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        基于PLC 的精準變量水肥一體化設(shè)備研制分析

        2023-01-24 12:19:04楊亞飛王國強張彥陽伏自強
        現(xiàn)代農(nóng)機 2023年1期
        關(guān)鍵詞:墑情液態(tài)顯示屏

        王 力,楊亞飛,王國強,張彥陽,伏自強

        (江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學院,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,水肥用量過多導致土壤質(zhì)量下降,不利于作物生長。正因如此,當前急需針對水肥制定合理應(yīng)用方式,實現(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?;诖耍恼陆Y(jié)合實例探討基于PLC 的精準變量水肥一體化設(shè)備研制,以解決上述問題。

        1 PLC 精準變量概述

        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 標準的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。高速運行程序不僅要具備合理的結(jié)構(gòu),還要確保精準變量名合理,如此程序才能正常運行。

        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(電導率)傳感器、pH 傳感器采集當前土壤信息??刂葡到y(tǒng)由可編程邏輯控制器及人機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,觸摸顯示屏會基于信息內(nèi)容制定當前環(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前工作狀態(tài)進行調(diào)整,使肥料實際用量與用量方案保持一致,實現(xiàn)精準控制。

        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,確定當前電導率。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。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,運行過程中對土壤表層及深層進行檢測,具備實時監(jiān)測功能,便于隨時掌握土壤信息變化。

        3.2 精準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入管道內(nèi),在吸肥裝置作用下,各類液態(tài)肥進入對應(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,運行過程中覆蓋范圍半徑可達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)進行研發(fā)的,采取梯形圖方式編寫設(shè)備運行所需程序,選擇PC/PPI 電纜和PC 端之間建立連接實現(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)備主程序進行初始化設(shè)計,通過這種方式校準復合定時裝置及計數(shù)器,對輸入繼電器、輸出繼電器等進行歸零處理。

        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)精準程度,正因如此,實際運行之前需進行初始化處理,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 的精準變量水肥一體化設(shè)備的研制,彌補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,為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供保障,實現(xiàn)標準化生產(chǎn)。

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