基于PLC的农业灌溉监控系统设计

第一章 绪论

农业灌溉的精准化管控是提升水资源利用率、保障农作物产量的核心环节，传统农业灌溉多采用定时漫灌或人工凭经验浇水模式，存在水资源浪费严重（利用率≤50%）、灌溉时机与量匹配度低、缺乏土壤墒情实时监测、无法适配不同作物生长需求等问题，尤其在规模化农田种植中，人工管控效率低且成本高。可编程逻辑控制器（PLC）具备稳定的多参数采集与逻辑控制能力，能够实现农业灌溉的自动化、智能化监控与调控。本研究设计基于PLC的农业灌溉监控系统，核心目标包括：一是实现土壤墒情、环境温湿度、降雨量的实时监测，灌溉决策响应时间≤5秒；二是按需精准灌溉，水资源利用率提升30%以上；三是集成远程控制、异常报警、数据统计功能，降低人工管理成本50%。该系统适用于大田、果园、大棚等多种农业种植场景，为农业节水灌溉提供标准化解决方案。

第二章 系统设计原理

本系统核心设计原理围绕PLC核心控制、多源数据感知、精准灌溉闭环调控三大环节展开。首先是PLC核心控制层，选用西门子S7-200 SMART PLC作为主控单元，通过梯形图程序集中管控各类传感器、灌溉泵、电磁阀、变频器等执行机构，接收环境与土壤监测数据、用户预设参数，输出精准的灌溉启停、流量调节指令，是系统的控制中枢。其次是多源数据感知环节，通过分布式部署土壤墒情传感器、温湿度传感器、雨量传感器，实时采集农田不同区域的土壤含水量、空气温湿度、自然降雨情况，PLC对采集数据进行滤波处理，消除环境干扰，确保数据准确性。最后是精准灌溉闭环调控环节，PLC将实测土壤墒情数据与不同作物的需水阈值比对，结合降雨量数据自动判定灌溉需求：墒情低于阈值且无有效降雨时，按预设灌溉量启动变频灌溉泵与对应区域电磁阀；灌溉过程中实时监测墒情，达到阈值后立即停止灌溉；同时设计过载、缺水、传感器故障等异常判定逻辑，触发时立即停机并报警，形成“数据采集-需求判定-精准灌溉-反馈校验”的闭环体系。

第三章 系统硬件与软件实现

系统以西门子S7-200 SMART SR40 PLC为核心，配套土壤墒情传感器（4-20mA输出）、温湿度传感器、雨量传感器、变频灌溉泵、电磁流量阀、电动调节阀、触摸屏、4G通信模块、声光报警器等硬件。硬件接线方面，PLC模拟量输入端接收各类传感器的模拟信号，数字量输入端连接急停按钮、手动/自动切换开关；数字量输出端控制电磁阀、报警器、泵组接触器，模拟量输出端调节变频器频率以控制灌溉泵流量；4G模块实现PLC与远程监控端的数据交互。软件层面，编写模块化PLC控制程序，核心逻辑包括：参数设置模块支持自定义不同作物、不同生长阶段的墒情阈值与灌溉量；数据采集模块通过定时扫描与滤波算法确保监测数据稳定；灌溉控制模块按区域、按需求驱动灌溉设备，避免无效灌溉；故障处理模块监测设备运行状态，记录故障信息并触发报警。触摸屏界面设计实时监控、参数设置、数据查询功能区，直观展示各监测点墒情、灌溉状态、用水量，支持远程下发灌溉指令，满足规模化农田的管理需求。调试阶段通过不同作物的灌溉测试，校准传感器精度与灌溉流量参数，确保灌溉量与作物需求匹配。

第四章 系统测试与总结

为验证系统性能，选取50亩玉米种植田进行为期2个月的运行测试，对比传统漫灌与PLC灌溉监控系统的水资源消耗、作物生长指标、管理效率。测试结果显示，PLC系统管控下农田水资源利用率提升35%，单亩灌溉用水量从80m³降至52m³；玉米出苗率提升12%，株高、穗长等生长指标均优于传统灌溉模式；人工管理成本降低55%，无需专人现场值守，异常报警响应时间≤0.3秒。系统连续运行60天无故障，极端天气（暴雨、高温）下仍能精准判定灌溉需求，未出现过灌、漏灌情况。误差分析表明，少量墒情监测偏差源于传感器埋深不均，可通过标准化埋置流程进一步优化。综合来看，该系统通过PLC的精准控制与多源数据感知，实现了农业灌溉的智能化、节水化管控，解决了传统灌溉的核心痛点。后续可引入AI算法，结合气象数据预测灌溉需求，进一步提升灌溉精准度；同时拓展水肥一体化功能，实现灌溉与施肥的协同调控。


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