多通道水肥一體化施肥機(jī)定量定比混肥系統(tǒng)的研究*

盛文祥 ，彭 誠(chéng) ，儲(chǔ)開(kāi)念

（合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230000）

0 引言

水肥一體化施肥機(jī)是將施肥與灌溉多任務(wù)融合并行實(shí)現(xiàn)的一種現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械。雖然我國(guó)水資源總量高居世界第六，但是人均水資源占有量?jī)H為世界平均水平的28%[1]。其中，農(nóng)業(yè)用水不科學(xué)導(dǎo)致水資源利用率較低[2]。很多地方仍采用水肥分施，盲目追求施肥量，導(dǎo)致水肥資源的嚴(yán)重浪費(fèi)[3]。水肥一體化施肥機(jī)按照農(nóng)作物的不同生長(zhǎng)需求，可通過(guò)調(diào)控水肥的施加量來(lái)達(dá)到科學(xué)合理灌溉施肥的目的[4]。為了精確完成這一目標(biāo)，混肥系統(tǒng)的控制系統(tǒng)顯得尤為重要。傳統(tǒng)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)多采用對(duì)單一變量進(jìn)行控制的方式，這使得系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)單一，系統(tǒng)之間多變量溝通效率低，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)固化，調(diào)整升級(jí)難度大[5]。LabVIEW 采用圖形化編程語(yǔ)言，具有控制界面清晰、系統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)單以及與外部設(shè)備通信快速穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，使得開(kāi)發(fā)效率大大提高[6]。

本文對(duì)多通道水肥一體化施肥機(jī)混肥系統(tǒng)中各通道自動(dòng)定量定比混肥功能展開(kāi)研究，設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW 的多通道水肥一體化施肥機(jī)混肥系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多通道水肥定量定比控制，推進(jìn)了我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多通道水肥一體化施肥機(jī)各通道自動(dòng)定量定比混肥控制系統(tǒng)由傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集終端、控制模塊和上位機(jī)組成。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。

圖1 LabVIEW定量定比混肥系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)控制模塊采用西門(mén)子S7-200PLC，傳感器采用電流型傳感器，通過(guò)合理布置，將各通道所采集數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信傳遞到數(shù)據(jù)采集終端與上位機(jī)。上位機(jī)通過(guò)串口通信將控制指令傳遞到控制模塊，實(shí)現(xiàn)各通道水肥比例的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 軟件設(shè)計(jì)

軟件是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心之一，LabVIEW 廣泛應(yīng)用于測(cè)試與控制[7]，為保證軟件與硬件的無(wú)縫連接，本系統(tǒng)采用圖形化編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)控制程序的可視化編寫(xiě)，通過(guò)LabVIEW 內(nèi)置的傳感器數(shù)據(jù)采集模塊配置通道可以準(zhǔn)確方便地采集所需數(shù)據(jù)[8]。根據(jù)所選用的傳感器數(shù)據(jù)傳輸方式，本系統(tǒng)采用串口通信方式來(lái)采集pH 檢測(cè)儀、EC 計(jì)、流量計(jì)等設(shè)備傳回的數(shù)據(jù)信息，并反饋相應(yīng)的控制參數(shù)到電磁閥以調(diào)節(jié)開(kāi)度。本系統(tǒng)主要包括三大部分：數(shù)據(jù)采集與處理，關(guān)鍵數(shù)據(jù)可視化處理，主要參數(shù)調(diào)節(jié)控制。通過(guò)串口通信進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，通過(guò)LabVIEW 內(nèi)部公式節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。關(guān)鍵數(shù)據(jù)采用波形圖顯示，同時(shí)以數(shù)值的形式精確表達(dá)?？刂浦饕菍?duì)各通道成分占比的控制，針對(duì)多通道定量定比混肥系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，如下式所示。

其中，Xi為第i條通道液肥占比；aij為第i通道第j次采集得到的瞬時(shí)流量。

1.1.1 數(shù)據(jù)采集與處理

系統(tǒng)工作之前，首先要進(jìn)行端口配置，一般情況下采用默認(rèn)參數(shù)即可。串口配置完成后，VISA 即可正常讀取傳感器傳送到緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)[9]。讀取到有效數(shù)據(jù)后，以矩陣的形式存儲(chǔ)，如矩陣A，程序根據(jù)公式節(jié)點(diǎn)函數(shù)組按照建立起來(lái)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行處理，輸出各通道流量值、pH值等其他重要參數(shù)。

1.1.2 關(guān)鍵數(shù)據(jù)可視化處理

各通道流量數(shù)據(jù)用于最終計(jì)算各通道成分占比，是重要的源數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用波形圖結(jié)合數(shù)值顯示的方法實(shí)時(shí)反映各通道流量狀況[10]。水肥各成分占比能夠最直觀地反映系統(tǒng)的工作性能，因此采用波形圖實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各成分占比情況。

1.1.3 主要參數(shù)調(diào)節(jié)控制

系統(tǒng)根據(jù)傳感器采集到的各通道流量值計(jì)算各成分占比，并將其與設(shè)定值對(duì)比，超出誤差范圍時(shí)控制系統(tǒng)按照既定的數(shù)學(xué)模型通過(guò)調(diào)節(jié)各通道電磁閥開(kāi)度調(diào)節(jié)占比情況，直至占比處于誤差允許范圍。

1.2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)總體設(shè)計(jì)流程圖，多通道定量定比混肥系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。水肥一體化混肥系統(tǒng)共設(shè)計(jì)6路通道，共設(shè)有6 個(gè)pH 檢測(cè)儀、6 個(gè)EC 計(jì)、7 個(gè)流量計(jì)、1 個(gè)控制終端、若干個(gè)電磁閥。其中，控制終端用于控制數(shù)據(jù)的流向[11]。各支路通道通過(guò)電磁閥的開(kāi)度控制實(shí)現(xiàn)不同肥料與水的比例的控制。各通道傳感器位置按照如圖3 所示的傳感器分布圖進(jìn)行布置，其中，正方形代表pH 檢測(cè)儀，三角形代表EC 計(jì)，圓形代表流量計(jì)。

圖3 傳感器布置平面圖

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)主要包含三部分，主要程序框圖如圖4 所示。根據(jù)實(shí)際混肥系統(tǒng)控制原理，控制程序?yàn)楦鱾鞲衅髟O(shè)定唯一的串口，采集到的流量數(shù)據(jù)一方面以波形圖的方式顯示，一方面直接以數(shù)值形式顯示。根據(jù)采集及計(jì)算所得數(shù)據(jù)，系統(tǒng)以波形圖的形式顯示當(dāng)前60 s 內(nèi)的數(shù)據(jù)。為方便后續(xù)的統(tǒng)計(jì)分析與預(yù)測(cè)，程序?qū)⑺袛?shù)據(jù)寫(xiě)入TXT文檔保存。

圖4 主程序框圖

3 試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)?zāi)康募胺桨冈O(shè)計(jì)

在程序框圖設(shè)計(jì)完成的情況下，檢驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)際混肥控制能力能否達(dá)到預(yù)設(shè)值效果。如果各通道成分占比分布在預(yù)設(shè)值的合理范圍內(nèi)，則證明該控制程序能夠較好地完成預(yù)定任務(wù)。如果實(shí)際結(jié)果與預(yù)設(shè)值范圍差距較大，則重新檢查程序算法的正確性以及各傳感器的實(shí)際性能，改善之后重新進(jìn)行試驗(yàn)。因此，此次試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型的正確性與混肥系統(tǒng)的可靠性。

本次試驗(yàn)選用水泵功率為2.2 kW，揚(yáng)程為45 m，泵吸體積流量8 m3/h；pH檢測(cè)儀型號(hào)為pH-100，精確度為±0.01 pH；EC 傳感器型號(hào)為EC-1800，精確度為±1%FS；進(jìn)出口管道規(guī)格為DN40的PVC管。

3.2 測(cè)試試驗(yàn)

將測(cè)試的多通道混肥系統(tǒng)安裝在額定功率為2.2 kW 的水肥一體化施肥機(jī)中。試驗(yàn)于2023 年3 月在皖南煙葉種植基地進(jìn)行，對(duì)本控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的正確性與混肥系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了田間試驗(yàn)。定量定比混肥系統(tǒng)控制界面如圖5 所示，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖片如圖6所示。

圖5 定量定比混肥系統(tǒng)控制界面

圖6 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)，將該系統(tǒng)各通道按照系統(tǒng)原理圖連接，開(kāi)啟電源和水泵，啟動(dòng)施肥機(jī)。待系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，連續(xù)記錄各通道瞬時(shí)流量相鄰兩次數(shù)據(jù)，將其作為各通道肥料占比計(jì)算的源數(shù)據(jù)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)煙葉生長(zhǎng)所需肥料，本次試驗(yàn)使用同濃度的N、P、K 三種液態(tài)肥，并將設(shè)定值分別設(shè)定為34%、16%、50%。依據(jù)上述試驗(yàn)采集系統(tǒng)穩(wěn)定后各通道相鄰兩次瞬時(shí)流量數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 各通道瞬時(shí)流量連續(xù)采樣數(shù)據(jù)

通過(guò)公式（1）和公式（2）計(jì)算各通道肥料占比情況，并與系統(tǒng)設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比分析，建立表2。由表2 可知，三通道肥料最大誤差為2.7%，屬于允許誤差范圍，表明該系統(tǒng)定量定比控制有效?；旌虾蟮姆室簆H 值為6.26，EC 值為0.42，符合本次試驗(yàn)對(duì)象煙葉的最佳生長(zhǎng)環(huán)境，同時(shí)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性。

表2 各參數(shù)實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比及誤差

4 結(jié)論

1）本文設(shè)計(jì)了基于圖形化編程語(yǔ)言的多通道水肥一體化施肥機(jī)自動(dòng)定量定比混肥系統(tǒng)，框圖程序開(kāi)發(fā)效率高，控制界面可視化性能強(qiáng)。

2）本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多通道水肥一體化施肥機(jī)混肥系統(tǒng)的各通道成分占比控制，具有較高的控制精度。

3）通過(guò)迭代法計(jì)算各通道成分占比，縮短了系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)調(diào)節(jié)達(dá)到設(shè)定值范圍的時(shí)間，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率與穩(wěn)定性。