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水肥一體機精準灌溉自動控制系統

發布日期:2018-09-14 作者: 點擊:

水肥一體機精準灌溉自動控制系統

摘要:隨著現代農業的發展,將灌溉與施肥有效結合,實現精準及自動化控制是現代農業的一個發展趨勢。水肥一體機依據作物生長過程中對水肥的動態需求,確定了精準灌溉施肥自動控制系統的控制要求及相關性能指標,通過系統硬件選型、人機界面軟件開發以及系統的綜合調試,開發了灌溉施肥自動控制系統,實現了上位機軟件對灌溉和施肥的自動控制與運行。系統具有手動和自動及遠程網絡控制模式,具有響應速度快、可靠性高、數據自動記錄保存、操作簡便等優點。試驗運行結果表明:該自動控制系統設計方案合理,系統運行可靠,能夠滿足設施作物精準灌溉施肥的要求。

天順達水肥一體機.gif



引言:


灌溉施肥是將灌溉和施肥有效結合在一起的現代農業技術,其生產過程可控,水肥利用率高,具有節水、節肥、省工、增效等優勢,因而在現代農業生產中應用越來越廣泛。目前市場上主流的灌溉施肥裝備大多是從荷蘭、以色列等國家進口,其價格高昂,難以為普通農戶所接受,因而針對我國農業生產實際,研發適用的精準灌溉水肥一體機系統迫在眉睫。我司針對目前市場對灌溉施肥機的使用需求,在廣泛調研的基礎上,根據農業種植需求進行灌溉施肥機的研發,以下介紹研發的精準灌溉施肥自動控制系統,以供參考。


1.灌溉施肥系統的基本構成及控制要求


1.1 灌溉施肥系統組成


水肥一體機系統主要由給水系統、灌溉施肥機、監控系統、回水池、補水系


統和殺菌消毒裝置等組成,一個典型的灌溉施肥系統構成如圖1所示。


水肥一體機.jpg


 


1.2 系統控制要求


根據水肥一體化灌溉生產要求,系統能實時感知營養液濃度EC值和P H值,當EC值和P H 值在設定的范圍內,系統根據控制要求,定時定量自動灌溉,滿足植物生長需要。當EC值或PH 值超出設定值,則根據程序自動進行營養液濃度調控;系統具有自動和手動控制功能,用戶可以選擇自動和手動兩種方式進行灌溉施肥控制,增加了系統控制的靈活性和安全性;系統根據用戶控制需要,可進行分區輪灌;系統具有完善的保護措施。

1.3 系統工作原理


營養液濃度和酸堿度直接影響作物生長的狀況,灌溉施肥系統在工作過程中要將營養液濃度和酸堿度控制在合適的范圍內。通常用電導率(EC)來表示營養液的濃度,這一指標代表的是營養液中總鹽分的離子濃度,常用單位為毫西門子厘米(mS/cm)或者微西門子/厘米(μS/cm)。大多數作物根系在pH值為5.5~6.5左右的微酸環境下生長良好,但是營養液在循環使用過程中因鹽類的生理反應等原因,會導致pH常發生變化,超出最佳pH值范圍,進而會對根系的正常生長和功能產生影響,因此必須通過添加低濃度酸液來調節營養液的pH值。系統工作時,經配料系統精準提取氮磷鉀原液在混合桶內與水攪拌,充分混合,通過在線傳感器實時監測營養液的EC值和pH值等參數,并通過控制系統自動控制電磁閥開關的占空比來實現EC 值和pH 值的調控,然后經循環水泵將營養液輸送到作物種植區域,實現水、肥的精確灌溉。灌溉施肥系統的核心設備是灌溉施肥機及其自動控制系統,本設計的精準灌溉施肥機主要由配料系統、混合罐、變頻恒壓水泵、定量計、營養液罐、酸液罐、電磁閥以及自動控制系統等組成,灌溉施肥機的機體結構如圖2所示。

2. 自動控制系統

本機自動控制系統主要由系統硬件和軟件兩部分組成控制系統原理圖

水肥一體化.gif







2.1 系統硬件選型


2.2 軟件設計


系統軟件設計主要包括上位機人機界面軟件和下位機控制軟件的設計。


2.2.1 人機交互軟件


機界面是操作人員與下位機(PLC)之間溝通的平臺,用來實現操作者與計算機控制系統之間的信息交互作用。人機界面用來顯示下位機(PLC)的I/O 狀態和各種系統信息,接收操作人員發出的各種命令和設置的參數,并將它們傳送給下位機(PLC)。在綜合考慮系統的性價比及可靠性的基礎上,本系統上位機選用西門子觸摸屏,人機界面軟件采用西門子編程軟件WinCC-flexible編寫,圖4為系統控制軟件界面圖。該系統主菜單由手動/自動控制,歷史數據查詢與曲線,報警查詢及系統簡介等界面組成,人機界面友好。在設備自動控制界面,可以進行EC值和pH值參數的設定,循環水泵開啟工作時間的設定,同時能實時顯示EC、PH、水壓等傳感器數據。實現人機交流以及PLC 與上位機軟件信息交互。


2.2.2 下位機控制軟件


下位機控制軟件采用Step 7-Micro/WIN 編程軟件進行編程,程序流程圖如圖5所示。該軟件是控制系統的核心,在Step 7-Micro/WIN 編程環境下以梯形圖方法在PC 機上編制,經調試編輯后下載至PLC。實現的主要功能如下:


(1) 系統采集的主要參數包括EC值、pH值、壓力和回水池水位。由于系統EC值和pH 值波動范圍較大,變化速度快,如果傳感器發生故障導致系統的營養液濃度和酸堿度超出設定范圍,會影響作物的生長,嚴重時甚至會導致作物絕收。故而系統的EC 值和pH 值傳感器各設兩路檢測回路,一路信號數據作為系統控制參數,另外一路信號數據作為監測信號,若兩個傳感器檢測數據相差過大且超過一定范圍,則判定其中一個傳感器出現故障,發出報警信號,從而降低系統因傳感器故障而導致誤操作的概率。

(2) 當EC值超過上限或者pH值超過下限時,采用向回水池中補水的方式促使系統EC值和pH值回歸正常數值區間,若此時回水池水位處于高限,則系統報警,提醒管理人員進行應急處理,同時系統將未添加高濃度營養液和酸液的灌溉水接供給種植區。

(3) 當系統處于多灌區同時工作狀態時,采用輪灌模式工作。若灌溉過程中,系統發生壓力過高或者過低的異常情況時,系統將發出管路堵塞或者漏水的警告。

(4) 手動控制模式下,系統各可控部件依靠操作人員經驗控制。但循環水泵與分灌區電磁閥之間有聯鎖關系,即至少有一個灌區的電磁閥開啟后,循環水泵才會啟動工作,以防止系統無出水回路導致壓力過高,設備損壞。

3.調試與運行

根據控制要求,設計制作電氣控制線路,將PLC、觸摸屏以及PC機按照要求進行連接。在PC機上編好PLC控制梯形圖程序并下載到PLC中,將觸摸屏組態軟件下載到觸摸屏,用專用通信電纜將觸摸屏和PLC相連接,進行觸摸屏和PLC聯機調試。經過相應模擬調試無誤后,本系統在永定田農農業科技有限公司番茄無土栽培進行生產運作,實現大棚內五個滴灌栽培區域的營養液供給,按照分區輪灌的模式工作,經過半年多的實際運行,系統運行穩定,性能可靠,達到預期設計要求,實地運行時系統的EC值和pH值實時響應曲線.

4. 結語

我司精準灌溉施肥控制系統采用通用PLC 技術為控制核心,以控制軟件為載體,實現了對設施園藝作物種植的水肥精確控制,各部件有序組合與協調作業、具有完善的安全的保護措施、對系統設備的參數進行了優化匹配;以觸摸屏為人機交互界面,便于系統參數設定和讀取,實現了人性化操作。本項目設計的精準灌溉施肥系統采用了自動控制與系統結構相結合的一體化設計,大大提高了灌溉施肥的可靠性和準確度,系統運行穩定可靠,人機界面友好,價格只有進口設備的1/5,有很好的推廣應用價值


本文網址:http://www.51zhaowei.com/news/436.html

關鍵詞:水肥一體機,水肥一體機設備,水肥機

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