摘  要：汉麻室内育种采用人工浇水方式可能会导致培养盆内水分含量过高或过低，不利于室内育种工作的开展。根据汉麻室内育种技术需要，设计了一种自动滴灌系统，采用三菱PLC作为处理单元，采集土壤水分含量传感器数值，根据软件数值设定范围，实现自动补水、滴灌功能。对培养盆内水分含量有效精准的控制，可减少人力投入，提高汉麻室内育种质量，有助于提供可靠的数据。

关键词：汉麻；滴灌；水分含量

我国北方冬季室外气温较低，汉麻育种工作在室内开展可缩短育种周期，提高时间利用率。室内育种大多采用人工浇水方式进行灌溉，随意性较大，缺乏可靠的数据支撑，可能造成土壤水分过涝或过旱，影响汉麻生长品质，也可能会影响科研数据的准确性。滴灌技术是将具有一定压力的水通过主管、分管和出水管道或滴头，以水滴形式缓慢而均匀地滴入植物根部附近土壤的一种灌水方法。将滴灌技术与自动化技术相结合，服务于汉麻室内育种，不仅能提供精准的土壤水分含量，减少人力劳动投入，还可提高水资源利用率。

1系统总体设计

系统由土壤水分含量采集、数据转换及比较运算、蓄水槽自动上水、自动滴灌、上位机软件等组成。系统总体硬件设计主要包括控制单元PLC及其电路、土壤水分含量传感器、蓄水槽、水位检测开关、溢水检测开关、电磁阀、潜水泵、滴灌配件等。PLC通过实时监测培养盆内水分含量的数值变化及蓄水槽水位情况，通过驱动滴灌泵和电磁阀进行补水、滴灌操作。

设计采用PLC作为核心控制单元，是一种通用的工业控制器，具有可靠性高、使用方便灵活、控制精度高、控制功能完善等特点，对全部功能设备进行统筹与内部程序进行控制。控制单元选用三菱FX3U系列小

型PLC，主要控制功能包括开关量的输入输出、ＲS－485数据通信采集和上位机软件通信等。三菱FX3U系列PLC可配置ＲS－485通信卡，与土壤水分含量传感器通信，PLC编程接口与上位机软件通信，上位机软件对土壤水分含量值进行显示并记录保存，可记录查看土壤水分含量历史趋势曲线。开关量输入用于检测95蓄水槽高低水位信号，开关量输出驱动进水电磁阀、潜水泵及滴灌电磁阀等设备。

PLC与土壤水分传感器采用ＲS－485协议进行通信，实时采集数据，通过PLC内部程序完成数据转换处理，将土壤水分含量值与设定值相比较，需启动滴灌时，PLC驱动滴灌泵进行抽水滴灌，达到设定值上限后停止滴灌，实现汉麻室内育种自动滴灌系统的功能。

2自动蓄水功能

蓄水槽的主要作用是防止自来水直接滴灌，因其温度较低，氯元素含量高，会对盆内汉麻生长环境造成影响。如图1所示，自来水管安装电磁阀，由PLC进行驱动控制，当蓄水槽内水位不足时，触发浮球的低水位开关信号，反馈至PLC后驱动电磁阀，水龙头处于常开状态，水流不断注入蓄水槽内。当水位上升到高位时，触发浮球的高水位开关信号，PLC关闭进水电磁阀，停止注水，实现了水槽的自动蓄水功能。在水槽上部安装溢水检测开关，如果注水时浮球的高水位开关信号异常或损坏，致使PLC不能及时关闭进水电磁阀，水位上升到触发溢水开关信号时，程序设置延迟3s后关闭电磁阀，实现防止溢水的保护功能。3s的延迟设计是为了避免水位波动，防止频繁驱动进水电磁阀的防抖功能。

3土壤水分含量传感器

土壤水分含量传感器作为系统的关键组成之一，型号选择应保证具有较高的可靠性及准确性，本设计采用型号为ＲS－WS－N01－TＲ的传感器，该传感器具有IP68等级防护外壳，防水、耐盐碱、防腐蚀，供电为DC4.5～30V宽泛电压，水分含量测量范围0～100%ＲH，测量分辨率为0.1%ＲH。安装方式为可直接插入土壤，也可预埋到需要测量的土层。

土壤水分含量传感器的安装应选定合适的测量位置，避开坚硬物体，在快速测量时将传感器用手握紧，垂直插入土壤中，插入时注意不要左右摇摆，小范围土壤测量建议多次测量，求取平均值。埋地测量时，播种前将土壤垂直挖大约20cm的坑，将传感器钢针水平插入坑内并填埋压实，待土壤松软度稳定后，即可进行连续长时间的测量与记录。测量时要保证土壤水分的测量精准，采样土壤直径应大于7cm，高度大于7cm。

4自动滴灌功能

选用潜水泵作为滴灌泵，置于蓄水槽内，选用防腐蚀类型泵体，普通材质的潜水泵长期浸入水中会生锈，铁锈极易堵塞滴灌管路，致使滴灌不通畅或不能滴灌。

滴灌管路如图3所示，由PVC管作为主管道，安装三通接头及手动球阀连接分支管路，分支管路采用25PE管，安装8L稳定器进行稳流，稳定器上插入1出4分流器，分流器的4个分支插接弯钩滴箭，并分别插入盆内土壤中，构成滴灌管路。

PLC与土壤水分含量传感器进行ＲS－485通信，实时读取土壤水分含量数据，通过PLC软件编程转换为土壤水分含量值，与设定范围值进行比较，判断是否启动滴灌泵进行滴灌操作。当土壤水分含量值低于设定范围值时，启动滴灌泵进行滴灌。随着滴灌的进行，土壤水分含量值不断上升，达到设定值上限时，停止滴灌。

实际测试中，滴灌数次发现培养盆内水分含量总是过大或溢出盆内，虽然滴灌时达到预设值后，滴灌泵处于停止状态，但实际整个滴灌管路形成虹吸原理，水槽内的水会不停地流入盆内，导致培养盆内水分含量过大或溢水。因此，在潜水泵出口后方安装电磁阀，停止滴灌后，将滴灌管道同时关闭，可有效解决该问题。

5试验与分析

上位机组态软件与PLC进行实时通信，组态软件具有实时画面显示、历史曲线记录与查看、数据报表查询打印等功能。图4为截取部分土壤水分含量的历时曲线，数据记录周期为1min。

对60盆汉麻进行实际滴灌测试，根据实际需求设定盆内土壤水分含量值25%ＲH，PLC程序编写设定值±2%ＲH为土壤水分含量上下限，当土壤水分含量下降到23%ＲH时，启动滴灌系统补水，当土壤水分含量达到27%ＲH时停止滴灌，通过截取部分趋势曲线和水分含量监测表格可以看出，盆内的水分含量在达到上限值后仍会继续增大，几分钟后，待土壤中水分均匀后，土壤水分含量值缓慢减小并趋于稳定。

表1 水分含量监测表

6存在的问题与分析

系统完成硬件安装及软件调试后，进入实际运行测试阶段，发现若干问题，对此提出解决方案如下：系统出现培养盆内水分含量过大及溢水情况，根据分析，停止滴灌后，滴灌管路出现虹吸现象，水槽内的水不断流入培养盆内。解决方案是在滴灌泵出口后方安装电磁阀，停止滴灌后，及时关闭滴灌管路。由于水质及蓄水槽污染，造成滴灌不通畅现象。由于水质原因，蓄水槽内产生水垢，应经常清洗蓄水槽，防止产生水垢；也可更换较粗的滴箭，使水流能更顺畅的流入培养盆内。另外，蓄水槽应盖好盖子，防止水槽内的水被二次污染。单点的土壤水分含量数据采集可能造成其他培养盆内水分含量与被测盆内的水分含量存在差异，应多加几个水分含量传感器，采集的数据进行平均值处理运算，这样可有效提高滴灌系统的精准度。

7结语

提出基于PLC汉麻室内育种自动滴灌系统，设计开发了相应的软件、硬件系统，根据实际情况，对汉麻进行实际滴灌测试，经过数月的测试分析和不断的完善系统，土壤水分含量的控制可满足汉麻室内育种需求，代替人工进行浇水，并具有良好的可靠性和稳定性，可更好地为汉麻室内育种提供可靠的数据。自动化技术与滴灌技术相结合，可精准有效地控制植物所需水分含量值，提高水资源利用率，减少人力劳动投入。随着自动化技术与物联网技术的不断发展，自动滴灌控制系统将会得到更广泛的应用。

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文章摘自：张治国，朱浩，王晓楠等.基于PLC的室内汉麻育种自动滴灌系统设计与研究[J].黑龙江科学，2023，14(02)：95-97.