摘要：随着现代农业的发展，将灌溉与施肥有效结合，实现精准及自动化

控制是现代农业的一个发展趋势。依据作物生长过程中对水肥的动态需求，确定了精准灌溉施肥自动控制系统的控制要求及相关性能指标，通过系统硬件选型、人机界面软件开发以及系统的综合调试，开发了灌溉施肥自动控制系统，实现了上位机软件对灌溉和施肥的自动控制与运行。系统具有手动和自动及远程网络控制模式，具有响应速度快、可靠性高、数据自动记录保存、操作简便等优点。试验运行结果表明：该自动控制系统设计方案合理，系统运行可靠，能够满足设施作物精准灌溉施肥的要求。

引言：

灌溉施肥是将灌溉和施肥有效结合在一起的现代农业技术，其生产过程可

控，水肥利用率高，具有节水、节肥、省工、增效等优势，因而在现代农业生产中应用越来越广泛。目前市场上主流的灌溉施肥装备大多是从荷兰、以色列等国家进口，其价格高昂，难以为普通农户所接受，因而针对我国农业生产实际，研发适用的精准灌溉施肥系统迫在眉睫。我司针对目前市场对灌溉施肥机的使用需

求，在广泛调研的基础上，根据农业种植需求进行灌溉施肥机的研发，以下介绍研发的精准灌溉施肥自动控制系统，以供参考。

1.灌溉施肥系统的基本构成及控制要求

1.1 灌溉施肥系统组成

灌溉施肥系统主要由给水系统、灌溉施肥机、监控系统、回水池、补水系

统和杀菌消毒装置等组成，一个典型的灌溉施肥系统构成如图１所示。

 

1.2 系统控制要求

根据水肥一体化灌溉生产要求，系统能实时感知营养液浓度ＥＣ值和P H

值，当ＥＣ值和P H 值在设定的范围内，系统根据控制要求，定时定量自动灌溉，满足植物生长需要。当ＥＣ值或PH 值超出设定值，则根据程序自动进行营养液浓度调控；系统具有自动和手动控制功能，用户可以选择自动和手动两种方式进行灌溉施肥控制，增加了系统控制的灵活性和安全性；系统根据用户控制需要，可进行分区轮灌；系统具有完善的保护措施。

1.3 系统工作原理

营养液浓度和酸碱度直接影响作物生长的状况，灌溉施肥系统在工作过程

中要将营养液浓度和酸碱度控制在合适的范围内。通常用电导率（ＥＣ）来表示营养液的浓度，这一指标代表的是营养液中总盐分的离子浓度，常用单位为毫西门子厘米（ｍＳ／ｃｍ）或者微西门子／厘米（μＳ／ｃｍ）。大多数作物根系在ｐＨ值为５．５～６．５左右的微酸环境下生长良好，但是营养液在循环使用过程中因盐类的生理反应等原因，会导致ｐＨ常发生变化，超出最佳ｐＨ值范围，进而会对根系的正常生长和功能产生影响，因此必须通过添加低浓度酸液来调节营养液的ｐＨ值。系统工作时，经配料系统精准提取氮磷钾原液在混合桶内与水搅拌，充分混合，通过在线传感器实时监测营养液的ＥＣ值和ｐＨ值等参数，并通过控制系统自动控制电磁阀开关的占空比来实现ＥＣ 值和ｐＨ 值的调控，然后经循环水泵将营养液输送到作物种植区域，实现水、肥的精确灌溉。灌溉施肥系统的核心设备是灌溉施肥机及其自动控制系统，本设计的精准灌溉施肥机主要由配料系统、混合罐、变频恒压水泵、定量计、营养液罐、酸液罐、电磁阀以及自动控制系统等组成，灌溉施肥机的机体结构如图２所示。

2. 自动控制系统

本机自动控制系统主要由系统硬件和软件两部分组成控制系统原理图见图

３所示。

2.1 系统硬件选型

2.2 软件设计

系统软件设计主要包括上位机人机界面软件和下位机控制软件的设计。

2.2.1 人机交互软件

人机界面是操作人员与下位机（PLC）之间沟通的平台，用来实现操作者与

计算机控制系统之间的信息交互作用。人机界面用来显示下位机（PLC）的I/O 状态和各种系统信息，接收操作人员发出的各种命令和设置的参数，并将它们传送给下位机（PLC）。在综合考虑系统的性价比及可靠性的基础上，本系统上位机选用西门子触摸屏，人机界面软件采用西门子编程软件ＷｉｎＣＣ－ｆｌｅｘｉｂｌｅ编写，图４为系统控制软件界面图。该系统主菜单由手动/自动控制，历史数据查询与曲线，报警查询及系统简介等界面组成，人机界面友好。在设备自动控制界面，可以进行ＥＣ值和ｐＨ值参数的设定，循环水泵开启工作时间的设定，同时能实时显示ＥＣ、PＨ、水压等传感器数据。实现人机交流以及PLC 与上位机软件信息交互。

2.2.2 下位机控制软件

下位机控制软件采用Ｓｔｅｐ ７－Ｍｉｃｒｏ／ＷＩＮ 编程软件进行编

程，程序流程图如图５所示。该软件是控制系统的核心，在Ｓｔｅｐ ７－Ｍｉ

ｃｒｏ／ＷＩＮ 编程环境下以梯形图方法在ＰＣ 机上编制，经调试编辑后下

载至ＰＬＣ。实现的主要功能如下：

（1） 系统采集的主要参数包括ＥＣ值、ｐＨ值、压力和回水池水位。由

于系统ＥＣ值和ｐＨ 值波动范围较大，变化速度快，如果传感器发

生故障导致系统的营养液浓度和酸碱度超出设定范围，会影响作物

的生长，严重时甚至会导致作物绝收。故而系统的ＥＣ 值和ｐＨ 值

传感器各设两路检测回路，一路信号数据作为系统控制参数，另外

一路信号数据作为监测信号，若两个传感器检测数据相差过大且超

过一定范围，则判定其中一个传感器出现故障，发出报警信号，从

而降低系统因传感器故障而导致误操作的概率。

（2） 当ＥＣ值超过上限或者ｐＨ值超过下限时，采用向回水池中补水的

方式促使系统ＥＣ值和ｐＨ值回归正常数值区间，若此时回水池水

位处于高限，则系统报警，提醒管理人员进行应急处理，同时系统

将未添加高浓度营养液和酸液的灌溉水接供给种植区。

（3） 当系统处于多灌区同时工作状态时，采用轮灌模式工作。若灌溉过

程中，系统发生压力过高或者过低的异常情况时，系统将发出管路

堵塞或者漏水的警告。

（4） 手动控制模式下，系统各可控部件依靠操作人员经验控制。但循环

水泵与分灌区电磁阀之间有联锁关系，即至少有一个灌区的电磁阀

开启后，循环水泵才会启动工作，以防止系统无出水回路导致压力

过高，设备损坏。

3.调试与运行

根据控制要求，设计制作电气控制线路，将ＰＬＣ、触摸屏以及ＰＣ机按照

要求进行连接。在ＰＣ机上编好ＰＬＣ控制梯形图程序并下载到ＰＬＣ中，将触摸屏组态软件下载到触摸屏，用专用通信电缆将触摸屏和ＰＬＣ相连接，进行触摸屏和ＰＬＣ联机调试。经过相应模拟调试无误后，本系统在永定田农农业科技有限公司番茄无土栽培进行生产运作，实现大棚内五个滴灌栽培区域的营养液供给，按照分区轮灌的模式工作，经过半年多的实际运行，系统运行稳定，性能可靠，达到预期设计要求，实地运行时系统的ＥＣ值和ｐＨ值实时响应曲线.

4. 结语

我司精准灌溉施肥控制系统采用通用ＰＬＣ 技术为控制核心，以控制软

件为载体，实现了对设施园艺作物种植的水肥精确控制，各部件有序组合与协

调作业、具有完善的安全的保护措施、对系统设备的参数进行了优化匹配；以

触摸屏为人机交互界面，便于系统参数设定和读取，实现了人性化操作。

本项目设计的精准灌溉施肥系统采用了自动控制与系统结构相结合的一

体化设计，大大提高了灌溉施肥的可靠性和准确度，系统运行稳定可靠，人机界面友好，价格只有进口设备的１／５，有很好的推广应用价值

1.1 应用现场图例：