楊軍+田敏+陳劍+呂新

摘要：針對(duì)國(guó)內(nèi)施肥的精準(zhǔn)度低、均勻性差、有效利用率低、環(huán)境污染等問(wèn)題，文章設(shè)計(jì)了一套滴灌農(nóng)田精準(zhǔn)變量施肥自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用變量施肥方式，通過(guò)PLC控制器來(lái)采集壓力、流量、電機(jī)轉(zhuǎn)速等信息，通過(guò)控制配肥電機(jī)、活塞和電磁閥改變系統(tǒng)實(shí)際施肥量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配比調(diào)節(jié)和變量施肥。試驗(yàn)分析表明，該系統(tǒng)具有良好的控制精度，性能穩(wěn)定可靠，可滿足農(nóng)田精準(zhǔn)施肥的需求，實(shí)用性好。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制；變量施肥；施肥裝置

精準(zhǔn)變量施肥技術(shù)是一個(gè)重要的領(lǐng)域。對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，水肥科學(xué)控制關(guān)系到農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)量，一直以來(lái)都是國(guó)內(nèi)外農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)者、種植者和研究機(jī)構(gòu)關(guān)注的焦點(diǎn)。國(guó)外對(duì)水肥控制技術(shù)研究的起步較早。以色列、美國(guó)、荷蘭、法國(guó)等國(guó)家在這方面都有很多成果。以色列是個(gè)水資源短缺的國(guó)家，研發(fā)了很多先進(jìn)的節(jié)水技術(shù)。其中，先進(jìn)的微灌技術(shù)應(yīng)用帶動(dòng)了以色列水肥灌溉的興起，該技術(shù)在溫室的優(yōu)勢(shì)更為明顯，其基于精準(zhǔn)變量控制的溫室水肥灌溉系統(tǒng)對(duì)水的最高利用率可以達(dá)到95%。AMIAD公司、NETAFIM公司等是以色列知名的水肥精準(zhǔn)變量控制技術(shù)設(shè)備供應(yīng)商。

我國(guó)在滴灌施肥研究與開(kāi)發(fā)方面，多集中在設(shè)施農(nóng)業(yè)的溫室大棚的自動(dòng)化滴灌系統(tǒng)研制，開(kāi)發(fā)了基于智能化管理和控制的灌溉施肥系統(tǒng)，并且得到了應(yīng)用。徐飛鵬提出了適用于溫室大棚的分層分布式計(jì)算機(jī)控制灌溉施肥系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制、定時(shí)控制、周期控制、手動(dòng)控制4種不同灌溉控制方式為一體的自動(dòng)控制灌溉與施肥系統(tǒng)；郭克珺研制開(kāi)發(fā)了2YTF6型灌溉液體施肥施藥自動(dòng)控制系統(tǒng)，可用于林業(yè)工廠化育苗、花卉、蔬菜和食用菌等設(shè)施灌溉施肥生產(chǎn)管理；楊萬(wàn)龍研制開(kāi)發(fā)了溫室滴灌施肥智能化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)與人工干預(yù)選擇型滴灌與施肥控制系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)學(xué)者利用單片機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)了自動(dòng)灌溉施肥控制系統(tǒng)，通過(guò)硬件和軟件的優(yōu)化組合，實(shí)現(xiàn)了滴灌系統(tǒng)中灌溉與施肥的精確控制和同步運(yùn)行，并且適合我國(guó)農(nóng)業(yè)溫室自動(dòng)灌溉及施肥管理，但國(guó)內(nèi)目前對(duì)于滴灌施肥裝置的深入研究都集中于設(shè)施農(nóng)業(yè)，注肥流量小的滴灌施肥裝置控制系統(tǒng)的研究，研究成果雖然較多，但是大田實(shí)體應(yīng)用較少，系統(tǒng)自動(dòng)化程度也不是很高。因此，本文開(kāi)發(fā)了一種基于PLC的滴灌農(nóng)田精準(zhǔn)變量控制施肥自動(dòng)控制系統(tǒng)，并通過(guò)GSM無(wú)線通訊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了施肥的現(xiàn)場(chǎng)精準(zhǔn)控制與遠(yuǎn)程GSM網(wǎng)絡(luò)連接，為大田基于PLC的精準(zhǔn)施肥與遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了一種新的技術(shù)手段。

1精準(zhǔn)施肥裝置結(jié)構(gòu)與控制功能設(shè)計(jì)

施肥裝置采用自主研發(fā)的發(fā)明專利，專利號(hào)：ZL201210151681.2，如圖1所示。

針對(duì)精準(zhǔn)施肥裝置，開(kāi)發(fā)出一套以PLC為核心的精準(zhǔn)施肥自動(dòng)控制系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）控制功能。系統(tǒng)設(shè)有手動(dòng)、自動(dòng)控制方式。手動(dòng)控制通過(guò)本地控制箱實(shí)現(xiàn)，即：首先電磁閥關(guān)閉，配肥箱電機(jī)打開(kāi)，肥箱電機(jī)旋轉(zhuǎn)180度，施肥箱內(nèi)的配肥裝置開(kāi)始配肥，送料至配肥盒，直到料漏完為止，啟動(dòng)電機(jī)使肥箱電機(jī)再旋轉(zhuǎn)180度，活塞電機(jī)向下，關(guān)閉配肥盒；電磁閥打開(kāi)，水流通過(guò)，再關(guān)閉重復(fù)施肥。該方式主要用于初期調(diào)試和檢修時(shí)的控制。自動(dòng)控制方式完全以PLC設(shè)定程序自動(dòng)執(zhí)行一系列操作，完成排水工作，不需要人為干涉，為正常投入使用后的常用模式。

（2）保護(hù)功能。系統(tǒng)具有故障自診斷功能，對(duì)供電電壓、電機(jī)等各項(xiàng)參數(shù)均設(shè)有狀態(tài)監(jiān)測(cè)。當(dāng)某項(xiàng)參數(shù)異?；虺鲈O(shè)定值時(shí)，PLC判斷故障并報(bào)警，同時(shí)停止裝置運(yùn)行，有效保護(hù)電機(jī)，以便于及時(shí)排除故障。

（3）實(shí)時(shí)顯示參數(shù)信息。采用西門子人機(jī)界面TD200實(shí)時(shí)顯示施肥時(shí)間、施肥量、施肥狀態(tài)等參數(shù)，同時(shí)為避免故障還可顯示報(bào)警信息。

（4）遠(yuǎn)程通訊及監(jiān)控功能。通過(guò)GSM與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心相連，監(jiān)控中心采用組態(tài)網(wǎng)自動(dòng)化監(jiān)控軟件建立綜合自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，實(shí)時(shí)顯示、記錄施肥裝置運(yùn)行情況和相關(guān)參數(shù)，支持歷史數(shù)據(jù)查詢。

2自動(dòng)控制系統(tǒng)

精準(zhǔn)施肥自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由系統(tǒng)硬件和軟件2個(gè)部分組成，控制系統(tǒng)原理如圖2所示。

2.1硬件的選型與控制面板的設(shè)計(jì)

PLC選用西門子S7-200-224XP晶體管型，數(shù)字量共14點(diǎn)輸入，10點(diǎn)輸出，2路模擬量輸入，1路模擬量輸出。數(shù)字量輸入擴(kuò)展模塊為EM 223型，4點(diǎn)輸入，4點(diǎn)輸出；開(kāi)關(guān)電源為輸入120/230VAC，輸出24V/5ADC；顯示屏選擇SIEMENS TD200型，與PLC之間的通訊采用RS485口；配肥電機(jī)選擇110三相步進(jìn)電機(jī)，最大力矩20N*M；電磁閥選用通徑32的二位二通膜片電磁閥，16公斤壓力；活塞電機(jī)選擇24V H200型直線推桿電機(jī)，功率20W，行程200mm；流量計(jì)選擇電磁流量計(jì)EMF5000，流速范圍：0.2～8m/s，輸出信號(hào)4～20mA.DC；顯示控制屏為西門子TD200。控制面板如圖3所示。

2.2軟件的設(shè)計(jì)

控制軟件的設(shè)計(jì)主要分為PLC控制程序和組態(tài)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控軟件2個(gè)部分。

2.2.1 PLC控制程序設(shè)計(jì)

PLC程序設(shè)計(jì)采用STEP 7軟件中的梯形邏輯圖、功能塊圖和語(yǔ)句表進(jìn)行編程。用梯形圖在STEP 7中進(jìn)行順序控制程序編程。PLC上電起動(dòng)后首先執(zhí)行內(nèi)部初始化，然后根據(jù)手動(dòng)、自動(dòng)控制的方式選擇，進(jìn)入相應(yīng)的程序流程。整個(gè)程序主要包括施肥裝置初始狀態(tài)檢測(cè)、正常啟停電機(jī)、電磁閥和故障報(bào)警故障停止等模塊，程序流程如圖4所示。

STEP 7軟件通過(guò)建立在線連接下載程序到PLC，以對(duì)編制好的程序進(jìn)行調(diào)試，可實(shí)現(xiàn)程序的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、強(qiáng)制性數(shù)據(jù)變更和輸入輸出信號(hào)的強(qiáng)制開(kāi)/關(guān)等，其中裝料梯形圖如圖5所示。

2.2.2組態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控軟件

本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)采用組態(tài)王開(kāi)發(fā)。組態(tài)王是新型的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，它以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)軟、硬件平臺(tái)構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)，具有適應(yīng)性強(qiáng)、開(kāi)放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。通?？梢园堰@樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層3個(gè)層次結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控層對(duì)下連接控制層，對(duì)上連接管理層，它不但實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，且在自動(dòng)控制系統(tǒng)中完成上傳下達(dá)、組態(tài)開(kāi)發(fā)的重要作用。尤其考慮3個(gè)方面的問(wèn)題：畫面、數(shù)據(jù)、動(dòng)畫。通過(guò)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)要求及實(shí)現(xiàn)功能的分析，采用組態(tài)王對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。組態(tài)軟件也為試驗(yàn)者提供了可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗(yàn)者實(shí)時(shí)監(jiān)控。

系統(tǒng)功能模塊如圖6所示。

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，本系統(tǒng)主要有主操作、用戶配置、報(bào)警記錄、參數(shù)修改、歷史曲線、歷史數(shù)據(jù)等畫面，如圖7所示。

3結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)的測(cè)試表明施肥控制精度誤差范圍不超過(guò)5%，可靠穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了棉田定點(diǎn)、定時(shí)、定量施肥，增強(qiáng)了施肥的均勻性和精準(zhǔn)性，極大地提高了施肥的科學(xué)性，提高了肥料的利用效率。總之，該系統(tǒng)的使用必將提高精準(zhǔn)施肥自動(dòng)化水平，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義，滿足了棉田精準(zhǔn)施肥的技術(shù)要求，節(jié)肥，增產(chǎn)，省工，減輕過(guò)量施肥造成面源污染的危害。