一體化全自動灌溉施肥機設計與試驗

金永奎，盛斌科

(1.農業部南京農業機械化研究所，南京 210014；2.江西沃邦農業科技有限公司，江西 鷹潭 335000)

0 引 言

我國水資源總量較多，但人均占有量不足，時空分布不均，農業用水緊缺狀況嚴重，同時灌溉施肥方式粗放、水肥耦合效應差，肥料利用率低[1]。水肥一體化技術是將灌溉與施肥融為一體、根據作物需求對水分和養分進行綜合調控和一體化管理、實現水肥耦合的新技術，具有節水、省肥、省工、增產、提高水肥利用效率、作物品質及減少環境污染等優勢。近年來，水肥一體化技術在世界范圍內快速發展，除了在以色列、美國、澳大利亞、西班牙、法國等經濟發達國家發展較快，在我國和印度等發展中國家，特別是干旱缺水嚴重地區，發展尤為迅速[2]。目前在我國已有壓差式施肥罐、文丘里施肥器、高壓注肥泵、活塞式比例施肥泵和自動施肥機等多種水肥一體化設備[3-7]，有單通道、多通道、機械注入式、自動配肥式和智能配肥式等多種形式，采用了經驗決策、時序控制、環境參數、模型決策等控制決策方法[8-10]。

上述灌溉施肥設備實現了水肥一體化功能，但性能參數相差很大，自動化程度不一。目前灌溉系統首部是由水泵、施肥機、過濾器、控制系統、管道配件等幾個獨立的部分組成，在工程設計時，這幾個部分往往不是同一個企業生產，在功能、參數、通訊方面不能很好地協同工作，給設計人員帶來很大的困擾；在操作時，使用者要根據幾個部分的各自要求分別設置參數，在出現故障時也會出現責任不清、互相推諉的情況[11-15]。針對上述不足，本文設計了一套針對小型地塊(面積不超過20ha)集灌溉、施肥、過濾、自動控制等系統在一個裝置內的一體化灌溉施肥機，實現了一套裝置替代泵房內主要設備，達到標準一致，安裝使用簡便。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

一體化全自動灌溉施肥機整體結構如圖1所示，主要由灌溉系統、配肥系統、信息采集系統、自動控制系統和一體化殼體等部件組成。

1-進水接口；2-控制系統；3-觸摸屏；4-一體化殼體；5-肥液箱；6-主管流量計；7-壓力傳感器；8-過濾器；9-EC傳感器；10-出水接口；11-施肥流量計；12-施肥泵；13-灌溉泵圖1 一體化全自動灌溉施肥機組成結構圖Fig.1 Composition and structure chart of integrated automatic irrigation fertilizer applicator

1.2 技術參數

一體化全自動灌溉施肥機主要針對各種作物的精準灌溉和施肥，以提高水肥施用精度和管理水平為目的。裝備的主要技術參數(WB-YT-50型)如表1 所示。

1.3 工作原理

采用變頻技術根據壓力、流量、EC等多參數對灌溉泵進行綜合調控，實現按需定量精準灌水；基于變量注入式混肥技術，按照設定的水肥比例，通過控制系統接受水肥信息反饋，對施肥量進行無級控制，實現水、肥在線自動混合、濃度可控，達到對灌溉、施肥精準控制的目的。灌溉泵通過變頻控制壓力，由用戶設定，運行中保持壓力恒定，灌溉泵的流量根據田間的灌溉面積自動調節。施肥泵通過變頻控制流量，根據主管的水量自動調節施肥泵的流量，達到設定的比例。當主管流量變化時，施肥泵流量也跟隨變化。

表1 主要技術參數Tab.1 Main technical parameters

2 系統部件設計

施肥機由灌溉系統、配肥系統、自動控制系統和一體化殼體組成。

2.1 灌溉系統設計

灌溉系統由灌溉泵、進出水管、過濾器、閥門及壓力、流量、EC傳感器等組成。灌溉泵類型選用自吸離心泵，在首次使用時灌完引水，以后就可自動工作，不需要頻繁加水，適合自動化控制。

2.1.1 灌溉系統流量和壓力設計

由于一體化裝置中設備是固定不變的，一旦確定就不能隨意變動，同時兼顧標準化生產，因而流量和壓力選型特別重要。

目前水肥一體化系統的灌溉形式一般為滴灌或微噴灌，以灌溉形式為滴灌和種植作物為蔬菜作為計算依據。根據有關規范、標準[16]，各技術參數確定為如表2。

表2 設計技術參數Tab.2 Design technical parameters

系統流量計算過程如下：

(1)設計灌水定額m。

m=0.1γzp(θmax～θmin)/η

式中：m為設計灌水定額，mm；θmax、θmin為適宜土壤含水率上下限，最大田間持水量取為27%，適宜土壤含水率上下限百分比取為90%和65%，則θmax=24.3%，θmin=17.55%；

由以上各參數，得到地塊的設計灌水定額：m=18.7 mm，取m=19 mm。

(2)設計灌溉周期T。

T=mη/Ea

系統設計日耗水強度Ea=5 mm/d，則：T=3.6 d，取T=3 d。

(3)系統流量計算。水泵理論流量可由下式計算：

Q泵=10kAm/T/C

式中：A為水泵控制面積，hm2；m-灌水定額，mm，取19 mm；T為灌水周期，d，取3 d；C為每天凈灌水時間，取C=12 h；k為土地實際利用率，取0.8。

經計算，面積為4、10、20 hm2的水泵理論流量分別為17.9、42.2、84.4 m3/h。

考慮到實際使用中需滿足微噴灌的情況，微噴灌首部工作壓力大于0.3 MPa，水泵揚程適當加大，水泵各參數見表3。

表3 水泵性能參數Tab.3 Performance parameters of pumps

2.1.2 過濾器選擇

過濾器受空間限制采用單級或雙級配置，選用疊片或網式過濾器，流量根據型號不同分別選取25、50、100 m3/h。如果水質較差，需采用三級過濾時，可在疊片過濾器前增加一級砂石過濾器，在后增加一級網式過濾器。

管道、閥門、傳感器及配件根據不同型號選擇相應規格。

2.2 施肥系統設計

施肥系統由施肥泵、流量傳感器、肥料箱、單向閥和連接管道組成。

2.2.1 施肥系統流量和壓力設計

清朝初年，著名藏書家孫從添總結古人藏書經驗，并加以系統整理后，撰寫了中國第一部全面論述藏書技術的理論著作《藏書紀要》。該書詳細介紹古人藏書在購求、鑒別、鈔錄、校讎、裝訂、編目、收藏和曝書等方面的經驗，對后世的古籍整理具有重要的參考價值。特別是相關術語和準則，至今仍在延用。

施肥濃度比例一般為1∶20～1∶1 000，所以對應三種規格，施肥泵的流量不能小于1.25、2.5、5 m3/h，揚程要大于主管的實際工作壓力，主管工作壓力一般最大為0.4 MPa，因此施肥泵揚程不小于50 m，類型采用多級離心泵。

2.2.2 肥料箱設計

一般一個灌溉小區的面積為0.4 ha左右，每公頃灌水量按150 m3、正常施肥時濃度為1/1 000計算，一個小區每次需肥量為60 L。因此施肥機內置肥料箱容積設計成80 L。當施肥量較大或考慮配置肥料母液時，則需要肥料箱容積更大，可采用外置式肥料桶，通過管道與施肥機連接。

2.3 自動控制系統設計

2.3.1 系統組成

自動控制系統包括控制器、灌溉變頻器、施肥變頻器、觸摸屏、各種傳感器、連接線路和控制軟件等，這些設備布置在一體化灌溉施肥機內，同時連接外置的空氣溫濕度、土壤水分、EC等傳感器和電磁閥等。基本配置可通過有線或無線方式控制多路田間控制器，預留可擴展控制端口(接入遠程電磁閥、物聯網控制等)。

控制系統原理及硬件組成見圖2。

圖2 控制系統原理及硬件組成Fig.2 Principle and hardware composition of control system

2.3.2 控制流程

自動灌溉施肥機的主要功能是灌溉和施肥，在實際使用時分2種情況，一種是只灌溉，不需要施肥，一種是按一定比例水肥同施，因而要針對這2種情況分別編制不同的控制流程和程序。

施肥一般采用三段法，即灌水-施肥-灌水，有利于肥液均勻分布且灌溉管路中無殘留。先選擇需施肥電磁閥，設定灌水時間、灌水壓力、施肥時間、施肥比例等各項參數，程序即可自動運行，可根據灌溉流量自動調節施肥流量，自動保持設定的比例，達到變量同比例施肥。能滿足不同作物、同種作物不同生育期水肥需求。

圖3 控制流程圖Fig.3 Control flow chart

2.3.3 軟件界面

控制系統的軟件界面首頁面為主窗口，是一體機的組態畫面，包括一體機、水源、化肥、農藥和管道、閥門等，水泵、電磁閥等設備的開關按鍵，同時顯示溫濕度、風速風向等環境參數和頻率、壓力、EC、流量等運行參數。

圖4 軟件主界面Fig.4 Software Main Interface

在參數設置界面，可設置各種運行參數并存儲，系統按設定的參數運行。

圖5 參數設置界面Fig.5 Parameter Setting Interface

2.4 一體化殼體設計

一體化灌溉施肥機把灌溉系統、配肥系統和自動控制系統集成在一個裝置內，各個部件要合理布置，才能很好地運行，并且便于操作和維護，所以要根據各個部件的結構、尺寸進行總體設計。

灌溉水泵位于前下部，進水管、出水管與水泵相連接，固定在支架上，出水管上安裝壓力、流量、EC等傳感器，做好相應的支撐。施肥泵位于后下部，施肥泵的進肥口與肥料箱相連接，出肥口與主管相連接，在出肥管上安裝流量傳感器和單向閥。肥料箱位于上部，容積80 L以上，根據型號有所不同，同時留有外置肥料吸入接口，如果施肥量較大，可通過配置外置式施肥桶解決。在前上部安裝變頻器和控制器等控制系統部件。過濾器由于需要經常維護，所以安裝在殼體后部的外部，便于操作。

根據上述設計生產的產品實體見圖6。

圖6 產品實體圖Fig.6 Prototype picture

3 性能試驗

通過性能試驗，可檢測施肥機壓力、流量和水肥配比濃度的響應速度、穩定性和精度，得出施肥機性能。

3.1 試驗條件

試驗于2018 年10月在江西沃邦農業科技有限公司試驗車間內進行，搭建了一套試驗裝置，如圖7所示。以施肥機為核心，進水管與施肥機進水口連接，出水管與出水口連接，為了精確測定肥液吸入量，采用外置式肥料桶，吸肥口與肥料桶通過管道連接。在出水管上安裝精密壓力表、水表和閥門各一只，測定出水管的壓力和流量，在吸肥管上安裝水表、過濾器和閥門各1只，測定吸肥管的流量。

1-進水管；2-一體化灌溉施肥機；3-精密壓力表；4-主管水表；5-肥液桶；6-施肥管水表圖7 試驗裝置Fig.7 Test device

3.2 系統壓力響應測試

3.2.1 試驗方法

在施肥機控制系統中分別設置壓力為0.1、0.2、0.3 MPa，調節出水管閥門至合適位置，保持流量為20 m3/h。啟動施肥機，每隔1 s記錄精密壓力表和施肥機壓力顯示值。

3.2.2 結果分析

圖8是流量為20 m3/h時，不同壓力下的響應曲線。由圖8可知：在不同的設定壓力下，達到穩態時的響應時間不同，壓力越大響應時間越長，在0.1、0.2、0.3MPa時達到穩態的時間分別為13、15、18 s；在各個壓力達到穩定狀態后，壓力波動較小，說明系統控制較好；在每個壓力下，精密壓力表和施肥機壓力顯示值最大偏差小于3%，說明壓力控制精度較高。在試驗條件下，管路較短，所以響應時間也短，波動也較小，在田間實際應用時根據管路布置情況，以上數據會有較大變化。

圖8 壓力響應曲線Fig.8 Pressure response curve

3.3 系統流量響應測試

3.3.1 試驗方法

在施肥機控制系統中設置工作壓力為0.2 MPa，調節出水管閥門至合適位置，使得流量分別為10、20、30 m3/h。啟動施肥機，每隔1 s記錄出水管水表和施肥機流量顯示值。

3.3.2 結果分析

圖9是壓力為0.2 MPa時，不同流量下的響應曲線。由圖9可知：在不同的設定流量下，響應時間不同，流量越大響應時間越長，在流量10、20、30 m3/h時達到穩態的時間分別為12、15、18 s；在各個流量達到穩定狀態后，流量波動較小，說明系統控制較好；在每個流量下，水表測得流量和施肥機流量顯示值最大偏差小于5%，說明精度較高。

圖9 流量響應曲線Fig.9 Flow response curve

3.4 水肥配比響應測試

3.4.1 試驗方法

在施肥機控制系統中分別設置水肥比例為1∶500、1∶100，調節出水管閥門至合適位置，使得壓力0.2 MPa，流量為20 m3/h。啟動施肥機，當主管壓力和流量穩定后，啟動施肥泵，每隔2s記錄出水管水表、吸肥管水表和施肥機肥水比例顯示值。

3.4.2 結果分析

圖10是壓力為0.2 MPa，流量為20 m3/h，不同肥水比例下的響應曲線。由圖10可知：在不同的設定肥水比例下，響應時間不同，肥水比例越大響應時間越長，1∶500和1∶100時達到穩態的時間分別為20 s和32 s；在各個肥水比例達到穩定狀態后，由于灌溉泵流量和吸肥流量均在小幅度波動，所以肥水比例也隨之波動，但波動同幅度較小，與壓力、流量相比較難控制；在每個肥水比例下，水表測得肥水比例和施肥機肥水比例顯示值偏差不大，最大偏差不超過5%，精度較好。

圖10 水肥比例響應曲線Fig.10 Fertilizer-water proportional response curve

4 結 論

(1)在現有水肥一體化設備的基礎上，創新設計了一種集灌溉、施肥、過濾、全自動控制在一個裝置內的一體化灌溉施肥機，該裝備大大簡化了水肥一體化系統首部設備的設計和安裝，方便了使用者操作，實現了水、肥精量控制。

(2)對一體機的灌溉、施肥等系統部件進行了設計計算和選型。自動控制系統有多種控制模式，配置了變頻器、電磁閥、流量、壓力、EC等多種傳感器，設計了相應的控制軟件，適合各種規模的灌溉系統。

(3)試驗表明: 設定壓力(0.3 MPa)、流量(30 m3/h)、肥水比例(1∶100)達到穩態的響應時間分別為18、18、32 s ，系統測量值與實測值偏差分別小于為3%、5%、5% ，該設備實現了全自動化控制和水、肥精量調節，響應速度較快，精度較高，能滿足精量灌溉施肥的要求。

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