基于PLC的水肥一体化灌溉控制器设计

晁 阳，李培东，黄林刚

（1.杨凌职业技术学院机电分院，陕西 杨凌712100；2.西安市科技交流中心，西安710000）

粮食安全是关系国民经济命脉的关键。施肥灌溉在农作物生长和农业增产增收中扮演着重要角色［1］。水肥一体化灌溉是将灌溉与施肥合二为一的技术，配合滴灌技术对作物进行灌溉和施肥，能够实时控制土壤湿度和肥力，起到节水、节肥的作用，极大满足农作物生长需求［2］，促进作物生长和农业增产增收。

国内水肥一体化技术广泛应用于温室蔬菜、果树等设施化农业种植生产中，对农业增产起到了积极的促进作用。然而，市面上现有的水肥一体化设备成本昂贵、功能繁琐，农户使用意愿不强。目前中国西北干旱半干旱地区农户仍普遍采用传统粗放型灌溉模式，造成水资源浪费、土壤养分失衡、肥料利用效率低下等问题［3-5］。因此，设计一种价格合理、使用方便、功能够用、性能良好的水肥一体灌溉系统，可以极大改善中国西北地区中小型设施农业普及和推广的现状［6］，增加中小型设施农业种植户的经济收益。

1 系统整体设计

系统以三菱FX型整体式PLC为核心控制元件，以土壤湿度传感器和土壤电导率传感器为信息采集器件，以过滤器、灌溉泵、施肥泵等为执行器件，以报警灯、蜂鸣器为报警装置。系统包含灌溉和施肥灌溉2种功能，用三位转换开关进行自动模式、手动模式、停止3种模式的切换［7］。

手动模式主要用于系统停机检修和维护调试，也可用于农户按照经验对农作物进行灌溉和施肥，当系统处于手动模式时，农户按下灌溉或施肥按钮，对应的执行机构动作、显示原件启动，提醒农户当前系统正处于灌溉或施肥工作中。自动模式主要用于系统长时间自动运行状态下，传感器首先对土壤湿度和肥力进行实时监测［8，9］，当土壤需要施肥时，系统对应报警装置启动并开启灌溉施肥模式，施肥泵将事先配好的营养液引入管道，并通过滴灌设备对土壤进行施肥灌溉，同时施肥指示灯点亮，提醒农户当前处于施肥工作中；当土壤肥力符合要求时，施肥灌溉模式停止，对应指示灯熄灭；在施肥灌溉后，系统检测土壤是否缺水，若此时土壤含水量已达到设定值，系统停止工作。若施肥灌溉后土壤含水量仍不能达到设定值，系统启动灌溉模式，驱动灌溉泵运行对作物进行滴灌，同时对应指示灯开启，直至土壤含水量达标后系统停止。系统也可对当前土壤含水量进行单独检测，当传感器检测到土壤缺水时，系统发出缺水报警，开启灌溉模式，驱动灌溉泵运行将灌溉用水引入管道，对作物进行滴灌，当土壤含水量达到设定值时，灌溉模式停止，从而实现对作物的自动灌溉、无人值守［9］。系统结构如图1所示。

图1 系统结构

2 硬件设计

2.1 控制器

系统核心控制器采用三菱FX2N-32MR型可编程序控制器（简称PLC），该PLC内部有32点I/O接口、1～100 ms定时器256位、8K步EEPROM程序容量、128点16位数据寄存器，其结构紧凑、性能稳定，具有较高的性价比。

2.2 传感器

土壤湿度检测主要采用土壤水分传感器，其表面采用镀镍处理，导电性能高、耐腐蚀性强、使用寿命长、功耗低、测量精度高，可以在较宽的范围内测量土壤湿度，可通过电位器调节响应阀值，满足大多数农产品种植场景的需求。

PR-3000-ECH-I20型土壤电导率传感器通过测量土壤中介电常数，检测土壤水分及氮、磷、钾等盐离子电导率，输出信号为标准的4～20 mA电流，其电极采用特殊处理的合金材料，可承受较强的外力冲击，探针式设计保证测量精度检测。

2.3 滴灌管路及报警系统

滴灌系统采用2台潜水泵作为动力原件，潜水泵的启停由中间继电器控制，中间继电器接收PLC输出信号进行开启或关闭。滴灌管路布设应根据所栽培作物的株间距合理安排，采用聚丙烯插入式滴水器插入作物根部附近较深位置，并合理调节水滴速度。

报警和模式指示系统采用蜂鸣器、指示灯元器件完成。当土壤缺水或缺肥时对应指示灯闪烁、蜂鸣器报警，当系统进行灌溉或施肥灌溉工作时，报警指示灯熄灭，对应工作指示灯点亮。

2.4 I/O分配点

根据系统功能需要，综合日后功能扩展应留有适当余量，选择三菱FX2N-32M型PLC，确定1个数字量输入、5个数字量输出、土壤湿度传感器和土壤电导率传感器所采集的信息为模拟量数据，因此需要加挂FX0N-3A型模拟量模块2个，读取4～20 mA电流信号，分配PLC的I/O点如表1所示。

表1 PLC的I/O分配点

2.5 电气接线

考虑到设备功能异常等特殊原因，手动控制时信号不再经过PLC运算，使用按钮、继电器等常规控制方法进行手动控制。由于PLC输出功率有限，而外部负载功率需要根据外部环境确定且工作时长不确定，若用PLC直接驱动负载容易将对应的输出点击穿，采用中间继电器进行逐级功率放大，系统电气接线如图2所示。

2.6 中央控制柜

图2 电气接线

结合温室大棚控制室空间，综合考虑结构紧凑、功能完备等因素，中央控制柜如图3所示。当电源上电后，绿色指示灯点亮；当系统运行时，绿色指示灯熄灭，红色指示灯点亮；用户转动三位旋转开关进行模式切换时，对应的模式指示灯点亮；当土壤缺水或缺肥时，蜂鸣器响起，同时对应的黄色指示灯闪烁。系统处于灌溉或施肥灌溉时，对应的指示灯点亮。手动控制时，单独启动施肥或灌溉施肥功能也可将对应的指示灯点亮。

图3 中央控制柜布局

3 软件设计

系统分为停止、手动、自动3种运行模式。手动模式用于系统安装、调试、维护检修及作物特定状态下的灌溉。在手动模式中，工作人员先将转换开关旋转至手动模式，之后按下灌溉启动按钮，系统将进行灌溉动作；按下灌溉施肥按钮，系统将进行灌溉施肥动作，直至操作人员按下停止按钮，系统停止动作，灌溉或灌溉施肥动作停止。在自动模式中，工作人员只需将转换开关旋转至自动模式，系统首先进行初始化动作，之后土壤电导率传感器将自动检测土壤肥力，并将其转化为电信号传送给PLC的输入端，PLC将该电信号不断与设定值进行对比，若土壤肥力在设定值上下限之内，系统进行下一步，对土壤湿度进行检测，若土壤湿度也在设定值上下限之内，系统返回初始值并进行下一周期工作；若土壤肥力低于设定的下限值时，对应的报警系统动作，提示工作人员土壤处于缺肥模式，同时系统开启施肥灌溉模式，直至土壤肥力达到设定上限值，施肥灌溉模式停止，报警系统停止动作；之后系统进行下一步工作，通过土壤湿度传感器检测土壤干湿度，并将其转换为电信号传入PLC，此时控制器将该电信号与设定值不断进行比较，若土壤湿度数值在预先设定的上下限阀值区间内，系统返回初始化并重新检测，若土壤湿度或土壤电导率低于设定下限值，对应的报警系统动作，同时系统将开启灌溉模式，直至土壤湿度达到设定上限值，系统工作结束。系统流程如图4所示。

4 实例试验

图4 系统流程

选择杨凌农业示范区一座番茄种植大棚对系统稳定性、有效性及精度是否满足要求进行系统测试。测试方法为使系统运行在自动模式下，同时用移动式工具测量土壤湿度及电导率，检测和对比系统误差，检测结果如表2所示。结果表明，该系统对土壤湿度及电导率的测量与实际测量误差极小，运行稳定可靠。

5 小结

该研究设计的水肥一体灌溉系统以PLC为核心控制器，将传感技术、自动控制技术等科学技术与农业生产相结合，有效提高了设施农业种植灌溉的肥水使用效率，制作开发周期较短，功能够用、价格低廉、操作简便，能够满足中小型设施农业种植灌溉的自动控制和无人值守，经过样机制作和测试检验，系统运行较为稳定，具有广阔的推广价值。

表2 土壤湿度与电导率测试数据