯示屏，之后操作觸摸顯示屏確定灌溉時間及肥料應(yīng)用方案，隨即再次通過串行接口將信息回傳至PLC 中，PLC 會根據(jù)反饋的信息發(fā)出控制指令操作電磁閥。該設(shè)備所用PLC 是由西門子工業(yè)推出的6ES7 216-2AD23-0XB8 系列產(chǎn)品。觸屏顯示裝置選用功耗較低的CPU，為方便人機(jī)交流配備了高約7 英寸的觸摸顯示屏，分辨率較高，同時裝配4 線電阻式觸摸顯示屏，基于二者搭建信息傳輸通道。

3.3 灌溉施肥系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)備的灌溉施肥系統(tǒng)組成復(fù)雜，包括射流式自吸泵、吸肥器等部件。但系統(tǒng)被設(shè)備調(diào)用之后，PLC 會向自吸泵發(fā)出指令，農(nóng)作物種植用水直接進(jìn)入管道內(nèi)，在吸肥裝置作用下，各類液態(tài)肥進(jìn)入對應(yīng)管道，比例電磁閥會結(jié)合PLC 發(fā)出的信號控制不同管道液態(tài)肥流量，電子流量計會計算液態(tài)肥流量，并將信息傳輸至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)分析之后調(diào)整比例電磁閥工作狀態(tài)，使液態(tài)肥實(shí)際流量與方案用量保持一致，最終由設(shè)備管道將液態(tài)肥施加給農(nóng)作物。設(shè)備所用射流式自吸泵型號為BJZ150T，運(yùn)行過程中覆蓋范圍半徑可達(dá)50 m，液態(tài)肥最大流量為4.8 m3/h，部件滿足設(shè)備要求。吸肥裝置具備節(jié)流特性，如果農(nóng)作物灌溉水流入吸肥裝置內(nèi)部收斂處，吸肥裝置內(nèi)會有吸力產(chǎn)生，受氣壓影響灌溉水直接流入管道。比例電磁閥分為電磁線圈、鐵芯等多個部分，由PLC 發(fā)出的指令調(diào)節(jié)當(dāng)前工作狀態(tài)，控制不同管道內(nèi)部液態(tài)肥流量。設(shè)備選用型號為YF-S201B 的電磁流量計，組成復(fù)雜，包括閥體、水流轉(zhuǎn)子等不同組件，通過計算掌握水流量變化情況，采集相關(guān)數(shù)據(jù)信息并傳輸至PLC 中，經(jīng)觸摸顯示屏展示。

4 設(shè)備系統(tǒng)軟件分析

設(shè)備所用S7-200 PLC 是以STEP7 MicroWIN V4.0 SP9 作為基礎(chǔ)進(jìn)行研發(fā)的，采取梯形圖方式編寫設(shè)備運(yùn)行所需程序，選擇PC/PPI 電纜和PC 端之間建立連接實(shí)現(xiàn)信息傳輸。設(shè)備程序主體分為采集土壤墑情數(shù)據(jù)、控制比例閥開關(guān)度、初始化程序等多個部分。

4.1 系統(tǒng)程序初始化設(shè)計

針對設(shè)備主程序進(jìn)行初始化設(shè)計，通過這種方式校準(zhǔn)復(fù)合定時裝置及計數(shù)器，對輸入繼電器、輸出繼電器等進(jìn)行歸零處理。

4.2 土壤墑情數(shù)據(jù)采集設(shè)計

VB10、VB20、VB30 等變量存儲裝置是設(shè)備采集土壤墑情數(shù)據(jù)的關(guān)鍵，決定了數(shù)據(jù)精準(zhǔn)程度，正因如此，實(shí)際運(yùn)行之前需進(jìn)行初始化處理，便于接受由EC傳感器、pH 傳感器等發(fā)送的信息，數(shù)據(jù)信息通過PLC展示在觸摸顯示屏中，對信息變化實(shí)施監(jiān)測。

4.3 比例電磁閥開度控制設(shè)計

比例電磁閥開度控制流程如下：操作觸摸顯示屏發(fā)出相應(yīng)指令，當(dāng)PLC 控制裝置接收到來自觸摸顯示屏的指令之后會對其分析并發(fā)出電壓脈沖信號，通過這種方式調(diào)整流經(jīng)比例電磁閥電磁線圈的電流值，實(shí)現(xiàn)對比例電磁閥工作狀態(tài)的控制。由公式（1）可以看出，經(jīng)過比例電磁閥線圈的電流波動值（dI）與脈沖波形生命周期（T）有直接關(guān)系，因此，在比例電磁閥線圈電流波動數(shù)值接近零的情況下，結(jié)合公式（2）就可以看出，當(dāng)占空比D 由小到大變化時，流過線圈的穩(wěn)定電流平均值I 可以從0 變化至U/RL。當(dāng)U=24 V，RL=12 Ω時，基于此繪制穩(wěn)定電流平均值I 和占空比D 之間的關(guān)系曲線。如果T/τ 較小時，平均電流I 和占空比D 近似為線性關(guān)系。通過對PLC 的定時器編程可以控制占空比D 的大小，進(jìn)而改變流過比例電磁閥線圈的穩(wěn)定電流平均值，其值越大，閥口的開度越大，由此實(shí)現(xiàn)PLC 對比例電磁閥開度的控制。

4.4 電磁流量計數(shù)據(jù)采集設(shè)計

電磁流量計用于檢測液態(tài)肥流量，其工作流程為:當(dāng)液態(tài)肥流過水流轉(zhuǎn)子組件時，磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動并且轉(zhuǎn)速隨著流量變化而變化，霍爾傳感器輸出相應(yīng)脈沖信號，反饋給PLC 控制裝置。根據(jù)霍爾效應(yīng)測量各路液態(tài)肥的流量，其工作原理為：在霍爾元件的正極串入負(fù)載電阻，同時通上5 V 的直流電壓，使電流方向與磁場方向正交；當(dāng)水流推動磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生不同磁極的旋轉(zhuǎn)磁場，切割磁感應(yīng)線，產(chǎn)生高低脈沖電平。

5 結(jié)論

針對農(nóng)作物種植過程中水肥應(yīng)用存在的問題，探討基于PLC 的精準(zhǔn)變量水肥一體化設(shè)備的研制，彌補(bǔ)以往水肥施加過程中存在的缺陷，提高肥料利用率，減少對農(nóng)作物種植環(huán)境造成的影響。同時根據(jù)作物對氮、磷供應(yīng)提出的要求控制元素比例，以便作物可以充分吸收這些營養(yǎng)元素，進(jìn)而提升作物產(chǎn)量。文章所提及的設(shè)備是應(yīng)用PLC、傳感技術(shù)等多種現(xiàn)代化技術(shù)研發(fā)而成的，可保證肥料用量精準(zhǔn)，為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供保障，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。