小麦精准水肥PLC智能调控系统设计

小麦精准水肥PLC智能调控系统设计

摘要针对小麦种植中的水肥管理问题，本研究设计了一套基于PLC技术的智能灌溉施肥系统。该系统整合了环境参数监测、自动化控制、人机交互界面以及异常报警机制，旨在实现水肥供给的精准调控。硬件方面，选用西门子S7-1200PLC作为主控制器，辅以数字量和模拟量扩展模块，实现对土壤湿度、EC值、pH值、水位高度及管道压力等关键参数的实时采集；通过变频器控制水泵与肥泵的运行，达到水肥供给的精细调节。软件层面，采用梯形图编程语言在TIAPortal平台上开发了控制程序，包含手动/自动模式切换、闭环控制回路、液位实时监测以及报警推送等功能模块，并基于WinCC组态软件搭建可视化监控界面。系统测试结果表明，自动模式下，设备能够依据预设阈值独立完成水肥调控决策，各执行机构响应及时且准确，环境参数能够稳定控制在目标范围内。该系统的应用实现了水肥资源的精准利用与管理自动化，显著减少了人工投入，为小麦栽培提供了一种高效可靠的水肥调控方案。关键词：PLC，触摸屏，土壤湿度传感器，HMI

PLC-basedsmartlightingcontrolsystemformuseumsAbstractWiththegoalofprecisewaterandfertilizerintelligentregulationforwheat,thissystemisdesignedbasedonPLCcontroltechnology,integratingenvironmentalmonitoring,automaticcontrol,human-computerinteraction,andabnormalalarmingintooneintelligentirrigationandfertilizationsystem.ThesystemusesSiemensS7-1200PLCasthecorecontroller,extendingdigitalandanalogmodulestocollectenvironmentalparameterssuchassoilmoisture,ECvalue,PHvalue,waterlevel,andpipelinepressureinrealtime.Itdriveswaterpumpsandfertilizerpumpsthroughfrequencyconverterstoachievepreciseregulationofwaterandfertilizersupply.BasedontheTIAPortalplatform,controlprogramssuchasmanual-automaticswitching,closed-loopcontrol,liquidlevelmonitoring,andalarmpusharedesignedusingladderdiagramprogramming.AnintuitivemonitoringinterfaceisconstructedusingWinCCconfigurationsoftware.Throughtestingandverification,thesystemcanautonomouslycompletewaterandfertilizerregulationdecisionsaccordingtopresetthresholdsinautomaticmode,withaccurateandtimelyresponsefromtheexecutingmechanismandstableenvironmentalparametersmaintainedwithinthesetrange.Thissystemachievespreciseutilizationandautomatedmanagementofwaterandfertilizerresources,effectivelyreducesmanualintervention,andprovidesanefficientandreliablesolutionforwaterandfertilizerregulationinwheatcultivation.Keywords:PLC,touchscreen,soilmoisturesensor,HMI目录TOC\o"1-2"\h\u摘要 IAbstract II第1章绪论 11.1研究背景与意义 11.2国内外现状研究 11.3研究目标与主要内容 21.4论文组织结构 2第2章系统方案总体设计 42.1系统需求分析 42.2技术方案选择 42.2系统方案设计 4第3章硬件系统设计 63.1PLC模块 63.2湿度传感器选型 73.3中间继电器设备选型 83.4压力传感器选型 93.5电磁阀选型 93.6电路设计 10第4章控制系统软件设计 164.1TIA软件及梯形图编程介绍 164.2主程序流程图 164.3手动自动程序设计 174.4报警程序设计 184.5自动控制设计 194.6水泵运行程序设计 204.7液位控制程序设计 21第5章监控系统的设计 235.1HMI软件简介 235.2监控系统的设计 23第6章程序仿真与性能测试 276.1程序仿真环境搭建 276.2功能测试与验证 27结论 30参考文献 31致谢 33附录 34第1章绪论1.1研究背景与意义小麦是我国主要粮食作物，其生产状况直接影响国家粮食安全与农业可持续发展。当前，我国小麦种植普遍采用传统水肥管理模式，依赖经验判断和人工操作，造成水肥资源浪费、利用效率偏低等问题。数据显示，农业用水占全国总用水量的60%以上，但灌溉水利用系数明显低于发达国家；化肥过量施用不仅增加生产成本，还会引发土壤板结、面源污染及生态环境恶化等问题。另一方面，农村劳动力持续减少，农业生产对自动化、智能化技术的需求日趋强烈。精准农业理念的提出为解决上述问题提供了新思路。精准水肥管理通过实时监测作物生长环境参数，结合作物需水需肥规律，实现按需供给和精准调控，可有效提升水肥利用效率，降低生产成本，减少环境污染。本研究基于可编程逻辑控制器（PLC）技术，设计开发一套小麦精准水肥智能调控系统。该系统通过部署土壤湿度、土壤EC值等多种传感器构建环境监测网络，采用闭环控制策略，自动控制水泵与肥泵的启停与调节，实现灌溉与施肥的精准化和自动化管理。同时，系统结合小麦不同生育期（播种期、苗期、分蘖期、拔节期、孕穗期、灌浆期、成熟期）的需水需肥模型，构建动态调控算法，实现水肥供给与作物需求的精准匹配。该系统响应速度快、稳定性高、可编程性强，能够显著节约水肥资源，减轻农业面源污染，提升小麦产量与品质，为农业生产的智能化、标准化、绿色化提供技术支撑。1.2国内外现状研究国际上，智能水肥调控技术已成为精准农业领域的重要研究方向。国外学者在智能灌溉控制器研发方面取得了明显进展，传统PID控制器与基于人工智能、物联网技术的智能控制器相互融合，通过实时监测土壤湿度、温度、pH值、盐度等参数，结合气象数据与作物需水规律，实现了灌溉与施肥的精准决策。近年来，基于机器学习与大数据分析的智能控制系统发展迅速，其自适应学习机制使其能够根据不同环境条件动态调整控制策略，有效提升了水资源利用效率。中国、印度等农业大国在该领域的研究投入持续增加，尤其是中国在人工智能与机器学习应用于智能灌溉系统方面的研究处于国际前列。国内研究方面，我国在精准水肥调控技术领域取得了较大进展，技术体系日趋完善。农业农村部于2025年将"冬小麦智慧灌溉水肥精准调控单产提升技术"列为智慧农业主推技术，该技术融合物联网、人工智能、大数据和云计算等新一代信息技术，构建水肥一体化智能决策支持系统，实现农田信息的实时感知、模型化分析与远程自动调控，推动管理模式从"经验决策"向"数据驱动、智能决策"转变。在装备研发方面，我国突破了基于在线检测的肥料浓度闭环控制技术，创新提出记忆整定PID水肥精准调控算法，实现了EC调控误差≤±0.1mS/cm、pH调控误差≤±0.05的高精度控制，主要性能指标达到国际先进水平。西北农林科技大学、中国农业科学院农田灌溉研究所等科研机构研发的作物高效用水智能决策系统，已在河南、山东、陕西、新疆等地累计推广超过1000万亩，实现节水35%~60%、化肥减量15%~20%、单产提升20%、人工投入下降70%以上的成效。目前，我国水肥一体化技术已制定国家标准GB/T43908-2024，该领域技术体系日益成熟规范。1.3研究目标与主要内容本研究旨在设计开发一套基于PLC控制技术的小麦精准水肥智能调控系统，实现灌溉与施肥的自动化、精准化管理。构建基于网格布点法的多传感器环境监测网络，实时采集土壤湿度、土壤EC值、pH值、水位、管道压力等关键参数，确保数据采集的代表性与全面性；建立基于小麦不同生育期需水需肥模型的动态调控算法，通过PLC编程实现闭环控制，自动决策并驱动水泵、肥泵等执行机构，将环境参数稳定维持在设定阈值范围内；集成显示模块与报警模块，实现系统运行状态的可视化监控与异常情况的及时预警；通过系统测试与验证，评估节水节肥效果与作物产量品质提升程度。1.4论文组织结构本论文围绕小麦精准水肥PLC智能调控系统的设计与实现，共分为六个章节进行系统阐述。第一章绪论，介绍课题的研究背景与意义，分析国内外精准水肥调控技术的研究现状，明确本课题的研究目标与主要内容，并概述论文的整体组织结构。第二章系统方案总体设计，从功能性、性能与可靠性三个方面进行系统需求分析，确定系统总体架构与模块划分，并对控制器选型、传感器配置、执行机构设计及通信方案进行技术选择与论证。第三章硬件系统设计，详细阐述PLC模块、湿度传感器、压力传感器、中间继电器及电磁阀等关键设备的选型依据与参数配置，并结合扩展模块完成系统电路设计，给出完整的硬件接线方案。第四章控制系统软件设计，介绍TIAPortal开发平台与梯形图编程方法，给出主程序流程图，并分别对手动自动切换程序、报警程序、pH值控制程序、水泵运行程序及液位控制程序进行详细解释。第五章监控系统设计，介绍WinCC组态软件的功能特点，完成HMI监控界面的设计，并阐述通信协议设置与变量定义方法。第六章程序仿真与性能测试，搭建PLCSIM仿真环境，对手动与自动模式下的水泵控制、阀门控制及自动调控功能进行测试验证，分析系统运行效果。最后对全文进行总结，并提出后续改进方向。

第2章系统方案总体设计2.1系统需求分析系统需具备环境参数实时采集能力，通过部署土壤湿度、土壤EC值、pH值、水位及管道压力等传感器，实现对作物生长环境的全面监测；同时需具备自动控制功能，根据预设阈值与小麦不同生育期的水肥需求模型，自动控制水泵、肥泵及阀门等执行机构，实现精准灌溉与变量施肥；此外还需具备状态显示与异常报警功能，便于用户实时掌握系统运行状态。系统应具有良好的响应速度与控制精度，确保环境参数稳定维持在设定范围内；具备多生育期动态阈值调节能力，满足小麦各生长阶段的水肥需求差异。系统需具备故障自检与急停保护机制，确保在异常情况下能够安全停机并发出报警，保障设备与人员安全。2.2技术方案选择综合考虑系统对控制精度、可靠性、扩展性及编程便捷性的要求，选择西门子S7-1200系列PLC（型号1214C）作为核心控制器。该控制器具备紧凑的结构、丰富的扩展模块以及强大的通信能力，支持模拟量输入输出扩展，能够满足多传感器数据采集与多执行机构控制的实际需求，同时其梯形图编程方式便于逻辑控制算法的实现与调试。采用土壤湿度传感器、土壤EC传感器、pH值传感器、水位检测传感器及管道压力传感器，构建覆盖土壤环境、水肥状态与系统安全的多维度监测体系。传感器布设采用网格布点法，确保数据采集的代表性与全面性。选用变频器驱动水泵与肥泵，实现水肥供给的精准调节与节能运行，同时配置电磁阀实现灌溉与施肥管路的切换控制。采用PLC配套触摸屏作为人机交互界面，实时显示环境参数与系统运行状态，并支持参数设置与手动控制。报警模块采用蜂鸣器与指示灯配合，实现异常情况的声光报警。2.2系统方案设计本系统的技术方案采用模块化架构，由PLC作为核心控制单元，统筹协调各功能模块的运行。系统分为人机交互层与控制执行层两个层次。通过HMI触摸屏实现系统启停控制、手动/自动模式切换、系统运行状态指示及报警信息显示，用户可直观监控土壤湿度、EC值等环境参数，并根据需要手动干预设备运行。PLC接收传感器检测模块采集的土壤湿度、土壤EC值、pH值、水位及管道压力等实时数据，经内部逻辑运算后，输出控制指令驱动水泵、肥泵及阀门等执行机构，实现精准灌溉与变量施肥。设备运行反馈信号实时回传至PLC，形成闭环控制，确保系统稳定可靠。紧急停止按钮作为独立的安全保护装置，在异常情况下可立即切断所有输出，保障人员与设备安全。该方案结构清晰、功能完整，具有良好的可扩展性与维护性，能够满足小麦精准水肥智能调控的各项需求。图2.1系统框图

第3章硬件系统设计3.1PLC模块本系统的PLC模块选用西门子S7-1200系列中的1214CCPU作为核心控制器。该型号具有紧凑的结构设计和强大的处理能力，适用于中小型自动化控制系统的开发需求。1214CCPU本体集成14个数字量输入点、10个数字量输出点和2个模拟量输入点，支持扩展最多8个信号模块，具备良好的可扩展性，能够满足本系统多传感器数据采集与多执行机构控制的实际需求。CPU采用24V直流供电，内置以太网通信接口，支持与触摸屏、上位机及其他网络设备进行数据交换，便于系统集成与远程监控。在编程方面，S7-1200系列支持TIAPortal（全集成自动化）平台，采用梯形图、功能块图等标准化编程语言，程序结构清晰、调试便捷，有利于实现复杂的逻辑控制与时序控制功能。此外，1214CCPU具备高速计数器、脉冲输出等功能，可为变频器等调速设备提供精确的脉冲控制信号。根据实际I/O点数需求，本系统配置SM1223数字量输入输出模块，提供8路数字量输入和8路数字量输出，用于接入液位开关、模式切换开关等数字量信号以及控制水泵、肥泵、阀门等执行机构。对于土壤湿度、土壤EC值、pH值、管道压力等模拟量信号，通过扩展模拟量输入模块实现高精度采集。PLC模块整体设计充分考虑了系统可靠性、抗干扰能力及工业现场适应性，确保系统在复杂农业环境下稳定运行，为小麦精准水肥智能调控提供可靠的控制核心。如图3.1所示。图3.1PLC实物图表3.1PLC选型表型号CPU1214C订货号6ES7-214-1BG40-0AA0功耗14W板载数字I/O14点输入/10点输出布尔运算0.08μs电压范围85~264VAC3.2湿度传感器选型本系统的湿度传感器选型综合考虑测量精度、长期稳定性、抗腐蚀能力以及与PLC控制器的兼容性等关键因素。经综合比较，选用电容式土壤湿度传感器作为核心检测元件。电容式传感器利用高频介电常数测量技术，通过检测土壤水分变化引起的电容值改变来反映含水量，相较于电阻式传感器，具有抗腐蚀性强、长期稳定性好、测量精度高等显著优势。该类传感器采用非接触式测量方式，电极表面经过特殊处理，在含盐土壤环境中使用寿命显著延长，避免了电阻式传感器因电解腐蚀导致的测量漂移问题。本系统选用具备RS485ModbusRTU通信接口的工业级传感器，该类型传感器支持多点接入、通信距离远、抗干扰能力强，输出信号为标准的数字量格式，可直接与PLC的RS485通信模块连接，简化了硬件接线与信号处理流程。传感器测量量程覆盖0~100%土壤含水率，测量精度可达±3%以内，响应时间小于2秒，能够满足小麦不同生育期对土壤墒情实时监测的需求。部分高端传感器还集成温度补偿功能，内置滤波算法可有效消除温度变化对测量结果的干扰，确保数据输出的稳定性与可靠性。如图3.2所示。图3.2土壤湿度传感器实物图表3.2土壤湿度选型表品牌松下名称湿度传感器型号PM-45额定电流0.005A频率50HZ/60HZ3.3中间继电器设备选型本系统的中间继电器选型重点考虑与PLC输出端的匹配性、触点容量以及农业现场环境的适应性。在电压匹配方面，由于PLC数字量输出模块SM1223的输出电压为DC24V，因此选择线圈电压为DC24V的继电器，确保可直接由PLC输出驱动，无需额外配置电源转换模块。系统控制的水泵、肥泵及阀门等执行机构功率适中，选用触点容量为5A/250VAC或6A/250VAC的中间继电器，能够可靠承受负载的启动电流与稳态运行电流。考虑到控制柜内安装空间有限且便于维护，选用插拔式带底座中间继电器，支持标准DIN导轨安装，便于快速更换与接线。考虑到农业现场存在一定粉尘与湿度，选用具备较高防护等级或全密封结构的继电器，以提高长期运行的可靠性。继电器触点形式选择带常开与常闭的转换型触点，可根据控制逻辑灵活配置。如图3.3所示。图3.3中间继电器实物图表3.3中间继电器选型表品牌德力西名称中间继电器型号VCJX112-22额定电流12A控制电压AC2203.4压力传感器选型本系统的压力传感器选型主要考虑测量范围、信号输出类型、精度等级以及与灌溉管道系统的兼容性。根据灌溉系统实际工况，管道压力监测范围设定为0~1.0MPa，能够覆盖正常灌溉与施肥过程中的压力波动区间。在信号输出方面，选用4~20mA电流输出型压力变送器，该信号具有抗干扰能力强、传输距离远的优点，可直接接入PLC模拟量输入模块，无需额外信号转换电路，便于实现高精度数据采集。选用精度等级为0.5级或0.3级的传感器，能够满足系统对压力异常监测与报警的精度要求，确保在管道堵塞、泄漏或泵组故障时及时发出报警信号。在材质方面，考虑到灌溉水与肥液可能存在的腐蚀性，传感器接液部分选用不锈钢材质（如316L），具备良好的耐腐蚀性能与长期稳定性。安装方式采用螺纹连接（如G1/4或G1/2接口），便于与现有管道系统快速集成。传感器具备过载保护功能，能够在压力瞬间超限时避免损坏，提高系统运行的可靠性。如图3.4所示。图3.4压力传感器实物图表3.4压力传感器选型表品牌欧姆龙型号U5600名称压力传感器精度等级±0.3%输出信号4-20mA、0-10V供电方式24VDC过载能力80%功率范围10W3.5电磁阀选型阀门B用于实现灌溉与施肥管路的切换控制，管路介质为清水或稀释后的肥液，因此选用两位两通常闭型电磁阀，常态下阀口关闭，通电时开启，符合安全优先的设计原则。在通径规格方面，根据灌溉流量需求，选用DN15或DN20口径的电磁阀，能够满足系统水肥供给的流量要求。考虑到农业灌溉用水可能存在的杂质以及肥液的弱腐蚀性，选用黄铜或不锈钢阀体，具备良好的耐腐蚀性能与机械强度。在控制电压方面，选用AC220V供电的电磁阀，通过中间继电器与PLC输出模块进行隔离控制，既保证PLC输出的安全性，又满足电磁阀对驱动电压的要求。电磁阀采用直动式结构，无需最低工作压力即可正常动作，响应速度快，启闭可靠，适用于本系统的间歇式工作模式。如图3.5所示。图3.5电磁阀实物图表3.5电磁阀选型表品牌FESTO型号SIMOTICSS-1FL6名称电磁阀额定功率0.4W供电方式24VDC过载能力80%3.6电路设计本系统电路设计以西门子S7-1214CDC/DC/DC型PLC为核心，构建完整的控制与驱动电路。PLC输入端接入系统启动、系统停止、手动模式、自动模式、紧急停止等操作信号，以及手动启停水泵、肥泵、阀门A、阀门B的控制按钮，实现模式切换与手动干预功能。输出端通过中间继电器KA1至KA10驱动负载，其中KA1控制系统运行指示灯，KA2控制系统停止指示，KA3与KA4分别指示自动与手动状态，KA5驱动系统报警，KA6与KA9分别控制水泵与肥泵运行，KA7与KA8分别控制碱性补偿阀与酸性补偿阀，KA10控制阀门A。所有继电器线圈均采用DC24V供电，与PLC输出模块直接匹配，触点侧则根据负载要求接入AC220V或DC24V电源，实现强弱电隔离，确保系统运行安全可靠。电路设计充分考虑了急停保护的优先级，确保紧急情况下能够立即切断所有输出，保障设备与人员安全。如图3.6所示。图3.6主电路接线图本系统扩展SM1223数字量输入输出模块，用于接入更多传感器信号与控制执行机构。模块输入端I2.0至I2.7分别连接水池高液位、水池低液位、肥池高液位、肥池低液位等液位开关信号，以及模式切换开关、启动开关等控制信号，实现对水肥状态的实时监测与系统模式切换功能。输出端Q2.0至Q2.7通过中间继电器KA11等控制阀门B等执行机构，实现灌溉与施肥管路的切换控制。模块采用DC24V供电，L+与M端接入PLC电源，确保与主控制器电源共地，简化接线结构。输入输出均采用指示灯设计，便于现场观察信号状态。该扩展模块的配置有效弥补了主控制器I/O点数不足的问题，使系统能够容纳更多传感器与执行设备，为小麦精准水肥智能调控提供完善的硬件支撑。如图3.7所示。图3.7系统输入接线图本系统扩展SM1231模拟量输入模块，用于接入各类模拟量传感器信号，实现对环境参数与设备状态的高精度采集。模块提供8路模拟量输入通道，支持0~10V电压信号或4~20mA电流信号输入，满足不同类型传感器的接入需求。具体接线方案为：通道0+与0-接入pH值传感器，实时监测土壤酸碱度；通道1+与1-接入水泵管道压力传感器，监测灌溉管道压力；通道2+与2-接入肥泵管道压力传感器，监测施肥管道压力；通道3+与3-接入土壤湿度传感器，实时采集土壤含水率。其余通道预留用于后续扩展其他传感器。模块采用DC24V供电，L+与M端连接PLC电源，确保供电稳定性。各通道配置独立的信号屏蔽层接地设计，有效抑制现场电磁干扰，保证模拟量信号传输的准确性与可靠性，为闭环控制系统提供精确的数据支撑。如图3.8所示。图3.8系统输入电路图本系统强电控制电路通过中间继电器触点实现对各类执行机构与指示元件的通断控制。电源部分采用AC220V供电，经总开关后为各负载回路供电。系统运行指示灯HL1由KA1触点控制，系统停止指示HL2由KA2触点控制，自动状态指示灯HL3由KA3触点控制，手动状态指示灯HL4由KA4触点控制。系统报警HL5由KA5触点控制，水泵运行指示HL6由KA6触点控制。执行机构方面，碱性补偿阀YV1由KA7触点控制，酸性补偿阀YV2由KA8触点控制，肥泵运行由KA9触点控制，阀门A由KA10触点控制，阀门B由KA11触点控制。所有继电器线圈由PLC输出模块驱动，触点侧则根据负载功率要求直接接入AC220V电源。系统配置DC24V电源模块，为PLC、传感器及继电器线圈提供稳定的直流电源。电路设计实现强弱电有效隔离，确保系统运行安全可靠。如图3.9所示。图3.9继电器电路本系统采用两台西门子SINAMICSG120变频器分别驱动水泵与肥泵，实现水肥供给的精确调速与节能运行。变频器主电路采用三相AC380V供电，输入端经总断路器QF1接入三相电源L1、L2、L3，输出端U、V、W连接三相异步电机M3。变频器通过PROFINET工业以太网协议与PLC进行实时通信，接收PLC下发的启停指令与频率给定信号，同时将设备运行状态、故障信息等反馈至控制系统。变频器内部集成多种保护功能，包括过载保护、过流保护、过热保护及缺相保护等，有效保障电机与设备的安全运行。采用变频调速控制方式，可根据土壤湿度与EC值实时调节水泵与肥泵的转速，实现精准供水供肥，避免传统启停控制方式下的频繁冲击与水锤现象，显著提升系统运行稳定性与能源利用效率。如图3.10所示。图3.10电机接线图系统输入输出(IO)分配如下表所示,清晰标注了外部地址与内部地址的对应关系以及各变量符号的功能说明。如表3.9所示。输入输出外部地址仿真地址变量符号说明输出地址变量符号说明I0.0%M2.0SB1系统启动Q0.0KA1系统运行指示I0.1%M2.1SB2系统停止Q0.1KA2系统停止指示I0.2%M2.2SB3手动模式Q0.2KA3自动状态指示I0.3%M2.3SB4自动模式Q0.3KA4手动状态指示I0.4%M2.4SB5紧急停止Q0.4KA5系统报警I0.5%M2.5SB6开始运行Q0.5KA6水泵运行I0.6%M4.1SB7手动启动水泵Q0.6KA7碱性补偿阀I0.7%M4.2SB8手动停止水泵Q0.7KA8酸性补偿阀I1.0%M4.3SB9手动启动肥泵Q1.0KA9肥泵运行I1.1%M4.4SB10手动停止肥泵Q1.1KA10阀门AI1.2%M4.5SB11手动打开阀门AI1.3%M4.6SB12手动关闭阀门AI1.4%M4.7SB13手动打开阀门BI1.5%M5.0SB14手动关闭阀门BI2.0%M5.1SB15水池高液位Q2.0KA11阀门BI2.1%M5.2SB16水池低液位I2.2%M5.3SB17肥池高液位I2.3%M5.4SB18肥池低液位表3.9IO分配表第4章控制系统软件设计4.1TIA软件及梯形图编程介绍本系统采用西门子TIAPortal（全集成自动化）平台进行PLC程序设计。TIAPortal是西门子推出的集成化工程软件平台，集成了控制器编程、人机界面组态、驱动配置等功能，支持从项目创建到系统调试的全流程开发。该平台采用统一的数据库与操作界面，各模块之间数据共享与协同工作，提升工程开发效率。在编程语言方面，本系统选用梯形图作为主要编程语言。梯形图是一种面向电气控制工程师的图形化编程语言，其设计风格与传统继电器控制电路相似，由常开触点、常闭触点、线圈、定时器、计数器等基本元素构成，逻辑关系直观清晰，便于理解与调试。梯形图采用从左到右、从上到下的扫描执行方式，反映控制逻辑的先后顺序与时序关系，适合实现复杂的逻辑控制、顺序控制及闭环调节算法。通过TIAPortal平台与梯形图编程的结合，本系统能够实现传感器数据采集、阈值比较、执行机构驱动及报警处理等核心控制功能。如图4.1所示。图4.1TIA软件4.2主程序流程图本系统主程序流程以自动模式为核心，实现水肥调控的闭环控制。系统启动后首先进行初始化，完成各模块参数配置与状态自检，随后通过模式选择分支进入自动或手动模式。在自动模式下，系统循环采集土壤湿度、EC值、pH值等关键参数，并与预设阈值进行比较判断。当参数超出设定范围时，系统自动启用相应调控策略：湿度超限触发水泵启停与阀门切换，实现精准灌溉；EC值超限控制肥泵调节施肥量；pH值超限则启动酸碱补偿阀进行调节。调控过程中持续监测各参数变化，直至恢复至正常阈值范围内。若参数持续超限或检测到管道压力、水位等异常信号，系统立即触发声光报警，并在人机界面显示故障信息。手动模式下，操作人员可通过触摸屏独立控制水泵、肥泵及阀门等执行机构，便于设备调试与应急操作。程序采用循环扫描结构，确保实时响应与稳定运行。程序流程图如图4.2所示。图4.2程序流程图4.3手动自动程序设计本系统手动自动切换程序采用置位复位指令实现模式状态锁定与互锁控制。程序段4中，当手动模式信号%M2.2为"1"时，通过复位指令（R）将自动状态指示%Q0.2清零，同时手动状态指示%Q0.3得电输出；当自动模式信号%M2.3为"1"时，通过置位指令（S）将自动状态指示%Q0.2置位，手动状态指示%Q0.3自动复位，确保两种模式互斥运行，避免同时动作引发的逻辑冲突。程序段5实现紧急停止与报警控制，当紧急停止信号%M2.4为"1"时，系统报警输出%Q0.4被复位，强制切断报警输出；同时程序监测%MW138等寄存器中的报警条件，当检测到水位异常、压力超限等故障时，系统报警输出被置位，触发蜂鸣器与指示灯，实现故障状态下的安全停机与声光提示。该程序设计确保了模式切换的可靠性与故障处理的安全性。如图4.3所示。图4.3手动自动程序4.4报警程序设计本系统报警程序设计采用功能块FB3"报警块"及其背景数据块DB2"报警块_DB"实现多路报警信号的集中处理与推送功能。程序段6中，将系统运行状态与各类故障信号作为输入参数连接至报警功能块。报警0至报警4分别对应系统停止指示、系统运行指示、手动状态指示、自动状态指示及系统报警输出，用于监控系统模式与运行状态；报警5至报警9分别对应肥池低液位、碱性补偿阀状态、肥池高液位、土壤湿度异常及水池高液位等关键故障信号。当输入条件满足触发条件时，报警功能块内部逻辑自动记录报警信息，并驱动相应的输出与显示。该报警块支持报警确认、历史记录及实时推送功能，通过统一的接口与触摸屏进行数据交换，实现故障信息的集中显示与声光提示，便于操作人员及时发现并处理异常情况。如图4.4所示。图4.4报警程序块4.5自动控制设计本系统pH值自动控制程序通过比较实时pH值与设定阈值，自动驱动碱性补偿阀进行调节。程序段8中，系统运行指示%Q0.0与自动状态指示%Q0.2为"1"且紧急停止%M2.4为"0"时，自动控制逻辑使能。程序读取%MD400"实时pH值"与预设阈值进行比较，当检测到pH值低于下限时，通过定时器%DB1"IEC_Timer_0_DB"启动延时计时，避免因信号波动导致的频繁误动作。延时结束后，%M21.1"k4"中间继电器置位，驱动碱性补偿阀%Q0.6输出，向土壤或肥液中添加碱性物质以提升pH值。程序持续监测pH值变化，当pH值恢复至正常阈值范围内时，自动复位补偿阀输出，停止加碱调节。该程序设计实现了pH值的闭环自动控制，确保土壤酸碱度稳定维持在作物生长的适宜区间。如图4.5所示。图4.5自动程序块4.6水泵运行程序设计本系统水泵运行程序实现自动模式下根据灌溉需求与安全条件控制水泵启停。程序段10中，当系统运行指示%Q0.0与自动状态指示%Q0.2为"1"、紧急停止%M2.4为"0"、且流程变量%MW100等于5时，自动灌溉条件满足，水泵运行输出%Q0.5被置位。程序持续监测水泵管道压力%MD408与水池液位%MW138，当压力超限或水池低液位报警时，通过停机信号%M25.6复位水泵输出，实现故障保护。此外，程序采用1Hz脉冲%M3.3配合递减指令DEC，对流程变量进行计时控制，实现灌溉时长的精确管理。水泵启动后，根据土壤湿度与设定阈值的偏差值，通过变频器调节水泵转速，实现变流量灌溉。该程序设计确保了水泵在安全条件下按需运行，既满足作物灌溉需求，又避免设备空转与管道超压风险。如图4.6所示。本系统水泵运行程序实现自动模式下根据灌溉需求与安全条件控制水泵启停。程序段10中，当系统运行指示%Q0.0与自动状态指示%Q0.2为“1”、紧急停止%M2.4为“0”、且流程变量%MW100等于5时，自动灌溉条件满足，水泵运行输出%Q0.5被置位。同时，程序持续监测水泵管道压力%MD408与水池液位%MW138，当压力超限或水池低液位报警时，通过停机信号%M25.6复位水泵输出，实现故障保护。此外，程序采用1Hz脉冲%M3.3配合递减指令DEC，对流程变量进行计时控制，实现灌溉时长的精确管理。水泵启动后，根据土壤湿度与设定阈值的偏差值，通过变频器调节水泵转速，实现变流量灌溉。该程序设计确保了水泵在安全条件下按需运行，既满足作物灌溉需求，又避免设备空转与管道超压风险。如图4.6所示。图4.6水泵运行程序块4.7液位控制程序设计本系统液位控制程序通过比较水池实际液位与设定阈值，生成高液位与低液位报警信号。程序段12中，系统运行指示%Q0.0为"1"时，液位监测逻辑使能。程序读取%MW138"水池"中的液位数值，与高液位设定值800进行比较，当实际液位大于等于800时，输出%M5.1"水池高液位"报警信号；同时与低液位设定值200进行比较，当实际液位小于等于200时，输出%M5.2"水池低液位"报警信号。高液位报警用于提示操作人员停止补水或检查进水阀门，防止水池溢流；低液位报警则用于触发水泵停机保护，避免水泵空转损坏，同时通过报警模块发出声光提示，提醒操作人员及时补水。该程序设计实现了液位的实时监测与上下限报警功能，确保水源供给的连续性与设备运行的安全性。如图4.7所示。图4.7液位控制程序块第5章监控系统的设计5.1HMI软件简介本系统人机交互界面采用西门子WinCC组态软件进行开发。WinCC（WindowsControlCenter）是西门子推出的专业级人机界面组态软件，与TIAPortal平台高度集成，支持与S7-1200系列PLC无缝通信，实现数据实时交换与监控功能。该软件具备丰富的图形化组件库，支持按钮、指示灯、数值显示、趋势曲线、报警列表等多种控件，便于设计直观友好的操作界面。WinCC支持变量与PLC地址直接关联，通过变量管理器可快速完成数据绑定，简化工程配置流程。软件内置报警管理、配方管理、用户权限管理等功能模块，满足工业级监控系统的多样化需求。本系统利用WinCC设计主监控界面，实时显示土壤湿度、EC值、pH值、水位及管道压力等关键参数，并提供手动控制按钮、模式切换开关及报警信息显示区域，实现系统运行状态的可视化监控与便捷操作。5.2监控系统的设计本系统监控通信采用PROFINET工业以太网协议实现PLC与HMI之间的数据交换。PROFINET是基于工业以太网的开放式实时通信标准，具有传输速率高（最高100Mbps）、实时性强、抗干扰能力好等特点，适用于工业现场对通信可靠性要求较高的应用场景。在TIAPortal软件中，首先为PLC分配IP地址（如），子网掩码设为，确保与HMI设备处于同一网段；然后为HMI设备分配同一网段内的唯一IP地址（如），并在网络配置中建立PLC与HMI之间的通信连接。通信参数设置主要包括：选择PROFINET接口，设置通信周期为100ms，启用RT实时通信模式，确保数据传输的实时性与确定性。变量连接方面，通过标签管理将HMI控件直接绑定至PLC的I/O地址或数据块变量，实现双向数据同步。该通信方案保证了监控界面与PLC之间数据交互的稳定可靠，为系统实时监控与控制指令下发提供了有效支撑。如图5.1所示。图5.1串行通信接口参数设置本系统通信协议采用PROFINETIO（PROFINETInput/Output）工业以太网协议，实现PLC与HMI及变频器之间的数据交互。PROFINET是基于工业以太网的开放式实时通信标准，具备高速率（100Mbps）、低延迟、高可靠性等特点，适用于工业现场对实时性和确定性要求严格的应用场景。在协议配置方面，通过TIAPortal软件为PLC分配IP地址（如），子网掩码设为，HMI设备与变频器分配同一网段内的唯一IP地址。通信参数设置中，选择RT（实时）通信模式，设定通信周期为100ms，确保数据传输的实时性与稳定性。对于变频器通信，通过GSDML文件导入设备描述，采用PROFINETIO协议进行循环数据交换，实现PLC对变频器启停控制、频率给定及状态反馈的实时读写。该协议配置有效保障了系统各设备间的数据同步与协同工作。如图5.2所示。图5.2通信协议的设置本系统在TIAPortal软件中通过"定义变量"对话框完成PLC与HMI之间的数据映射与变量管理。该对话框采用结构化设计，左侧为项目树中的变量表文件夹，右侧为变量编辑区域，支持批量添加、删除与修改变量。定义变量时，首先选择变量所属的数据块或默认变量表，然后依次设置变量名称、数据类型（如Bool、Int、Real等）、PLC地址（如%Q0.0、%MW100、%DB1.DBD0等）以及注释说明。对于HMI变量，需在"HMI变量"表中创建与PLC变量关联的HMI标签，设置采集周期（如100ms）与读写权限。变量定义完成后，可通过拖拽方式直接绑定至HMI画面控件，实现数据的实时显示与控制指令下发。该变量管理机制确保了系统数据结构的清晰性与可维护性，为监控系统的高效开发与稳定运行提供了基础保障。如图5.3所示。图5.3定义变量对话框。本系统HMI监控界面采用WinCC组态软件设计，实现小麦精准水肥调控系统的集中监控与操作。界面顶部设置系统启动、系统停止及紧急停止按钮，并配有系统运行指示与系统停止指示状态灯，直观反映系统运行状态。左侧区域显示土壤实时湿度、土壤EC值、当前pH值及预设值，用户可根据作物需求设定目标阈值；同时展示水池与肥池液位数值及高/低液位报警状态，确保水源供给安全。中部区域集中控制水泵与肥泵，支持手动启停操作，并显示水泵频率、肥泵频率及运行状态，便于实时调节。右侧区域设置手动自动模式切换、阀门A与阀门B控制按钮，实现灌溉与施肥管路的灵活切换。底部集成趋势视图，实时绘制土壤湿度与土壤EC值的变化曲线，并配有P值、I值、D值参数输入框，便于PID控制参数整定。界面布局清晰、功能完善，为用户提供了便捷的监控与操作平台。如图5.5所示。图5.5监控界面第6章程序仿真与性能测试6.1程序仿真环境搭建本系统程序仿真采用西门子TIAPortal软件内置的PLCSIM仿真工具进行功能验证。PLCSIM是西门子提供的虚拟PLC仿真软件，能够在PC上模拟S7-1200系列PLC的运行环境，无需连接真实硬件即可完成程序的调试与测试。仿真环境搭建过程如下：首先在TIAPortal中完成硬件组态与程序编写，确保PLC型号与实际选型一致；然后通过"开始仿真"按钮启动PLCSIM，系统自动下载程序至虚拟PLC；随后在仿真界面中设置CPU运行状态为RUN，即可开始程序调试。PLCSIM支持对输入输出点、定时器、计数器及数据块等变量进行强制赋值与监控，用户可通过变量表或监视窗口实时观察程序执行结果。为验证HMI与PLC的通信功能，本系统采用PLCSIM与WinCC仿真器联合调试，实现虚拟PLC与监控界面的数据交互，降低了硬件依赖，提高了程序开发与测试效率。6.2功能测试与验证本系统在手动运行模式下对水泵控制功能进行了测试与验证。测试过程中，系统首先切换至手动模式，手动状态指示灯点亮，确认模式切换正常。随后操作人员在HMI监控界面单击"手动启动水泵"按钮，该按钮对应的PLC输入变量由"0"变为"1"，程序响应按钮指令，水泵控制输出%Q0.5置位，中间继电器KA6线圈得电，其常开触点闭合，驱动变频器启动水泵电机。同时，HMI界面上的"水泵运行"指示灯点亮，反馈水泵运行状态。如图6.1所示。图6.1手动模式在手动运行模式下，本系统对阀门B控制功能进行了测试与验证。测试过程中，系统首先切换至手动模式，手动状态指示灯点亮，确认模式切换正常。随后操作人员在HMI监控界面单击"阀门B打开"按钮，该按钮对应的PLC输入变量由"0"变为"1"，程序响应按钮指令，阀门B控制输出%Q2.0置位，中间继电器KA11线圈得电，其常开触点闭合，驱动电磁阀YV4开启，实现灌溉或施肥管路的切换控制。同时，HMI界面上的阀门B按钮指示灯由灰色变为绿色，直观显示阀门开启状态。如图6.2所示。图6.2阀门B打开在自动运行模式下，本系统对自动控制功能进行了测试与验证。测试前，系统切换至自动模式，自动状态指示灯点亮，确认模式切换正常。操作人员在HMI界面设定土壤湿度目标值为60%、土壤EC目标值为1.5mS/cm、pH值目标范围为6.0~7.0，并分别设置湿度上下限偏差、EC值偏差等控制参数。系统启动后，PLC实时采集土壤湿度传感器、EC传感器及pH值传感器数据。测试过程中，当检测到土壤湿度实测值降至55%（低于下限阈值）时，系统自动置位水泵控制输出%Q0.5，驱动变频器启动水泵，并根据湿度偏差值调节变频器频率，实现变流量灌溉；同时阀门B自动切换至灌溉管路。随着灌溉进行，湿度值逐步回升，当达到60%上限时，系统自动复位水泵输出，停止灌溉。当土壤EC值低于1.3mS/cm时，系统自动启动肥泵，按预设比例进行补肥；pH值低于6.0时，自动开启碱性补偿阀进行调节。整个自动运行过程中，系统能够根据预设参数完成水肥调控决策，执行机构动作准确、响应及时，各项环境参数稳定维持在设定阈值范围内，验证了自动控制功能的完整性与可靠性。如图6.3所示。图6.3自动运行模式结论本研究设计并实现了一套基于PLC控制技术的小麦精准水肥智能调控系统，围绕小麦不同生育期的需水需肥规律，构建了集环境监测、自动控制、人机交互与异常报警于一体的综合调控平台。在硬件方面，系统以西门子S7-1200系列PLC为核心控制器，扩展SM1223数字量模块与SM1231模拟量模块，接入土壤湿度、土壤EC值、pH值、水位及管道压力等多类型传感器，通过变频器驱动水泵与肥泵，实现水肥供给的精准调节。在软件方面，基于TIAPortal平台采用梯形图编程，设计了手动自动模式切换、PID闭环控制、液位监测与报警推送等核心程序，实现了系统运行的全自动逻辑控制。监控系统采用WinCC组态软件设计，提供直观的操作界面与实时数据显示功能。经程序仿真与功能测试验证，系统在手动模式下可独立控制各执行机构动作准确，在自动模式下能够根据预设阈值完成灌溉与施肥决策，响应时间满足实时性要求，环境参数稳定维持在目标范围内。本系统实现了水肥资源的精准利用，降低了人工干预，为小麦种植提供了智能化、标准化的水肥管理解决方案，具有推广应用价值。

参考文献[1]王东.小麦水肥精准调控关键技术研发与应用[C]//中国作物学会.第二十届中国作物学会学