基于PLC的柑橘根部灌溉施肥控制系统的设计与研究.docVIP

基于PLC的柑橘根部灌溉施肥控制系统的设计与研究 　　摘要 本文介绍了一种基于可编程控制器（PLC）设计的柑橘根部灌溉施肥控制系统。该系统通过土壤湿度传感器检测高、中、低位的柑橘根部土壤含水量，可以实现全自动的根部灌溉和施肥，同时具有手动灌溉模式，能够单独控制各块试验地的灌溉施肥。该系统采用控制面板和HMI实现控制，具有简单、可靠等特点。 　　关键词 PLC；柑橘根灌；灌溉施肥控制系统；设计；I/O分配；控制面板 　　中图分类号 S232.3 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）23-0295-03 　　云南玉溪华宁得天独厚的天然温室气候决定了柑橘早熟，而早熟的优势决定了市场竞争优势。柑橘生产用水量大，传统灌溉方法容易造成水资源浪费，例如水沿土壤表面流失，水因蒸发而损失，水浸湿土壤表层的无效灌溉损失。通常只有10%的水能够到达作物根部，90%以上的水无法被根部吸收，属于无效灌溉。自动化农作物根部节水灌溉系统高效节水节肥可直接将水、肥导入植物的根系土层，避免地表蒸发，提高水肥利用率；能根据作物存活的最低需水量，在旱季定时、定量地控制灌溉，可最大限度地节水。本文介绍的柑橘根部灌溉施肥系统是基于PLC的柑橘根部灌溉施肥手自动一体化控制设计[1-2]，是电气控制与柑橘根部灌溉施肥农艺的结合，能够通过对土壤湿度传感器、雨量计、流量计、电磁阀、增压泵等设备的实时监测控制，实现精确农业灌溉施肥作业的远程自动控制。 　　1 系统控制要求 　　本系统通过对大树、小树各3个试验区，共计6个试验区采取不同浇水施肥方式；其中大树1号地、小树1号地采取自动水肥一体的方法；大树2号地、小树2号地采取自动浇水的方法；大树3号地、小树3号地采取人工水肥的方法。开展6种不同处理的田间对比试验[3]。系统控制流程如图1所示。控制模式分为自动控制、手动控制、3号地浇水3种控制模式，自动控制与手动控制用转换开关控制，选中一种模式，另一种模式立即失效。3号地浇水与自动控制模式中的2号地自动浇水互锁，自动控制模式中，1号地半自动施肥与1号地自动浇水互锁，若降雨达到一定量，系统会自动停止灌溉，待雨停再检测土壤湿度判断是否继续灌溉[4]。该系统可单独手动控制各电机的运行以及各电磁阀的通断。 　　2 控制系统的总体设计 　　采用三菱FX31-128M2/ES可编程控制器为控制核心，工作电压220 V，同时可扩展A/D、D/A模块。雨量计、土壤湿度传感器、水位传感器等根据实际配置。输出设备为增压泵、搅拌电机、电磁阀、信号灯等设备。系统总体设计见图2。 　　2.1 I/O配置 　　此系统采用的是三菱FX31-128M2/ES，输入64点（X00―X77），输出64点（Y00―Y77）。输入信号由11个按钮、12个转换开关、11个传感器提供，除了湿度传感器信号为模拟信号经A/D扩展模块输入，其他的均为数字信号输入。输出信号包含3个电机、5个电磁阀、41个指示灯。部分I/O分配如表1所示。 　　2.2 控制面板设计 　　本系统采用简单易懂的控制面板进行设计。该控制面板分为自动部分、手动部分、指示灯部分。自动部分又分为1号地自动浇水施肥区和2号、3号地浇水区。当转换到自动档时，手动控制区域失效，系统按选择的自动模式浇水施肥；当转到手动档时，自动部分失效，可以自主选择浇水地块和浇水施肥方式，并可以单独控制电机和电磁阀的通断，当系统遇到故障时报警指示灯闪烁，可按下紧停按钮停止灌溉。控制面板设计如图3所示。 　　2.3 初始化程序 　　本系统采用步进梯形图编写，初始化程序如图4所示。系统启动，转换开关拨到手动档（X14接通），PLC跳转到手动程序运行。转换开关打到自动动档（X13接通），PLC跳转到自动程序运行。按下1号地自动浇水按钮（X5接通），1号地开始自动浇水；按下1号地自动施肥按钮（X4），1号地开始自动施肥；按下2号地自动浇水按钮（X6），2号地开始自动浇水。 　　2.4 手动控制程序 　　程序初始化后，转换开关拨到手动档（X14接通），程序跳到S0执行。部分手动程序如图5所示。手动控制模式下，可选择浇水模式或施肥模式；选中浇水模式，则系统进入手动控制浇水状态，选中施肥模式，则系统进入手动控制施肥状态。以1号地浇水为例说明：转换开关拨到手动档（X14接通），手动指示灯亮，手动浇水施肥开关拨到浇水档（X15接通），手动施肥指示灯亮，按下1号浇水启动按钮（X2接通），1号地电磁阀指示灯亮，1号地开始浇水。 　　2.5 自动控制程序 　　自动控制程序以1号地自动浇水施肥为例。如图6：系统启动，控制模式切换至自动模式，当启动自动浇水按钮或者自动施肥按钮时，自动程序开始。当雨量传感器无信号，报警信号灯正常，转换开关位于自动，满足自动运行