初光勇 姚立國

摘要 結合當前丘陵山地葡萄園水肥一體灌溉的需求，設計了一款基于PLC控制的智能水肥一體化系統。該系統以西門子PLC為核心控制器，使用無線通信技術實時采集當前的溫濕度、電導率、pH、EC值等參數，利用MCGS軟件設計了觸摸屏界面。根據當前的環(huán)境參數對灌溉電機泵進行變頻控制，驅動執(zhí)行機構進行種植環(huán)境參數的調節(jié)。該智能控制系統能夠有效地對葡萄種植過程中的土壤墑情等多種參數以及環(huán)境參數進行無線采集傳輸，并通過PLC進行智能控制。運行試驗結果表明：系統運行平穩(wěn)、響應及時，可提高葡萄種植過程中水肥的利用率。

關鍵詞 水肥一體；PLC；葡萄；山地

中圖分類號 S66? 文獻標識碼 A? 文章編號 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

基金項目 貴州省科技計劃項目（黔科合基礎-ZK〔2022〕一般320）；銅仁職業(yè)技術學院院級科研平臺項目（tzkpt〔2022〕188-07號）。

作者簡介 初光勇（1989—），男，山東聊城人，副教授，碩士，從事農業(yè)裝備研究。

*通信作者，副教授，博士，從事智能制造和制造大數據研究。

收稿日期 2023-08-02；修回日期 2023-12-01

我國是全球最大的鮮食葡萄生產國，國內鮮食葡萄消費需求呈現快速增長態(tài)勢，消費者對鮮食葡萄數量和質量的要求也在逐年提高［1］。葡萄在生長過程中對光照、水肥的要求比較高，水肥的科學供應可以極大程度提高水果的品質和產量。隨著我國山地高效農業(yè)的推進，自動化技術、物聯網技術等新技術［2-4］在農業(yè)生產中的應用，實施水肥一體化智能控制將有效解決山地水果種植水肥管控不精準、土壤環(huán)境差異問題。目前，大多數的水肥一體化技術能夠實現定時灌溉、自動灌溉，但是控制的過程不夠精準，植物生長過程的參數采集不夠豐富，水路的壓力變化波動大，影響了吸肥灌溉的精度，因此關于智能農業(yè)的新技術研究勢在必行。相對于傳統的單片機控制或者簡單的定時器控制，基于PLC控制的山地葡萄智能水肥一體化控制系統，能夠實時的檢測當前的土壤墑情，計算植物生長過程中所需要的水肥濃度［5］，科學分析當前缺失量、補給量，不僅能提高山地地區(qū)水果產量，也能改善農業(yè)生態(tài)環(huán)境。

1 控制系統的總體構架

智能水肥一體控制系統由數據采集系統、數據處理系統、人機交互系統和執(zhí)行系統組成（圖1）。

數據采集系統集成了空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、光照強度傳感器、土壤多參數檢測傳感器［6］。各個傳感器模塊通過無線串口將數據實時的傳遞到數據處理終端PLC進行處理。

數據處理系統由電源模塊、PLC模塊［7］、物聯網模塊、無線透傳模塊組成。電源模塊為各個模塊提供穩(wěn)定的交直流電。PLC模塊作為主要的中央處理器將來自各系統的數據進行分析處理并通過網絡在觸摸屏終端、手機終端進行顯示。物聯網模塊將PLC中的數據進行遠程顯示，利用遠程計算機可以進行遠程監(jiān)控。無線透傳模塊主要接收來自數據采集系統中傳感器采集到的數據。

人機交互系統由觸摸屏、遠端計算機顯示器、手機APP界面等組成，主要作用是完成對整個系統的數據監(jiān)測及遠程控制。

執(zhí)行系統主要包括系統的末端執(zhí)行設備，由電磁閥、土壤施肥泵、通風設備、加熱設備、遮光設備組成，接收PLC的輸出指令，通過繼電器、變頻器動作實現對土壤施肥過程中的控制。

2 系統網絡組態(tài)設計

2.1 系統的組態(tài)軟件設計

在MCGS觸摸屏的組態(tài)界面中，包括了諸多土壤墑情參數實時監(jiān)測信息，例如氮含量、磷含量、土壤及空氣的溫濕度、光照強度、pH、EC值［8］等。在手動控制界面可以單獨對系統的各個電機、電磁閥進行控制，包含了液位指示、故障指示等報警功能，能夠實時顯示各個肥料罐的當前總量，進料泵實時顯示流量計壓力值，主電機可以顯示當前的電機轉速，支持曲線實時統計當前的數據方便后續(xù)的分析（圖2）。

2.2 遠程控制系統

遠程控制系統由本地端和遠端組成，本地端由機載傳感器、PLC、速控云等組成（圖3）。本地端系統采用西門子S7-200SmartSR20型號PLC，采用梯形圖編程語言［9］進行程序的設計，PLC與MCGS觸摸屏之間進行Modbus TCP方式通信，與數據采集傳感器之間通過Moudbus485協議無線串口方式通信。遠程端由遠端傳感器、多數據采集終端等組成。速控云遠程模塊支持API接口、OPC接口和MQTT協議，利用手機APP通過速控云的4G網絡對PLC采集到的過程數據進行遠程監(jiān)控。通過4G網絡對泵、電磁閥等進行啟動和停止控制，設備的傳感器參數可以實時的顯示在手機APP終端。

2.3 灌溉的工藝流程設計

水肥一體灌溉系統由供水系統、吸肥系統、終端控制器3部分組成（圖4）。供水系統由變頻離心泵、蓄水池、過濾系統組成，主要為系統提供水源。吸肥系統由文丘里吸肥器、肥液罐組成，依靠文丘里效應［10］產生負壓將肥液吸入至管路中。終端控制器由傳感器、控制器、上位機組成。傳感器主要采集工作過程的信號，控制器主要接收來自上位機的命令，上位機主要顯示和監(jiān)視系統運行過程中的參數。

3 水肥智能調控模型

3.1 水肥一體調控EC模型

根據質量守恒，設備管道中剩余液體的量等于流入液體的量減去流出液體的量，文丘里吸肥器里面的進出口流量與變頻泵之間的頻率f（t）有關，得出之間的關系為一階滯后模型：

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

式（1）中，VT為混合管道中肥液的體積，C（t）為混合管道中肥液的濃度，C0為進水管中肥液的濃度，C1為水肥混合管道中肥液的濃度，qw為文丘里吸肥器最大吸肥量，qm為主管路進水口最大流量，q2為主管路出口流量，t為變頻泵的工作時間。由于液體的EC與濃度成正比關系［11］，式（1）可變換為：

d［VTE（t）］dt=E1f（t）+E0f（t）-E（t）q2（2）

式（2）中，E（t）為混合管道中肥液的EC，E0為進水管道中肥液的EC，E1為肥液罐中肥液的EC。將式（2）進行拉斯變換后得：

E（s）=E1qw+e0qmVTs+q2m（s）（3）

將混合管道中的體積VT=50 L、主管道進水口的最大流量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、進水管道中肥液的E0=0.6 mS/cm、滯后時間為10 s，帶入以上公式中得到傳遞函數：

E（s）m（s）=2.7360 s+1e-10 s（4）

3.2 水肥一體模糊PID調控模型

利用EC傳感器實時采集肥料母液罐中的值，通過Moudbus485通信將數據發(fā)送至PLC，經過預設值進行差值比對，模糊PID［12］計算比例積分微分，轉化為吸肥電機的頻率，變頻器通過485通信實時反饋至PLC，從而控制最終的水肥濃度（圖5）。

根據現場水肥一體系統的實際情況，利用Matlab中的Simulink模塊進行仿真，將EC值的誤差e和誤差變化率ec作為模糊自適應PID控制器的輸入，輸出為ΔKp、ΔKi、ΔKd。定義模糊集上的域論：e＝｛-6，-4，-2，0，2，4，6｝，ec＝｛-6，-4，-2，0，2，4，6｝，根據專家經驗和實際經驗定義模糊規(guī)則，經過解模糊使ΔKp、ΔKi、ΔKd轉化為相應的量化值，如表1所示。

將表格中的數據依次存入PLC的變量寄存器中，利用查表法［13］進行控制器的設計，將模糊PID計算的結果Kp、Ki、Kd輸入至PLC，轉換輸出至變頻器的頻率值。

4 控制系統的運行試驗

為了驗證控制系統運行過程中的精確度與穩(wěn)定性，試驗選取在葡萄園示范基地進行。試驗選用恒壓供水，保持壓力值在0.32 MPa，現場利用EC值為10 mS/cm的水溶性硝酸鉀溶液，植物的生長EC值過高會導致根系死亡，EC值過低會影響作物的品質［14］?？紤]到葡萄生長在果期［15］，選取目標EC值為1.5～2.0 mS/cm，經過連續(xù)多次現場測試，結果見表2。

通過以上試驗數據對比發(fā)現，采用模糊PID控制的波動幅度較小，超調量較小，調控水肥所需的時間為90～120 s，由此可見，所開發(fā)的系統能夠滿足現場需要。

5 結論

筆者研究的山地葡萄智能水肥一體控制系統，完成了系統總體方案的設計、硬件接線及控制器的選型、軟件功能的設計，有效地提高了山地葡萄園種植過程的智能化，在節(jié)水節(jié)肥的同時提高了農作物的產量，為山地農業(yè)提質增效提供技術支持和理論依據。

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