農業電氣化中水電肥一體機的研究與應用

姜清哲

摘 要：文章分析了小麥、玉米周年灌溉施肥制度及在線精量配肥和灌溉施肥方法，研制和開發適合我國具體情況的、低成本的水電肥一體化專用設備，實現在線精量配肥、全自動化灌溉施肥功能，對提高肥料利用率，最大程度節水、節肥和節省成本，提高現代農業發展的經濟效益、社會效益和環境效益具有重大意義。

關鍵詞：水電肥一體機;樣機;應用;分析

水電肥一體機架上固定有精量配肥裝置、首部樞紐裝置和中央控制系統等部件，整機采用蓄電池供電，解決了田間動力供應問題，其一體機結構如圖1。

1.月巴料漏斗2.移動行走架液罐出水管10.母液罐進水管3.母液罐4.注肥泵5.主管道流量傳感器6.轉管道7.電磁閥8.支管道流量傳感器9.母11.攪拌電機12.工業平板13.EC值顯示器14.PH值顯示器15.控制箱16.充電器接口

1一體機樣機試制

在確定了樣機的整體設計方案和進行了關鍵零部件設計選型后，進行試驗臺搭建，經過加工、組裝，完成試驗臺的搭建工作。

在完成試驗臺搭建并進行試驗的基礎上，考慮到適應不同規模大田作業條件和提高穩定性、安全性，進行優化設計：整機尺寸和重量減小、防水性能增強、操作更簡便、更多可拆卸組裝部分，對其進行二代樣機的加工。現已完成試驗臺和一代樣機的加工與試驗，二代樣機正在軟件調試階段。

2田間作業試驗

2.1試驗方法設計

針對建立的灌溉施肥時間分配模型和肥料母液動態調控數學模型，進行灌溉施肥過程中動態性能試驗。

試驗地點在山東省泰安市岱岳區馬莊鎮省級農技推廣試驗基地，試驗現場如圖2所示，一體機的操作可在工業平板電腦上進行，可實現混肥配方、實時檢測、精量注肥等操作，整個過程實時采集的流量和EC值數據通過RS485總線上傳到工業平板電腦進行記錄。整個系統供電是由6塊12V、20A的直流蓄電池供電，可持續工作6-8小時。

2.2動態性能驗證

給定灌水量和施肥量情況下不同肥料的灌溉施肥的試驗，來驗證灌溉施肥時間分配模型的準確性和母液濃度能動性調控。根據對灌溉施肥時間分析，灌溉施肥分三階段進行作業分別是：先灌溉，再灌溉注肥，再灌溉。試驗使用當地井灌區潛水泵作為水壓源，潛水泵的流量是60m3/h。根據農藝以及作物長勢在單次灌溉施肥作業中確定追肥量為13kg，經計算灌水量是50m3，且注肥管道流量為10L/min，經上文母液濃度計算公式可以估算出母液濃度為0.2，公式（2-4）計算出母液EC值為1.08，試驗設定EC=1ms/cm。母液罐中裝有50L的清水，經測的清水的EC值為0.277ms/cm，母液罐的進水管和出液管通過控制電磁閥通斷和調節注肥泵的流量大小確保進出的流量相等，以使母液罐中保持50L水不變。以山東地區小麥為例，根據農藝要求，一般在拔節期追肥189kg/hm2。

根據上文確定第一階段灌溉時間是10min，可根據實際情況進行調整。根據第二階段灌溉施肥時間計算公式可以計算出第二階段的時間為23～120min，結合整個灌溉時間，我們取30min。剩余為第三階段的灌溉時間。灌溉作業時用秒表開始計時直到灌溉結束，同時EC傳感器對母液進行EC值測量并記錄數據，用EC值變化顯示灌溉施肥三個時間階段的變化。試驗結果如圖2所示。

圖中四種顏色曲線分別代表四種不同種類肥料在灌溉施肥過程中母液濃度的變化響應情況。其中黑色是水溶肥、藍色是小顆粒尿素、紅色是大顆粒尿素以及粉色是氯化鉀。從圖中EC值變化曲線可以看出灌溉施肥過程分為灌溉、灌溉施肥和灌溉三個階段。以小顆粒尿素為例，8min時排肥機構開始排肥，接近11min時母液罐中肥液的EC值達到設定值1ms/cm，這是第一階段灌溉時間。母液罐中肥液的EC值達到設定值時開啟注肥泵開始注肥，同時進水管電磁閥開啟，實現邊進水、邊排肥混肥、邊注肥，這是第二階段灌溉施肥時間，本階段持續時間較長，約為30min。剩余則是第三階段灌溉時間約為10min鐘。經對比，試驗數據與理論計算值基本吻合。同時，我們可以看出4種肥料基于自適應切換控制母液濃度達到穩態的時間分別約為2min、3min、4min和5min，這說明基于自適應切換控制的方法能夠根據不同肥料快速實現母液濃度的動態調控，可有效的減小延遲時間。

3結語

上文針對大田作物追肥過程中普遍使用的顆粒肥，根據大田灌溉施肥作業模式，設計了一種移動式灌溉施肥一體機，能夠進行田間灌溉施肥作業的即插即用，實現了全自動化灌溉施肥移動作業，進而擺脫了地域局限性，提高了機器使用率，同時，實現了大田范圍內定量補灌和施肥功能。

參考文獻：

[1] 劉紹鋒，朱蘭香.水肥一體化技術[J]. 山東農機化. 2018（05）.

[2] 劉峰，張明宇，宋爽，王強.移動灌溉施肥自動化一體機的研制[J]. 南方農機. 2019（13）.

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