基于PLC的灌溉施肥控制管理系统的设计与实现

  ［13］宋永飞.基于PLC和组态思想的智能温室控制管理系统［J］.工业控制计算机，2009，22(1):7-9.

  ［14］谢向花.基于PLC的智能温室控制管理系统的设计［J］.机电信息，2009(24):129，140.

  为此，本文设计一套基于PLC技术的灌溉施肥控制管理系统，利用计算机、PLC以及土壤湿度传感器、肥料pH值传感器等设备，实现对农田自动灌溉施肥，同时结合组态王6.55监控软件进行监控管理。

  基于PLC的灌溉施肥控制管理系统最重要的包含灌溉和施肥2个功能。结合实际需要其控制模式分为自动模式和手动模式。

  在灌溉过程中［7］，由土壤湿度传感器将农田土壤湿度采集并传输，通过管理计算机编写PLC控制程序控制电磁阀、水泵等仪器设施，实现对灌溉管路的控制，即当湿度值小于设定值时，电磁阀、水泵打开，系统进入自动灌溉模式，对农田进行灌溉;反之，电磁阀、水泵关闭，灌溉模式关闭，停止灌溉。当系统控制模式调整为手动模式时，亦可完成上述灌溉过程。

  在混合罐中放置搅拌器，通过远程开关控制在配料过程中加速原料的溶解;同时放置pH值监测传感器，对混合罐内肥料的pH值进行监测，根据pH值变化，调节原料和水的比例。同时在各个肥料罐旁设有指示灯，当肥料值低于设定下限值时，指示灯变为红色，表明原料即将用完，提醒及时添加原料。当混合罐的指示灯变为红色时，表明添加的肥料将超过混合罐所承受的最大容量，需要停止投放。

  混合液配制过程中，对所有容器的容量实现报警监测。酸液在具体投放过程中，如果液位低于设定的最低限度，将会触发报警机制，并记录当前事件，以红色文字做标识，以提醒用户需要注意;当混合罐中的页面高于设定的阈值时，会将该事件记录到报警记录中，对用户进行提醒。图4所示为报警日志记录。

  利用欧姆龙SYSMAC CPM2AH，将PLC控制与计算机相结合，较好地应用于农业自动化灌溉与施肥过程。在控制管理系统中，位于管理层的计算机对整个控制管理系统进行监控和管理，位于控制层的PLC接收管理层计算机的指令并对现场采集层的仪器设施进行控制，同时现场采集层仪器设备将采集的数据通过PLC上传至计算机，通过组态王6.55监控管理软件展现灌溉施肥状态。因此，管理层计算机主要用于编程、施肥方案设定和灌溉/施肥工作模式选择，并且实现在线显示图形和数据等相关信息的功能，不直接参与农田灌溉和施肥，而控制层的PLC是系统的执行者，是整个系统的控制核心。

  在配料控制系统中，实现对不同种肥料的混合，根据肥料配方，将不同的原料定量输送到混合罐中，进行混合。原料罐由酸液罐和肥料罐组成，当原料输送至混合罐后，通过向混合罐中添加水，进行搅拌以实现肥料的均匀混合，配料完成后，通过控制出罐口电磁阀将配好的肥料输送至主管道中，对农田进行施肥作业。

  在具体的配料过程中，混合罐中原料和水的配比分别根据液位值来展示。通常情况下，实际农业肥料配比中肥料与水的比例在1:100～1:150之间。

  ［2］刘卫平，王明泉.PLC的发展及应用前景［J］.机械管理开发，2009，24(5):78-80.

  ［3］金龙国.可编程控制器原理及应用［M］.北京:中国水利水电出版社，2006.

  ［4］崔增团.节水灌溉施肥技术在我国的应用［J］.中国农村水利水电，2007(4):56-57，59.

  ［5］田有国，Hillel Magen.灌溉施肥技术及其应用［M］.北京:中国农业出版社，2003.

  控制层是灌溉施肥控制系统的核心，由可编程控制器组成。本控制系统PLC采用欧姆龙CPM2AH，其中PLC主要包括电源PS、CPU、通讯模块CP及I/O模块。通过PLC程序控制电磁阀，实现灌溉、施肥管路的通断，与传统的灌溉、施肥相比，节约了大量的水资源，可有效利用肥料对农作物施肥。

  在监控页面选择不同的工作模式，计算机将控制指令发送至PLC，由PLC对电磁阀、水泵等来控制，实现自动灌溉或者施肥。通过PLC将液位计、土壤湿度传感器［10-11］等采集的储存罐液位、农田湿度值、肥料pH值传输至管理层计算机，在人机界面上显示实时灌溉施肥过程，为用户实时掌握农田水分、养分提供便利。

  该系统的设计实现了农田自动灌溉施肥，针对传统农业灌溉浪费水资源、施肥不均匀等问题进行改善，将农田现场采集数据传输至管理层和控制层，由管理层进行分析后发送指令至控制层，实现按需灌溉、按量施肥，节省人力、节约水资源，适应我国农业信息化发展需求。

  ［1］刘继芬，聂凤英，王平，等.世界主要国家农业计算机自动控制技术应用现状［J］.农业网络信息，2004(2):36-37.

  配方管理界面如图3所示，为了方便用户使用，系统提供配料方案管理，依据经验或需要，提前设计好各种肥料的数值，进行保存后即可通过配方管理直接选择所需要的方案。系统提供10种配方方案。

  3.4报警功能设计br>

  主要实现对系统在运行过程中不同事件的记录，尤其是对于触发报警后对相应的事件主体进行记录，形成日志记录。

  【摘要】摘要:针对传统农田灌溉施肥存在的浪费水资源、液体肥不均匀等问题，提出利用欧姆龙SYSMAC C系列可编程控制器和组态王6.55监控软件设计一套PLC灌溉施肥控制管理系统，利用传感器采集数据控制农田按需灌溉、按量施肥，实现自动灌溉施肥和监控管理，节省人力、实用性强。

  近年来随着计算机技术的迅速发展，可编程控制器(Programmable Logical Control，PLC)以微处理器为核心技术和基础，将工业自动控制技术、微型计算机技术、通信网络技术有效结合，被成功应用于农田灌溉、食品加工、材料处理及工业控制过程等各个领域［1-2］。欧姆龙SYSMAC C系列可编程控制器CPM2AH以其良好的性能价格比作为控制核心被广泛应用，具有良好的集成和开放特性［3］。在网络技术飞速发展的前提下，以PLC为关键硬件设备，设计一套易操作、实用性强的灌溉施肥控制管理系统成为可能，有利于解决现有传统农业灌溉施肥自动化技术中存在的问题。

  管理层在控制管理系统中处于顶层，由2台管理计算机及组态王6.55监控软件构成。其中一台计算机实现远程管理，对地理距离较远的农田灌溉、施肥情况进行实时监控和管理，通过Internet网路与本地管理计算机连接;另一台计算机设置在农田管理室，利用组态软件6.55作为监控软件，主要对农田灌溉、施肥情况进行实时监控，为用户提供良好的人机操作界面。

  现场采集层包括电磁阀和土壤湿度传感器、pH值传感器、液位计等。系统通过数字量和模拟量输入/输出模块实现对农田湿度、储存罐液位、肥料罐pH值等采集数据向管理层计算机的传输，通过程序实现PLC对电磁阀的控制，在管理层计算机上显示当前状态。

  控制系统利用组态王6.55与PLC硬件欧姆龙CPM2AH建立通信连接，实现对灌溉系统的监控和管理［12-13］。系统通过现场采集层湿度传感器、pH值传感器传输的数据，利用PLC实现对电磁阀、液位计、水泵、搅拌器的控制，进一步实现自动灌溉施肥［14］。

  该控制系统软件部分最重要的包含:自动灌溉、配料控制、配方管理以及报警。系统监控主页面如图2所示。

  在每块田地中，设有湿度传感器，当没有进行浇灌时，湿度会随着时间逐渐下降，如果湿度低于设定的阈值(如15%)，系统会自动触发浇水模式，开始对田地进行浇灌。浇灌过程中，湿度传感器的数值会不断上升，当大于设定的最大土壤湿度时(如85%)，浇水模式自动关闭，停止对农田的浇水灌溉。湿度控制的阈值，用户可以根据需要自行设定，在自动浇水过程中，根据当前所设阈值实现电磁阀的制动开关。

  控制管理系统由管理层、控制层和现场采集层3部分构成［9］。控制管理系统结构如图1所示。

  管理层包括远程管理和本地管理2部分，在施肥灌溉控制管理系统中实现远程管理、就地控制和数据采集，通过管理层计算机将控制指令传输至控制层PLC，所有用户、操作人员都能够在标准、友好和面向工艺的窗口上实时跟踪农田灌溉、施肥状态，同时还能得到报警和提示。

  ［6］彭世彰，丁加丽.国内外节水灌溉技术比较与认识［J］.水利水电科技进展，2004，24(4):49-52，60.

  ［7］张兵，袁寿其，成立，等.基于PLC的全自动灌溉控制管理系统的设计［J］.广西水利水电，2004(3):16-18.

  ［8］杨春园.智能施肥控制管理系统的设计与实现［D］.北京:中国农业大学，2007.

  在灌溉过程中，控制管理系统设计自动灌溉和手动灌溉2种模式。在默认情况下，系统运行后，浇灌模式处于自动浇灌状态。期间的电磁阀开关主要取决于土壤湿度传感器所监测到的湿度值，当传感器监测到的湿度值高于系统设定的最高值时，电磁阀自动关闭，当低于系统所设定的最小值时，电磁阀自动开启;当传感器监测值介于所设定的最大值和最小值之间，可以采取手动浇灌模式进行浇灌操作。

  在现代农业生产中，合理灌溉、施肥的关键是控制灌溉水、液体肥的均匀度，以适量的水进行适时灌溉，既能满足作物对水的需要，又不至于造成土壤含水量过多或因空气湿度过大引起作物发生各种霉病;以最佳的肥料配比进行施肥，在不浪费肥料、不污染土壤资源的情况下满足作物对肥料的需要［4-5］。通过深入研究不同种植环境下作物生长过程的需水信息和环境因素，充分利用计算机自动控制灌水时间和灌水量，达到适时、适量、按需灌水;同时，根据作物生长环境以及不同阶段对肥料的需求，按照作物生长过程对水、肥、药、环境等的需要，研究开发适合不同土壤环境下作物生长需要的系统，以满足农业发展的需求［6］。灌溉施肥自动化是发展高效节能农业和园艺的重要手段，由于我国水资源缺乏，土壤环境污染严重，因此实现按需、按期、按量灌溉施肥，既可节省宝贵的水资源，减少因施肥不当造成的土壤污染，也可节省人工费用，具有较强的实用性。

  ［9］李伟.基于PLC技术的自动化灌溉施肥系统的设计［J］.农机化研究，2011(9):107-109.

  ［10］解金耀，郑文刚，王兴成，等.节水灌溉控制管理系统中温湿度传感器的选择与应用［J］.节水灌溉，2004(5):44-45.

  ［11］迟天阳，杨方，果莉.节水灌溉中土壤湿度传感器的应用［J］.东北农业大学学报，2006，37(1):135-137.

  在施肥过程中［8］，由pH值传感器采集并传输肥料的pH值，与用户实际的需求进行对比，根据对比结果调整施肥配方管理方案，达到施肥所需的pH值，当肥料pH值满足规定的要求后，通过管理计算机与PLC通信并控制电磁阀、水泵和搅拌机，系统进入自动施肥模式;反之，电磁阀、水泵、搅拌机关闭，施肥模式关闭，停止施肥。施肥过程也可以再一次进行选择手动模式对农田进行施肥。在施肥过程中，通过液位计传感器将各个储存罐的液位值传输至管理计算机，当液位值小于或大于设定值时，系统会在监控管理画面进行报警，达到提醒用户的目的。