基于PLC 的精准变量水肥一体化设备研制分析

王 力，杨亚飞，王国强，张彦阳，伏自强

(江苏农牧科技职业学院，225300，江苏泰州)

无论是大田作物还是园艺作物，栽种过程中均存在水肥应用不合理的情况，水肥用量过多导致土壤质量下降，不利于作物生长。正因如此，当前急需针对水肥制定合理应用方式，实现绿色生产。近年来，我国愈发重视水肥一体化技术，引入大量技术及设备，但目前仍旧处于研究初期，并且装备稳定性不佳，不适用于我国农业种植，可靠性有待提升，水肥一体化技术应用因此受到限制。基于此，文章结合实例探讨基于PLC 的精准变量水肥一体化设备研制，以解决上述问题。

1 PLC 精准变量概述

变量即是能够变化的量，由PLC（可编程逻辑控制器）自行为数据规划储存空间。和以往采取的物理存储方式有所不同，基于IEC61131 标准的PLC 变量成为开关、变频器等部件与程序相连接的途径。对PLC来说，精准变量旨在辨识输入内容、输出内容和内部空间占用情况。而PLC 编程可看作不同变量操作方式。高速运行程序不仅要具备合理的结构，还要确保精准变量名合理，如此程序才能正常运行。

2 设备系统架构设计

针对水肥一体化技术应用过程中受到的限制，以PLC 技术为基础研制精准变量智能水肥一体化设备。该设备组成分为三个部分，即土壤墒情采集单元、灌溉施肥系统和控制系统。土壤墒情采集单元主要是通过调用EC（电导率）传感器、pH 传感器采集当前土壤信息。控制系统由可编程逻辑控制器及人机界面触摸屏等部件组成，针对二者配备通信协议，采取统一串行接口传输信息，土壤墒情采集单元采集的信息最终都会传至触摸屏中，系统会结合信息提供最为科学的肥料应用方案，凭借PLC 技术将具体指令发送至灌溉施肥系统。灌溉施肥系统包括射流式自吸泵、吸肥器、比例电磁阀等多个元件，系统被调用之后会按照接收的指令执行具体操作，如肥料输送、营养液浇灌等。设备通过变量方式为农作物施加所需肥料，满足作物生长过程中对氮、磷等元素供应提出的要求。

设备工作流程详情为：先由土壤墒情采集单元收集目标基本信息，之后传输至控制系统；之后控制系统将信息发送至触摸显示屏中，触摸显示屏会基于信息内容制定当前环境下最适合作物生长的元素用量方案；PLC 技术会结合具体数据调整各个比例电磁阀开启状态，控制不同液态肥用量，利用电磁流量计将肥料使用情况回传至触摸屏中；结合肥料用量再次对电磁阀当前工作状态进行调整，使肥料实际用量与用量方案保持一致，实现精准控制。

3 系统硬件架构分析

3.1 土壤墒情采集单元设计

对农作物生长而言，合理灌溉是不可缺少的重要条件。农作物生长过程中所需的灌溉量及灌溉频率主要取决于土壤墒情数据。土壤墒情采集单元配有多个传感器，统一选用485 通信方式进行通信，基于S7-200 PLC 设置通信协议。使用2265FS 型EC 传感器，收集农作物种植环境中的土壤信息，确定当前电导率。这种方式的优势在于不需要采集农作物种植环境中的土壤，对土壤测量之前无需采取预处理措施，流程得到简化，效率有所提升，测量结果更为精准。土壤墒情采集单元选用pH-1800 型pH 传感器，该装置最大的优势在于具有较高的分辨率，能够测定土壤中的pH 数值，灵敏度高且较为稳定。单元选用FDS-100 型水分传感器，这类传感器即使长时间埋藏在土壤中仍旧可以正常工作，这也是单元选用该型号装置的主要原因，运行过程中对土壤表层及深层进行检测，具备实时监测功能，便于随时掌握土壤信息变化。

3.2 精准变量水肥一体化控制系统设计

控制系统在设备中占有非常重要的位置，旨在处理土壤墒情采集单元收集的信息，以此为基础针对作物生长设计肥料应用方案，控制各类肥料比例，确保方案科学合理，调整射流式自吸泵工作状态。土壤墒情采集单元完成信息收集之后会利用MODBUS 协议将信息传至PLC 中，电磁流量计主要用于计算水流量并将相关信息内容转化为电信号，经光电隔离处理之后反馈至PLC 中。系统运行阶段，PLC 通过串行接口将接收的信息传递至触摸显示屏，之后操作触摸显示屏确定灌溉时间及肥料应用方案，随即再次通过串行接口将信息回传至PLC 中，PLC 会根据反馈的信息发出控制指令操作电磁阀。该设备所用PLC 是由西门子工业推出的6ES7 216-2AD23-0XB8 系列产品。触屏显示装置选用功耗较低的CPU，为方便人机交流配备了高约7 英寸的触摸显示屏，分辨率较高，同时装配4 线电阻式触摸显示屏，基于二者搭建信息传输通道。

3.3 灌溉施肥系统设计

设备的灌溉施肥系统组成复杂，包括射流式自吸泵、吸肥器等部件。但系统被设备调用之后，PLC 会向自吸泵发出指令，农作物种植用水直接进入管道内，在吸肥装置作用下，各类液态肥进入对应管道，比例电磁阀会结合PLC 发出的信号控制不同管道液态肥流量，电子流量计会计算液态肥流量，并将信息传输至控制系统，控制系统分析之后调整比例电磁阀工作状态，使液态肥实际流量与方案用量保持一致，最终由设备管道将液态肥施加给农作物。设备所用射流式自吸泵型号为BJZ150T，运行过程中覆盖范围半径可达50 m，液态肥最大流量为4.8 m3/h，部件满足设备要求。吸肥装置具备节流特性，如果农作物灌溉水流入吸肥装置内部收敛处，吸肥装置内会有吸力产生，受气压影响灌溉水直接流入管道。比例电磁阀分为电磁线圈、铁芯等多个部分，由PLC 发出的指令调节当前工作状态，控制不同管道内部液态肥流量。设备选用型号为YF-S201B 的电磁流量计，组成复杂，包括阀体、水流转子等不同组件，通过计算掌握水流量变化情况，采集相关数据信息并传输至PLC 中，经触摸显示屏展示。

4 设备系统软件分析

设备所用S7-200 PLC 是以STEP7 MicroWIN V4.0 SP9 作为基础进行研发的，采取梯形图方式编写设备运行所需程序，选择PC/PPI 电缆和PC 端之间建立连接实现信息传输。设备程序主体分为采集土壤墒情数据、控制比例阀开关度、初始化程序等多个部分。

4.1 系统程序初始化设计

针对设备主程序进行初始化设计，通过这种方式校准复合定时装置及计数器，对输入继电器、输出继电器等进行归零处理。

4.2 土壤墒情数据采集设计

VB10、VB20、VB30 等变量存储装置是设备采集土壤墒情数据的关键，决定了数据精准程度，正因如此，实际运行之前需进行初始化处理，便于接受由EC传感器、pH 传感器等发送的信息，数据信息通过PLC展示在触摸显示屏中，对信息变化实施监测。

4.3 比例电磁阀开度控制设计

比例电磁阀开度控制流程如下：操作触摸显示屏发出相应指令，当PLC 控制装置接收到来自触摸显示屏的指令之后会对其分析并发出电压脉冲信号，通过这种方式调整流经比例电磁阀电磁线圈的电流值，实现对比例电磁阀工作状态的控制。由公式（1）可以看出，经过比例电磁阀线圈的电流波动值（dI）与脉冲波形生命周期（T）有直接关系，因此，在比例电磁阀线圈电流波动数值接近零的情况下，结合公式（2）就可以看出，当占空比D 由小到大变化时，流过线圈的稳定电流平均值I 可以从0 变化至U/RL。当U=24 V，RL=12 Ω时，基于此绘制稳定电流平均值I 和占空比D 之间的关系曲线。如果T/τ 较小时，平均电流I 和占空比D 近似为线性关系。通过对PLC 的定时器编程可以控制占空比D 的大小，进而改变流过比例电磁阀线圈的稳定电流平均值，其值越大，阀口的开度越大，由此实现PLC 对比例电磁阀开度的控制。

4.4 电磁流量计数据采集设计

电磁流量计用于检测液态肥流量，其工作流程为:当液态肥流过水流转子组件时，磁性转子转动并且转速随着流量变化而变化，霍尔传感器输出相应脉冲信号，反馈给PLC 控制装置。根据霍尔效应测量各路液态肥的流量，其工作原理为：在霍尔元件的正极串入负载电阻，同时通上5 V 的直流电压，使电流方向与磁场方向正交；当水流推动磁性转子转动时，产生不同磁极的旋转磁场，切割磁感应线，产生高低脉冲电平。

5 结论

针对农作物种植过程中水肥应用存在的问题，探讨基于PLC 的精准变量水肥一体化设备的研制，弥补以往水肥施加过程中存在的缺陷，提高肥料利用率，减少对农作物种植环境造成的影响。同时根据作物对氮、磷供应提出的要求控制元素比例，以便作物可以充分吸收这些营养元素，进而提升作物产量。文章所提及的设备是应用PLC、传感技术等多种现代化技术研发而成的，可保证肥料用量精准，为农业发展提供保障，实现标准化生产。