基于PLC的果园水肥一体化控制系统设计.pdf

基于PLC的果园水肥一体化控制系统设计： 一、系统概述 1. 系统设计目的：为满足果园作物的养分需求，设计一款基于PLC（可编程逻辑控制器）的水肥一体化控制系统，旨在使水肥混合溶液更好地满足果树的生长需求。 2. 核心技术：以西门子S7-200 SMART PLC为核心控制器，系统集成了灌溉水过滤子系统、混肥子系统、施肥和反冲洗子系统。 3. 监测元件：系统配备了支持Modbus通讯协议的压力传感器、液位传感器、pH值传感器、EC值传感器和土壤湿度传感器，以监测系统运行状态和土壤湿度。 4. 用户界面：使用西门子SMART 1000 IE V3触摸屏设计了人机交互界面，包括开机界面、手动控制界面、自动控制界面、历史数据界面和动态监控界面。 5. 系统优点：该系统能够在短时间内实现水肥溶液的精准调节，提高了水肥利用效率，确保了设备的高效稳定运行。 二、系统组成及工作原理 1. 灌溉水过滤子系统：负责将灌溉水源通过三级过滤（离心、砂石、叠片过滤）后注入混肥罐中，确保水源质量。 2. 混肥子系统：肥料通过送肥装置送入混肥罐中，在循环和搅拌的过程中充分溶解于水中。系统会根据设定的pH值（7.0）和EC值（1500μS/cm）自动添加调节试剂以达到平衡。 3. 施肥和反冲洗子系统：当水肥溶液的pH值和EC值符合要求后，溶液会被注入施肥罐，并通过柱塞泵将溶液送至末端滴灌装置，完成灌溉施肥。灌溉施肥结束后，系统会启动反冲洗子系统进行设备清洗。 三、系统硬件设计 1. 控制系统硬件包括：西门子SMART 1000 IE V3触摸屏、西门子S7-200 SMART ST40型PLC、4个西门子数字量输出拓展模块DR08。 2. 连接方式：PLC与触摸屏通过网线连接，PLC与DR08模块通过模块拓展口连接。 3. 硬件接线：详细描述了系统硬件的连接方式，如图2所示。 四、应用前景 1. 系统性能：实验证明系统可在20秒内将水肥溶液的pH值稳定在7.0，20分钟内将EC值稳定在1500μS/cm，有效完成混肥过程。 2. 经济效益：由于系统可减少人力资源的占用、降低水肥资源的浪费，并保护土壤结构，因此具有良好的果园经济效益。 五、行业背景及研究意义 1. 行业背景：随着国内果园规模的逐渐扩大，传统的灌溉和施肥方式存在资源浪费和土壤破坏的问题，迫切需要精准的水肥一体化控制系统。 2. 国内外技术差距：相较于以色列、美国等农业发达国家，国内的水肥一体化技术仍显落后。 3. 研究意义：本文的设计以PLC为核心，提高了系统的抗干扰能力和稳定性，适用于果园水肥一体化设备，对于推动国内水肥一体化技术的发展具有重要意义。 六、应用技术和标准 1. 通讯协议：系统中的传感器支持Modbus通讯协议，具备RS-485输出方式，便于数据的传输和监控。 2. 控制逻辑：通过PLC编程实现对灌溉施肥过程的自动化控制，如压力不足时启动加压泵，施肥后进行反冲洗等。 七、技术创新点 1. 多传感器集成：系统融合了压力、液位、pH值、EC值和土壤湿度等多传感器技术，实现了对果园水肥一体化过程的实时监控和精确控制。 2. 人机交互设计：设计了直观、易操作的人机交互界面，使用户能够方便地查询设备运行参数和制定灌溉施肥方案。 3. 系统的高效率和稳定性：系统能够在较短时间内完成水肥溶液的精准调节，保证了混肥过程的效率和系统的稳定运行。 八、实际应用与效果评估 1. 实际应用：系统已在果园种植中得到应用，并取得了良好的运行效果。 2. 效果评估：系统具有广阔的应用前景，可在不同规模的果园中推广使用，以实现节水节能和提高农作物产量的目标。