多通道比例施肥機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

謝永生，紀(jì)學(xué)偉

(大禹節(jié)水集團(tuán)股份有限公司，甘肅 酒泉 735000)

我國(guó)農(nóng)田有效灌溉面積達(dá)6 800 萬(wàn)hm2，居世界首位。噴灌、微灌等高效節(jié)水灌溉面積達(dá)0.22 億hm2，高效節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展進(jìn)入快車(chē)道。長(zhǎng)期以來(lái)，灌溉施肥方式粗放、水肥耦合效應(yīng)不足、肥料利用率偏低已成為我國(guó)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的瓶頸[1-3]。水肥一體化技術(shù)以其水肥同施、控制精準(zhǔn)、自動(dòng)化程度高及管理便捷等優(yōu)點(diǎn)成為我國(guó)高效節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要新技術(shù)[4, 5]，而實(shí)現(xiàn)水肥一體化的關(guān)鍵技術(shù)裝備之一是灌溉施肥裝置。與目前應(yīng)用比較廣泛的壓差式施肥罐、文丘里施肥器及比例注肥泵等相比，比例施肥機(jī)是將泵送系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)及肥液儲(chǔ)存混合系統(tǒng)等功能模塊高度集成的現(xiàn)代化、精準(zhǔn)化、智能化的施肥設(shè)備[6]。

目前，以色列、荷蘭等國(guó)外比例施肥機(jī)技術(shù)已十分成熟，但因其價(jià)格高昂難以滿足我國(guó)市場(chǎng)需求[7]。國(guó)內(nèi)對(duì)比例施肥機(jī)的研發(fā)起步相對(duì)較晚，但也開(kāi)發(fā)出多種類(lèi)的灌溉施肥產(chǎn)品，基本能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)肥液EC/pH的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，但仍存在性能參數(shù)(主要是施肥系統(tǒng)的穩(wěn)定性和均勻性)差異較大、自動(dòng)化程度不一等突出問(wèn)題，施肥系統(tǒng)穩(wěn)定性和均勻性有待提高[8]。因此，本文針對(duì)比例施肥機(jī)穩(wěn)定性和均勻性，以流量控制、壓力控制、EC/pH控制精度和濃度調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間為主要指標(biāo)，研制開(kāi)發(fā)一款多通道比例施肥機(jī)，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)一致，穩(wěn)定性和均勻性優(yōu)良，安裝使用便捷。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理設(shè)計(jì)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

多通道比例施肥機(jī)由泵送系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、肥液儲(chǔ)存混合系統(tǒng)及其他擴(kuò)展模塊組成。施肥機(jī)整體框架采用鋁合金型材制作，結(jié)構(gòu)輕盈，機(jī)械強(qiáng)度好。默認(rèn)設(shè)置4路母液通道(可擴(kuò)展)，其中3路為加肥通道、1路為加酸通道。多通道比例施肥機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多通道比例施肥機(jī)組成結(jié)構(gòu)圖

1.2 技術(shù)參數(shù)

多通道比例施肥機(jī)可用于大田、溫室、農(nóng)牧場(chǎng)等各種作物的精準(zhǔn)灌溉施肥，尤其是對(duì)于控制灌溉面積較大的人工草場(chǎng)，施肥效果更加。該裝備的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)表

1.3 工作原理

以肥液儲(chǔ)存混合系統(tǒng)及其他各組件為依托，按照系統(tǒng)設(shè)定的水肥比例，通過(guò)控制系統(tǒng)接收檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)送的水肥信息并實(shí)時(shí)反饋，對(duì)泵送系統(tǒng)工作時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)節(jié)控制，實(shí)現(xiàn)水肥及各母液的在線自動(dòng)混配和泵送，達(dá)到肥液精準(zhǔn)施放的目的。

2 系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)

2.1 泵送系統(tǒng)設(shè)計(jì)

泵送系統(tǒng)主要由吸肥泵、注肥泵組成，其中吸肥泵采用微型自吸泵，泵前端裝有小型過(guò)濾器，后端裝有流量計(jì)和止逆閥；注肥泵采用不銹鋼多級(jí)離心泵，因其高能效特性，對(duì)注入壓力和流量均有可靠保障；雙泵協(xié)同工作能夠保證施肥所需的流量和壓力，較傳統(tǒng)“文丘里+電磁閥”的吸肥方式具有受壓力、流量波動(dòng)影響小、肥料供給量大、抗堵塞性強(qiáng)、系統(tǒng)壓力零損耗、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)。

2.2 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)核心部件是EC/pH傳感器(置于檢測(cè)室)，創(chuàng)新采用探入式微管取樣器設(shè)計(jì)，既能保證檢測(cè)肥液的更新速率，又能有效避免因流速和壓力波動(dòng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響；檢測(cè)時(shí)通過(guò)取樣器上開(kāi)設(shè)的采樣孔在灌溉系統(tǒng)主管道上提取樣液，并通過(guò)小管引入檢測(cè)室進(jìn)行EC/pH檢測(cè)，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至控制系統(tǒng)，檢測(cè)后的樣液最終流入混肥桶(見(jiàn)圖2)。

圖2 探入式微管取樣器結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 肥液儲(chǔ)存混合系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肥液儲(chǔ)存混合系統(tǒng)包括4組母液桶(3組肥液桶、1組酸液桶)和1組混肥桶。母液桶為水肥混配、儲(chǔ)存容器，設(shè)有機(jī)械攪拌裝置，標(biāo)配母液桶容積為1 000 L；混肥桶為各母液配比、混合容器，依靠水流回路產(chǎn)生沖力實(shí)現(xiàn)拌和，標(biāo)配混肥桶容積為1 000 L，并可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行其他容積的選配；各桶均安裝液位傳感器，實(shí)時(shí)控制桶內(nèi)液量。

2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本施肥機(jī)采用PLC控制，由控制器、人機(jī)交互機(jī)、無(wú)線通信模塊、云端服務(wù)器等幾部分組成，包括自動(dòng)和手動(dòng)兩種工作模式(可隨意切換)。自動(dòng)控制主要通過(guò)EC/pH傳感器采集肥液EC和pH數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)化為4～20 mA電流信號(hào)傳給控制中心，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析運(yùn)算決策并發(fā)送給泵送系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)吸肥泵、注肥泵工作時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行施肥量的調(diào)節(jié)；手動(dòng)控制主要通過(guò)旋轉(zhuǎn)加液通道上的閥門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)施肥量；控制系統(tǒng)最多可控制8路母液通道，單路流量可達(dá)30 L/min，能夠滿足不同灌溉規(guī)模用戶的施肥需求；施肥機(jī)還裝有LED觸控屏作為人機(jī)交互界面，方便用戶操作和使用(見(jiàn)圖3)。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.5 軟件界面

控制系統(tǒng)軟件界面的首頁(yè)為操作主窗口，是多通道比例施肥機(jī)的組態(tài)畫(huà)面，屬于控制系統(tǒng)和用戶之間進(jìn)行信息交換的媒介。主要包括啟動(dòng)、停止、環(huán)境、灌溉設(shè)置、施肥管理、過(guò)濾設(shè)置等可操作模塊，同時(shí)顯示工作狀態(tài)、工作模式、聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)等信息及流量、壓力、水溫、EC、pH值及運(yùn)行時(shí)間等運(yùn)行參數(shù)。

在灌溉、施肥、過(guò)濾等參數(shù)設(shè)置界面，能夠進(jìn)行灌溉施肥等參數(shù)設(shè)置并保存，系統(tǒng)將按照設(shè)置完成保存后的參數(shù)運(yùn)行。

3 性能試驗(yàn)

3.1 系統(tǒng)壓力、流量相應(yīng)測(cè)試

將施肥機(jī)接入滴灌系統(tǒng)首部樞紐，位于過(guò)濾器組后端，施肥機(jī)進(jìn)水管與注肥管均連接到滴灌系統(tǒng)出水主管上，形成閉合回路。在注肥管末端(即靠近滴灌系統(tǒng)主管道處)安裝精密壓力表和水表，測(cè)定注肥管壓力和流量。施肥機(jī)系統(tǒng)中流量設(shè)施為3.6 m3/h，壓力分別設(shè)置為0.2、0.3、0.4 MPa。施肥機(jī)啟動(dòng)即開(kāi)始，每隔1 s記錄精密壓力表讀數(shù)。圖4為不同設(shè)置壓力下注肥管末端的壓力響應(yīng)曲線，由圖4可以看出，各設(shè)置壓力下，施肥機(jī)開(kāi)機(jī)2 s后，注肥管末端壓力均開(kāi)始上升，且壓力響應(yīng)時(shí)間隨設(shè)置壓力的增大而變長(zhǎng)。施肥機(jī)設(shè)置壓力為0.2、0.3和0.4 MPa時(shí)，注肥管末端壓力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間分別為9、11和14 s，各壓力達(dá)到穩(wěn)態(tài)后波動(dòng)幅度較小?？梢?jiàn)，施肥機(jī)系統(tǒng)壓力控制較好。

圖4 壓力響應(yīng)曲線

施肥機(jī)設(shè)置壓力調(diào)整為0.3 MPa，流量分別設(shè)置為1.8、3.6、5.4、7.2 m3/h。施肥機(jī)啟動(dòng)即開(kāi)始，每隔1 s記錄精密水表讀數(shù)。圖5為不同設(shè)置流量下注肥管末端的流量響應(yīng)曲線，由圖5可以看出，各設(shè)置流量下，施肥機(jī)開(kāi)機(jī)1 s后，注肥管末端流量均開(kāi)始上升，且流量響應(yīng)時(shí)間隨設(shè)置流量的增大而變長(zhǎng)。施肥機(jī)設(shè)置流量為1.8、3.6、5.4和7.2 m3/h時(shí)，注肥管末端流量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間分別為7、9、11和12 s，各流量達(dá)到穩(wěn)態(tài)后波動(dòng)幅度較小。可見(jiàn)，施肥機(jī)系統(tǒng)流量控制也較為穩(wěn)定。

圖5 流量響應(yīng)曲線

3.2 EC/pH響應(yīng)測(cè)試

在注肥管末端安裝EC計(jì)(分辨率0.01 mS/cm)和pH計(jì)(精度±0.01 )，分別進(jìn)行EC/pH響應(yīng)測(cè)試，測(cè)定施肥機(jī)的控制精度(即誤差)和濃度調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間。試驗(yàn)中，施肥機(jī)系統(tǒng)設(shè)置壓力為0.3 MPa，流量設(shè)置為3.6 m3/h。首先，以中量元素水溶肥(800倍稀釋)為試材，在施肥機(jī)上分別將EC值設(shè)為0.5～3.0 mS/cm，每0.5 mS/cm分為一檔，通過(guò)EC計(jì)分別測(cè)試注肥管末端實(shí)際EC值；再以腐殖酸液體肥(600倍稀釋)為試材，在施肥機(jī)上分別將pH值設(shè)為5.5～6.5(作物生長(zhǎng)適宜范圍)，每0.2分為一檔，通過(guò)pH計(jì)分別測(cè)試注肥管末端實(shí)際pH值。

如表2所示，測(cè)試范圍內(nèi)，施肥機(jī)EC控制精度在3.0%～6.0%內(nèi)小幅度波動(dòng)，濃度調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間106～118 s；pH控制精度在-0.09～0.08內(nèi)小幅度波動(dòng)，濃度調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間也在106～118 s范圍內(nèi)；EC/pH控制精度和濃度調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間均達(dá)到了較為先進(jìn)水平。可見(jiàn)，該施肥機(jī)EC/pH控制性能較優(yōu)，能夠滿足大田及溫室水肥一體化需求。

表2 EC/pH響應(yīng)測(cè)試表

4 結(jié) 論

(1)多通道比例施肥機(jī)采用PLC控制，適用性、耐候性和耐久性均較強(qiáng)，控制系統(tǒng)最多可擴(kuò)展至8路母液通道，能夠滿足大田、溫室等不同灌溉規(guī)模用戶的施肥需求。

(2)采用“吸肥泵+注肥泵”雙泵協(xié)同工作的泵送系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該施肥機(jī)啟動(dòng)后，注肥的壓力、流量能夠在很短時(shí)間就達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，且受灌溉系統(tǒng)主管道水流壓力、流量變化波動(dòng)影響較小，運(yùn)行穩(wěn)定，注肥均勻。

(3)檢測(cè)系統(tǒng)創(chuàng)新采用了探入式微管取樣器設(shè)計(jì)，EC控制精度<8%，pH控制精度為±0.1，EC/pH調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間<120 s，實(shí)現(xiàn)了水肥調(diào)節(jié)精準(zhǔn)、響應(yīng)快速的全自動(dòng)比例施肥的目標(biāo)。