灌溉和水肥一体化系统的自动化和数字化

背景

Gefion S.r.l. 是一家意大利公司，专门从事农业灌溉系统的设计与制造。

多年来，该公司通过提供采用自清洁、免维护过滤解决方案的灌溉和水肥一体化管理系统（这些系统可通过专用 VPN 或移动网络进行远程控制），满足了农民在土地上使用先进解决方案以满足其特定生产要求的需求。

Gefion 根据专业技术人员在勘测阶段收集的数据，为每块土地制定最合适的解决方案——这些数据涵盖可灌溉面积、作物间距、高差以及作物与水源之间的距离等信息。

该公司的独特之处在于其持续投入研发，致力于为终端用户提供能够简化并自动化生产周期的解决方案，从而优化生产流程，实现节水节能。

为实现这一目标，Gefion 与伊顿公司开展了近十年的合作，由此获得了伊顿专业技术团队的支持，并共享其解决方案、技术以及工业 4.0 领域的专业知识。

挑战

在农业领域，气候的不可预测性日益成为左右农作物收成高低的关键。优化生产迫在眉睫，所有企业都应为减轻环境对农业的影响贡献一臂之力。农民面临的挑战远比以往复杂——他们需要可靠且富有创新精神的合作伙伴，助力其完成数字化转型，从而在市场中保持竞争力。

物联网与大数据使得信息接收与管理变得更快、更精准，这使农民能够将原本分散的生产环节进行自动化改造，从而提升葡萄藤、石榴树和榛子树等各类作物的产量与可持续性。

以葡萄种植为例，在可持续葡萄栽培体系中，葡萄藤获得均衡的水肥营养至关重要，这直接关系到能否实现预期的产量目标。每块地块应施用何种肥料，必须根据葡萄园的特性以及特定葡萄种植者追求的栽培目标来定——是追求产量还是品质。

葡萄种植者早在三四月间便能预判当年的收成情况，并可通过水肥一体化技术（即在有限时空内实现水分与养分最优分配的技术）相应调整生产策略。

为确保葡萄园高产，同样重要的是避免葡萄藤因缺水而启动保护机制：水分与养分不足可能引发可见的外在症状，最终导致产量下降。

当植株缺水时，会从葡萄果实中汲取水分，导致果实开始萎缩。通过交叉检查供水量与葡萄重量，可有效阻止这种脱水过程的发生。

解决方案

要使葡萄藤正常生长，在矿物质含量方面，土壤与植株之间的平衡必须恰到好处。由于矿物质含量过低或过高都可能造成危害，必须使用均衡的混合物来确保其健康生长。

根据葡萄种植者估算的作物水肥一体化灌溉带来的切实效益，伊顿基于机器的复杂程度，在 Gefion 的系统中部署了 XN300 系列模块化 I/O 系统、多台变频器（包括 DE1 和 DA1）以及各类按钮。

这使该公司能够为农户提供解决方案，将灌溉系统与易于维护的自动化系统集成，该系统能根据所采集的葡萄藤和土地相关数据，以合理且可控的方式精准投喂作物所需的肥料。这些数据通过 Gefion 软件包 Hydro Evolution V3 进行处理，该软件可管理水肥一体化系统（CODESYS 3 应用程序）。其中，过滤系统配备搅拌器以搅动容器内的水体，并设有探头监测水温、流量、电导率 (EC) 以及 pH 值。

灌溉混合液——根据与面积成比例的特定参数计算得出，可依据农艺及营养需求配置——经过精确校准，确保其中水溶性肥料的溶解量达到理想浓度。事实上，若肥料过量或水温不理想，肥料将无法完全溶解而悬浮于水中，从而引发系统故障。此问题在传统灌溉系统中极为常见，通常在输配环节引发诸多问题——使种植者误以为已完成水肥一体化操作，实则不然。

伊顿传感器将进出水压力、过滤器状态及水肥一体化系统的运行数据传输至 Hydro V3 管理软件。该系统据此自动调节水肥供应压力，确保肥料以线性方式注入灌溉水流，从而实现作物根系区域内水肥的精准分布。

Gefion 机器搭载的伊顿组件可对灌溉和水肥一体化系统进行智能监控。该解决方案还支持远程执行多项功能：管理过滤阶段、监测滤芯进出水压力并在必要时启动清洗循环（或滤芯堵塞时自动执行）、向用户通报压力状态、检查和监控泵运行状态并提示故障信息，以及管理含水层压力。

此外，为系统供水泵及电子设备管理增设的光伏供电系统已得到扩容。这使得 Gefion 提供的解决方案独具特色且实现 100% 绿色环保，并且能够创建自主运行的岛屿式系统，实现自动管理并为农户减轻劳作负担。

“水肥一体化技术使得肥料用量较传统施肥方式显著降低。依托与伊顿公司合作部署的新技术以及 Hydro V3 管理软件，可对混合液进行实时监测，实现精准分配、定点施用与定向灌溉。这无疑具有多重优势：不仅能有效保护环境，更能通过更高效地管理含水层压力来优化水资源利用，”Manieri 先生如是说。

此外，Gefion 在过去一年左右的时间里，一直在尝试将地下水调控系统引入现有系统。这种调控系统能够监测灌溉系统对水井造成的用水需求压力。该系统可识别含水层承受过量抽取的情况，并通过控制柜/ PLC 中的算法自动调整对地下水的用水需求，确保灌溉过程不会使作物陷入水分胁迫状态。

伊顿 XV300 HMI PLC 面板也集成至 Gefion 系统，旨在优化人机交互体验，大幅简化系统管理流程。其直观的用户界面更带来堪比智能手机的操作便捷性。

XV300 HMI PLC 提供先进的图形功能，即使面对高度复杂的页面，也能实现操作的快速加载。

“Gefion 密切关注用户与机器交互时所获得的体验类型。与 Galileo 合作开发的 Hydro V3 软件所展现的可靠性、简洁性及用户友好的图形界面——加上我们与该公司建立的信任关系——这些要素共同引导我们做出战略决策，选择伊顿作为合作伙伴而非其竞争对手，” Manieri 先生评论道。

结果

通过在水中控制肥料的释放与分配，既提高了植株对养分的吸收效率，又确保了水资源得到更高效的利用：水肥一体化技术实现了水肥协同增效，在节水与保障生产连续性方面为葡萄种植者带来双重效益。科学管理含水层压力可提升地下水产出量并延长水井使用寿命，从而避免对水井进行破坏性且成本高昂的疏浚作业。

此外，光伏系统的安装使整体系统具备低环境影响特性，尤其简化了系统部署流程，并减少了常规系统运行所需的基础设施建设需求。该系统可实现完全远程管理，配合深度数据/警报分析功能，不仅便于规划灌溉周期，更有效提升系统维护与管理效率。