一種經濟型水肥一體化系統(tǒng)的設計.pdf

41 現(xiàn)代農業(yè)裝備第41卷 第6期 2020年12月 VOL 41 No 6 Dec 2020Modern Agricultural Equipment 一種經濟型水肥一體化系統(tǒng)的設計 羅海據(jù) 1 李 越 1 謝秋波 1 2 鐘林憶 1 2 1 廣州市健坤網絡科技發(fā)展有限公司 廣東 廣州 510630 2 廣東省現(xiàn)代農業(yè)裝備研究所 廣東 廣州 510630 摘 要 我國作為農業(yè)大國 農業(yè)用水量巨大 占總用水量的70 傳統(tǒng)農業(yè)漫灌模式造成了大量不必 要的水資源浪費 實施水肥一體化技術是減少農業(yè)用水浪費的重要舉措之一 采用恒壓供水 多級過濾 器 多通道比例施肥機和無線網關等設備 輔以電導率 EC 酸堿度 pH 田間土壤墑情等土壤傳 感器 結合遠程控制等技術 設計一種經濟型水肥一體化系統(tǒng) 該系統(tǒng)在計算施肥比例時 施肥量可根 據(jù)主管水流量而變化 同時利用壓力變送器測量肥桶液位高度間接得到施肥量 通過增量PID算法減少肥 桶液位波動產生的誤差 實現(xiàn)精準施肥 試驗結果表明 該系統(tǒng)能保證出水器的平均出水量不小于3 85 L h 10 s采樣周期的注肥量和設定值相比誤差不超過10 手機遠程控制系統(tǒng)響應時間不超過3 s 達到生 產要求的同時節(jié)水節(jié)肥 關鍵詞 水肥一體化 智能灌溉 施肥機 恒壓供水 遠程控制 中圖分類號 S24 文獻標識碼 A 文章編號 1673 2154 2020 06 0041 07 0 引 言 中國是水資源缺乏的國家 傳統(tǒng)的灌溉方式下 農業(yè)用水量巨大 導致大量不必要的浪費 因此 借鑒國外先進農業(yè)生產模式 實施水肥一體化技術 是解決農用水資源浪費的重要措施 近年來 國家 對水肥一體化技術高度重視 先后出臺了 國家農 業(yè)節(jié)水綱要 2012 2020 年 國辦發(fā) 2012 55 號 關于加快轉變農業(yè)發(fā)展方式的意見 國 辦發(fā) 2015 59 號 等多個文件 對發(fā)展節(jié)水農業(yè) 促進水肥一體化技術推廣應用提出明確要求 1 國 內外對水肥一體化技術研究較多 也取得了一定的 成果 國外學者將數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)應用于 農業(yè)灌溉調度 ISSCADA 利用無線傳輸技術采 集土壤 氣候信息和植物反饋信息進行灌溉調度 明顯地優(yōu)化了畝產量 作物水分生產率和灌溉用水 效率 2 陳滿等 3 以 STM32F103ZET6 微處理器為 核心 搭配 GPS 定位模塊 作物生理信息監(jiān)測模塊 溫濕度與光照度監(jiān)測以及施肥機構監(jiān)測模塊 實現(xiàn) 基于實時數(shù)據(jù)監(jiān)測的變量施肥控制 李加念等 4 采 用基于脈寬調制 pulse width modulation PWM 技術設計一種水肥一體化變量施肥裝置 主要由壓 力變送器 文丘里施肥器 脈沖電磁閥及控制器組 成 通過改變 PWM 的占空比對脈沖電磁閥進行控 制 可改變文丘里施肥器的進出口壓力差 從而改 變其吸肥量 在總結前人研究的基礎上 本文針對 實際生產中需要對農作物按一定比例施多種液態(tài)肥 的需求 5 以水肥一體化在田間灌溉應用為對象 以實現(xiàn)自動灌溉與精準控肥為目的 研究一種經濟 型水肥一體化系統(tǒng) 收稿日期 2020 11 02 基金項目 廣州市科技計劃項目 201803020023 廣東省鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略專項 粵財農 2020 39號 廣州國家 現(xiàn)代農業(yè)產業(yè)科技創(chuàng)新中心創(chuàng)建項目 2018kczx03 作者簡介 羅海據(jù) 1977 男 碩士研究生 工程師 主要從事水肥一體化系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)研究 E mail luohj e 通訊作者 鐘林憶 1990 男 碩士研究生 信息系統(tǒng)項目管理師 高級 主要從事農業(yè)信息化與智能農 業(yè)裝備技術集成與應用 E mail zhongly e 42 現(xiàn)代農業(yè)裝備 2020年 1 設計原理 水肥一體化系統(tǒng)一般由首部 田間管道 電磁 閥工程 施肥模塊以及數(shù)據(jù)采集模塊等部分組成 首部包括增壓泵 變頻器電柜 過濾器 流量計等 田間管道包括主管 支管 毛管和出水器等 電磁 閥工程包括田間電磁閥 供電控制線路或者太陽能 供電控制等 施肥模塊包括多通道比例施肥機 肥 液桶以及壓力變送器等 系統(tǒng)組成如圖 1 所示 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16171819202122232425 1 水源 2 離心過濾器 3 增壓泵 4 沙石過濾器 5 球閥 6 疊片過濾器 7 流量計 8 EC儀表 9 pH儀表 10 壓力表 11 主管 12 田間電磁閥 13 支管 14 毛管 15 出水器 16 土壤墑情 17 單向閥 18 注肥泵 19 多通道比例施肥機入口電磁閥 20 文丘里吸肥器 21 進水電磁閥 22 肥桶 23 排水電磁閥 24 壓力變送器 25 吸肥電磁閥 施肥模塊中 多通道比例施肥機的施肥泵從主 水管抽水 水流過文丘里喉管時產生負壓 從而將 肥水從肥桶吸出 通過調節(jié)肥水管路的通斷時間 控制吸肥量達到設定的水肥比例 同時多通道比例 施肥機用流量計測量灌溉主水管的水流速度和灌溉 總量 作為比例施肥和判斷管路故障的重要依據(jù) EC pH 儀表檢測肥液的電導率和酸堿值 作為配 肥濃度的輔助依據(jù) 田間管路網絡和出水器將水肥輸送到植物根 部 由于田間面積比較大 為保證水量和水壓滿足 每個出水器的要求 需要將田間進行分區(qū)管理 用 電磁閥控制對應灌區(qū)水流的通斷 離心過濾器過濾較大顆粒的雜質 如砂子等 砂石過濾器可以將水源的有機質過濾 疊片過濾器 將水源中 100 目以下的雜質過濾 三級過濾可有效 保護管道和出水器不被阻塞 6 土壤墑情傳感器通過 4 20 mA 信號和多通道 比例施肥機進行連接 多通道比例施肥機可以根據(jù) 田間的土壤墑情判斷灌溉用水量 用戶也能根據(jù)未 來天氣預報的情況控制多通道比例施肥機的運行 2 系統(tǒng)設計 為實現(xiàn)自動灌溉與精準控肥 基于水肥一體化 系統(tǒng)組成及原理 重點對恒壓供水 遠程控制網關 多通道比例施肥機 配肥比例控制算法等環(huán)節(jié)進行 研究與設計 通過技術集成形成了一種新的經濟型 水肥一體化系統(tǒng) 2 1 恒壓供水設計 恒壓供水技術比較成熟 一般選用具有 PID 調 節(jié)功能的變頻器獲得比較穩(wěn)定的水壓和流量 7 灌 溉首部的變頻器電柜 增壓泵和壓力表組成閉環(huán)系 統(tǒng) 為田間管道提供穩(wěn)定的流量和水壓 保證田間 出水器以穩(wěn)定的流量灌溉 變頻器電柜采用 ABB ACS510系列 該變頻器具有PID調節(jié)功能 壓力 圖1 水肥一體化系統(tǒng)組成 Fig 1 Composition of water and fertilizer integration system 43 第6期 1 鋁型材支架 2 電磁閥 3 空氣閥 4 水管以及管件 5 PLC控制柜 6 注肥泵 7 流量計 圖2 變頻器電柜邏輯控制圖 Fig 2 Logic control diagram of inverter cabinet 圖4 多通道比例施肥機機械部分示意圖 圖3 遠程控制網關 Fig 3 Remote control gateway 表的量程為0 1 0 MPa 對應 4 20 mA 的電流信 號輸出 直接接入變頻器模擬輸入端 變頻器電柜 的主要邏輯功能如圖 2 所示 具有遠程 本地 工 頻 變頻功能 圖 2 中 1KM 是工頻驅動接觸器 2KM 是變頻驅動接觸器 兩者具有互鎖功能 同一 時間只能有一個接觸器接通 1KA 是液位開關 當 水源缺水時 1KA 斷開 當撥盤開關切換到遠程控 制時 遠程觸點107接通 繼電器2KA的線圈通 電 變頻器 RUN 端子接通 變頻器開始工作 變 頻器檢測到的壓力可以輸出到 AO 端口 該端口接 入 PLC 的模量輸入端子即可監(jiān)控水壓的變動范圍 2 2 遠程控制網關設計 為實現(xiàn) PLC 的遠程控制功能 設計一個網關用 于 PLC 與手機通信 如圖 3 所示 網關的 CPU 采用 STM32F103 系列芯片 CPU 采用基于 RS485 的 PPI 協(xié)議與 PLC 連接 同時也采用 RS485 與具有 4G 2G GPRS 功能的 DTU 模塊通信 此類硬件組合應用廣 泛 可滿足遠程控制要求 8 網關構建了 PLC 與手 機進行交互連接的橋梁 實現(xiàn)手機實時監(jiān)控 PLC 從而控制多通道比例施肥機 2 3 多通道比例施肥機設計 由于農業(yè)的工作環(huán)境大多處于高溫高濕狀態(tài) 作 為整個系統(tǒng)的核心設備 多通道比例施肥機應具有 較高的可靠性 故選用西門子 smart 系列的 SR60 PLC 以及擴展模塊 AE08 作為施肥機的 CPU 威綸通觸 摸屏作為人機界面 設計多通道比例施肥機 多通 道比例施肥機整體尺寸為1 000 mm 900 mm 850 mm 按實現(xiàn)模塊可以分為機架結構 電氣部分 和水路結構 機架采用鋁型材結構 通過方管 直 角連接件 螺絲等配件安裝 整機安裝維護方便 多通道比例施肥機機械部分如圖4所示 羅海據(jù) 等 一種經濟型水肥一體化系統(tǒng)的設計 Fig 4 Mechanical structure diagram of multi channel proportional fertilizer applicator 1 2 3 4 5 67 44 現(xiàn)代農業(yè)裝備 2020年 施肥機的電氣部分采用多種保護措施保障電氣 安全 在田間野外環(huán)境工作 防雷措施是必不可少 的 因此電氣增加了浪涌保護裝置 針對偏遠地區(qū) 電壓不穩(wěn)定的情況 增加了自恢復過壓欠壓保護裝 置 為遠距離驅動電磁閥 采用 24 V 交流電壓對 電磁閥供電 2 3 1 多通道比例施肥機工作機制 水肥機工作時 首先啟動吸肥泵 打開入口電 磁閥 水流經過文丘里進入離心泵的入口 文丘里 的喉管從肥桶中吸肥 通過離心泵的增壓 將混合 的肥水經過單向閥注入主水管 9 主要器件的功能 如下 1 壓力變送器 肥桶的底部安裝了壓力變送器 通過測量溶液的壓力高度 間接測量肥桶的容量 2 流量計 主水管安裝流量計用于測量水的 流量并判斷管路水流是否正常 此外 可以根據(jù)水 流判斷是否存在管道堵塞 田間管道破裂等情況 3 吸肥電磁閥 根據(jù)用戶設定的配肥比例 結合主水管的流量計算需要從肥桶吸入的注肥量 當未達到需要的注肥量時 電磁閥接通 反之關閉 完成按比例注肥 4 進水電磁閥 肥桶頂部安裝進水電磁閥用 于注入清水 調和液態(tài)肥的濃度 5 排水電磁閥 肥桶底部安裝排水電磁閥用 于排出肥桶的沉積物 6 EC pH 儀表 EC pH 儀表用于測量主水 管道的 EC pH 值 作為判斷水肥比例濃度的輔助 依據(jù)和補充 2 3 2 多通道比例施肥機軟件設計 多通道比例施肥機軟件包含了手動控制 自動 控制等功能 功能結構如圖 5 所示 1 手動控制功能 手動控制功能可以直接控 制每個電磁閥的啟停 包括注水閥門 排水閥門 田間閥門 多通道比例施肥機閥門等 完成肥桶注 水 排水 灌溉 施肥功能 手動灌溉人機交互界 面如圖 6 所示 2 自動控制功能 自動控制功能包括自動注水 自動排水 澆肥小程序等 自動注水 用戶設定肥 桶的絕對或相對注水量 控制注水閥門完成該功能 自動排水 用戶設定肥桶的絕對或相對排水量 控 圖5 多通道比例施肥機軟件系統(tǒng)功能結構 Fig 5 Function structure diagram of software system of multi channel proportional fertilizer applicator 圖6 手動灌溉界面 Fig 6 Manual irrigation interface 制排水閥門完成該功能 澆肥小程序有兩種模式 一種是定時模式 用戶設定一個或多個田間灌區(qū)的 灌溉時長 然后設定施肥總量 系統(tǒng)自動計算施肥 速度完成施肥 另外一種是定量模式 用戶先設定 一個或多個田間分區(qū)的用水量 然后設定每個肥桶 的比例 系統(tǒng)自動計算出施肥量 在這兩種模式啟 動灌溉之前 檢測田間反饋的土壤墑情 系統(tǒng)根據(jù) 土壤墑情的設定值決定是否進行灌溉 自動灌溉設 置界面如圖 7 所示 2 4 PID算法設計 自動模式下澆肥小程序的兩種模式都需要計算 施肥比例 也是多通道比例施肥機的核心功能 配肥比例中灌溉用水量檢測依靠主水管的流量計直 45 第6期 圖7 自動灌溉界面 Fig 7 Automatic irrigation interface 圖8 現(xiàn)場設備安裝圖 Fig 8 Automatic irrigation interface 接得到 肥水的含量檢測依靠肥桶的高度變化量間 接得到 通過控制施肥通道電磁閥的通斷頻率來控 制施肥量 電磁閥的啟停若過于頻繁 容易造成電 磁閥損壞及吸肥流量的不穩(wěn)定 10 經過多次試驗 選擇 10 s 為單個注肥的采樣周期 得到比較穩(wěn)定 的吸肥量 施肥器同時檢測水管得 EC pH 值 當 EC pH 值超過設定范圍 將報警并停止灌溉 由于吸肥時 文丘里的吸肥量隨著主水管的流 量變化而變化 引起肥桶的液位高度產生波動 導 致實際施肥量和理論施肥量產生誤差 為了彌補該 誤差 引入增量式 PID 控制 11 當前周期的實際注 肥量計算方式如下 U k K p e k e k 1 K i e k 1 K d e k 2 e k 1 e k 2 1 式中 U k 為當前周期的實際注肥量 m 3 e k 為與 當前周期的偏差值 e k 1 為與上一周期的偏差值 e k 2 為與上上周期的偏差值 K p 為比例系數(shù) K i 為積 分系數(shù) K d 為微分系數(shù) 主水管在 K 周期灌水量 Q k 的計算公式 為 Q k V ik t 2 式中 Q k 為灌水量 m 3 T k 為采樣次數(shù) 取值為 10 t為采樣時間 s 取值為1 V ik 為當前 ik秒的采 樣流量 m 3 s 該參數(shù)通過讀取流量計得到 當前周期的需要注肥量 Q Fk Q k R F 其中 R F 是用戶設定的注肥比例 當前周期注肥桶反饋的 注肥量為 Q Rk 則 e k Q Fk Q Rk e k 1 Q Fk 1 Q Rk 1 e k 2 Q Fk 2 Q Rk 2 式中 Q Fk 1 是上周期的需要注肥量 Q Rk 1 是上周期注肥桶反饋的注肥量 Q Fk 2 是上上周期的 需要注肥量 Q Rk 2 是上上周期注肥桶反饋的注肥量 1K ik 1 3 系統(tǒng)實施與測 試 本文設計的經濟型水肥一體化系統(tǒng) 于 2019 年 8 月在江門新會陳皮村的三產融合產業(yè)園水肥一 體化項目中進行了系統(tǒng)實施與測試 系統(tǒng)覆蓋了 150 畝 1 畝 0 067 hm 2 的陳皮柑橘田 現(xiàn)場設備 安裝情況如圖 8 所示 主要設備參數(shù)如表 1 所示 多通道比例施肥機 增壓泵 過濾系統(tǒng) 灌溉方式 5通道 每個通道最大流量1 m 3 h 2臺離心水泵 1臺備用 7 5 kW 揚程40 m 流量25 m 3 h 自動反沖洗疊片過濾 自動反沖洗砂 石過濾 離心過濾器 尺寸均為2寸半 1寸 0 033 m 滴灌 4 L壓力補償?shù)晤^ 表1 系統(tǒng)配置 Tab 1 System configuration 項目 參數(shù) 整個水肥系統(tǒng)的管路在 0 30 MPa 的壓力下 管 路沒有發(fā)生滲漏現(xiàn)象 通過 3 種壓力下的測試 得 到變頻器輸出管道水壓的變化情況 如表 2 所示 羅海據(jù) 等 一種經濟型水肥一體化系統(tǒng)的設計 2 0 2 5 3 0 1 86 2 40 2 83 2 12 2 65 3 14 7 0 6 0 5 6 表2 管道壓力最大變動范圍 Tab 2 Maximum variation range of pipeline pressure 壓力設定 MPa 最小值 MPa 最大值 MPa 最大變動 范圍 本次試驗選取 20 000 L 灌溉總量 變頻器壓力 設定在 0 25 MPa 采用定量模式施肥 管道流量穩(wěn) 定的流量約是 20 000 L h 整個試驗過程約 1 h 經 過對最末端的10個滴頭采樣 平均出水量約3 85 L h 達到設計要求 末端出水器流量如表3所示 46 現(xiàn)代農業(yè)裝備 2020年 3 79 3 90 3 82 3 85 3 91 3 87 3 82 3 79 3 93 3 86 表3 末端出水器流量采樣值 Tab 3 Flow sampling value of end outlet 滴頭編號 流量 L 3 85 平均1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 第一個肥桶的配比是 1 50 第二個肥桶的配 比是 1 75 第三個肥桶的配比是 1 100 得到的曲 線如圖 9 所示 配肥比例的肥水輸出量在 100 s 左 右趨向穩(wěn)定 系統(tǒng)調節(jié)時間是100 s 在該次試驗中 系統(tǒng)調節(jié)時間過后 比較注肥量與設定值 在 1 個 采樣周期兩者的誤差不超過 10 管道的肥水基本 充分混合 滿足生產要求 圖9 不同配比情況下注肥量曲線 Fig 9 Fertilizer injection curves under different ratios 圖10 手機遠程控制界面 Fig 10 Remote control interface of mobile phone 4 結 論 1 本文研究的水肥一體化系統(tǒng) 采用恒壓供 水和多重過濾器為田間出水器提供穩(wěn)定壓力和干凈 水源 離泵房最末端的滴頭出水量平均約為 3 85 L 基本保證每個出水器均勻出水 使得目標獲得足夠 的肥水 2 多通道比例施肥機和變頻控電柜聯(lián)動 通 過本地觸摸屏或手機遠程控制多通道比例施肥機 實現(xiàn)自動灌溉和施肥 系統(tǒng)響應時間不超過 3 s 且在多種注肥比例的運行過程中 10 s 的注肥量與 設定值相差不超過 10 3 以壓力變送器作為測量施肥量的傳感器 結合增量 PID 算法得到配肥比例 滿足生產要求 性價比高 實用性較強 手機遠程控制測試中 手機界面可以控制各電 磁閥的通斷 設置自動灌溉參數(shù)并采集傳感器數(shù) 據(jù) 整個系統(tǒng)響應時間約 3 s 手機控制界面如圖 10 所示 a 1 50的注肥量曲線 b 1 75的注肥量曲線 c 1 100的注肥量曲線 體積 L 體積 L 時間 S 時間 S 體積 L 時間 S 47 第6期 Design of an Economic Water and Fertilizer Integration System Luo Haiju 1 Li Yue 1 Xie Qiubo 1 2 Zhong Linyi 1 2 1 Guangzhou Joinken Network Technology Development Co Ltd Guangzhou 510630 China 2 Guangdong Institute of Modern Agricultural Equipment Guangzhou 510630 China Abstract China has relative scarcity of water resources but as a agricultural power it needs large amount of water in agriculture accounting for 70 of total water consumption which causes a lot of unnecessary waste of water resources under the traditional diffuse irrigation mode of agriculture Implementing integrated water and fertilizer technology is one of the important measures to reduce the waste of water in agriculture An economical integrated water and fertilizer system was designed combined with remote control technology with equipment such as constant pressure water supply multi stage filter multi channel proportional fertilization machine and wireless gateway supplemented by electrical conductivity EC pH soil moisture in the field and other soil sensors When calculating the fertilization ratio the amount of fertilizer applied to the system varies according to the flow of water in charge Meanwhile it measures the liquid level height of fat barrel the amount of fertilizer applied indirectly with pressure transmitter realizing accurate fertilization by reducing the error of liquid level fluctuation in fat barrel with incremental PID algorithm Finally the system was tested The result showed that the system can ensure that the average water output of the outlet was not less than 3 85 L h the error between the fertilizer injection for 10 s and the set value was not more than 10 and the response time of the mobile phone remote control system was not more than 3s which met the production requirements as well as save water and fertilizer Key words integral control of water and fertilization intelligent irrigation fertilizer applicator constant pressure water supply long range control 參考文獻 1 易文裕 程方平 熊昌國 等 農業(yè)水肥一體化 的發(fā)展現(xiàn)狀與對策分析 J 中國農機化學報 2017 38 10 111 115 2 O SHAUGHNESSY S A KIM M ANDRADE M A et al Site specific irrigation of grain sorghum using plant and soil water sensing feedback Texas high plains J Agricultural Water Management 2020 240 106 273 3 陳滿 金誠謙 倪有亮 等 基于多傳感器的 精準變量施肥控制系統(tǒng) J 中國農機化學報 2018 39 1 59 60 4 李加念 洪添勝 馮瑞玨 等 基于脈寬調制的 文丘里變量施肥裝置設計與試驗 J 農業(yè)工程學 報 2012 28 8 105 110 5 徐瑞強 徐海東 董合林 等 液態(tài)有機肥與氮 肥配施對棉花生理特性及產量的影響 J 中國農 學通報 2019 35 13 42 47 6 邵偉 侯加林 李天華 等 肥水一體化滴灌系 統(tǒng)中過濾器技術的研究與進展 J 中國農機化學 報 2018 39 10 45 49 7 白蕾 孟嬌嬌 辛旗 基于PLC與變頻器的恒壓供 水系統(tǒng)設計 J 電子測量技術 2018 41 4 61 65 8 趙振宇 張國鈞 基于PPI協(xié)議和GPRS網絡的供 水管網遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計 J 儀表技術與傳感 器 2017 5 84 86 9 張曉明 鮑安紅 謝守勇 等 基于Fluent的文丘 里管結構參數(shù)對吸肥性能的影響 J 江蘇農業(yè)科 學 2017 45 18 208 210 10 周良富 金永奎 薛新宇 電磁閥開關模式下文 丘里施肥器吸肥特性研究 J 農業(yè)工程學報 2019 35 22 277 284 11 劉金琨 先進PID控制MATLAB仿真 M 北京 電子工業(yè)出版社 2004 羅海據(jù) 等 一種經濟型水肥一體化系統(tǒng)的設計