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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，当啟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，满足自动运行条件时，程序向下运行分支。1号地自动浇水施肥和2号地自动浇水可以同时运行。自动浇水施肥程序有3种模式，即模式一（浅水模式），模式二（中水模式），模式三（深水模式）。这3种模式用来适应柑橘各个生长阶段所需要的浇水施肥量。M202、M210、M214分别为1号地土壤湿度传感器浅、中、深信号经A/D扩展模块转化处理后得到的缺水信号，当相应模式下检测到土壤湿度低于设定值时，系统便开始自动浇水施肥；当深层土壤湿度传感器有信号时（M216）便停止浇水。
3 拓展研究
3.1 柑橘生长数据采集处理
基于本柑橘根部灌溉施肥控制系统，可以进行更深一步的研究，可通过对浇水施肥数据的采集和柑橘果树生长过程数据的监测采集寻找最佳的节水灌溉施肥量[5-6]，通过精确控制柑橘的根部灌溉施肥量来加快柑橘的成熟，提高柑橘的产量和品质。
3.2 PLC与上位机远程连接实现动态数据采集
目前该控制系统仅实现本地控制柑橘根部灌溉施肥和相关的数据采集，可以进一步研究通过GPRS或互联网将PLC和上位机连接，远程实时控制PLC和采集柑橘生长数据，在上位机上建立相关的数据模型进行数据处理，将结果反馈到PLC中，调整PLC的控制参数，实时精确控制柑橘的根部灌溉施肥量和浇水量[7-8]。
4 结语
本文设计了一个以三菱FX31-128M2/ES为核心的柑橘根部手自动一体化灌溉系统。阐述了该系统的硬件设计和程序设计，该设计具有成本低廉、操作简单、维护方便的特点，在节水灌溉上具有广泛的推广价值。并可进一步统计和整理出系统运行期间6种施肥灌水处理下柑橘生长变化趋势（树干直径、树高、树冠宽度）、柑橘产量和质量统计结果、累计灌水量、累计施肥量，得出6种不同施肥灌水处理下柑橘生长、产量和质量的对比，根部灌溉系统节水、节肥效果的对比，以及根部灌溉系统运行可靠性等方面的技術参数，以期为根部灌溉技术及系统的进一步推广应用，以及为寻找最佳的节水灌溉施肥量来加快柑橘的成熟、提高柑橘的产量和品质提供了有力的数据支持。
5 参考文献
[1] 许茂忠.果树节水灌溉技术 [J].农技服务，2009（11）：149.
[2] 向晓汉.三菱FX系列PLC完全精通教程[M].北京：化学工业出版社，2012.
[3] 赵岩丽，程福厚，王艳.浅谈节水灌溉技术的发展现状[J].河北农业科学，2008，12（4）：61-63.
[4] 王君，凌振宝.传感器原理及检测技术[M].长春：吉林大学出版社，2003.
[5] 郑家龙.集成电子技术基础教程[M].北京：高等教育出版社，2002.
[6] 程德富，王君.传感器原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2007.
[7] 孟庆松.监控组态软件及其应用[M].北京：中国电力出版社，2012.
[8] 王丽波.基于PLC的植物灌溉控制系统设计[J].自动化技术与应用，2007，26（9）：70-71.
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，当啟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，满足自动运行条件时，程序向下运行分支。1号地自动浇水施肥和2号地自动浇水可以同时运行。自动浇水施肥程序有3种模式，即模式一（浅水模式），模式二（中水模式），模式三（深水模式）。这3种模式用来适应柑橘各个生长阶段所需要的浇水施肥量。M202、M210、M214分别为1号地土壤湿度传感器浅、中、深信号经A/D扩展模块转化处理后得到的缺水信号，当相应模式下检测到土壤湿度低于设定值时，系统便开始自动浇水施肥；当深层土壤湿度传感器有信号时（M216）便停止浇水。
3 拓展研究
3.1 柑橘生长数据采集处理
基于本柑橘根部灌溉施肥控制系统，可以进行更深一步的研究，可通过对浇水施肥数据的采集和柑橘果树生长过程数据的监测采集寻找最佳的节水灌溉施肥量[5-6]，通过精确控制柑橘的根部灌溉施肥量来加快柑橘的成熟，提高柑橘的产量和品质。
3.2 PLC与上位机远程连接实现动态数据采集
目前该控制系统仅实现本地控制柑橘根部灌溉施肥和相关的数据采集，可以进一步研究通过GPRS或互联网将PLC和上位机连接，远程实时控制PLC和采集柑橘生长数据，在上位机上建立相关的数据模型进行数据处理，将结果反馈到PLC中，调整PLC的控制参数，实时精确控制柑橘的根部灌溉施肥量和浇水量[7-8]。
4 结语
本文设计了一个以三菱FX31-128M2/ES为核心的柑橘根部手自动一体化灌溉系统。阐述了该系统的硬件设计和程序设计，该设计具有成本低廉、操作简单、维护方便的特点，在节水灌溉上具有广泛的推广价值。并可进一步统计和整理出系统运行期间6种施肥灌水处理下柑橘生长变化趋势（树干直径、树高、树冠宽度）、柑橘产量和质量统计结果、累计灌水量、累计施肥量，得出6种不同施肥灌水处理下柑橘生长、产量和质量的对比，根部灌溉系统节水、节肥效果的对比，以及根部灌溉系统运行可靠性等方面的技術参数，以期为根部灌溉技术及系统的进一步推广应用，以及为寻找最佳的节水灌溉施肥量来加快柑橘的成熟、提高柑橘的产量和品质提供了有力的数据支持。
5 参考文献
[1] 许茂忠.果树节水灌溉技术 [J].农技服务，2009（11）：149.
[2] 向晓汉.三菱FX系列PLC完全精通教程[M].北京：化学工业出版社，2012.
[3] 赵岩丽，程福厚，王艳.浅谈节水灌溉技术的发展现状[J].河北农业科学，2008，12（4）：61-63.
[4] 王君，凌振宝.传感器原理及检测技术[M].长春：吉林大学出版社，2003.
[5] 郑家龙.集成电子技术基础教程[M].北京：高等教育出版社，2002.
[6] 程德富，王君.传感器原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2007.
[7] 孟庆松.监控组态软件及其应用[M].北京：中国电力出版社，2012.
[8] 王丽波.基于PLC的植物灌溉控制系统设计[J].自动化技术与应用，2007，26（9）：70-71.