一种经济型水肥一体化系统的设计.pdf

41 现代农业装备第41卷 第6期 2020年12月 VOL 41 No 6 Dec 2020Modern Agricultural Equipment 一种经济型水肥一体化系统的设计 罗海据 1 李 越 1 谢秋波 1 2 钟林忆 1 2 1 广州市健坤网络科技发展有限公司 广东 广州 510630 2 广东省现代农业装备研究所 广东 广州 510630 摘 要 我国作为农业大国 农业用水量巨大 占总用水量的70 传统农业漫灌模式造成了大量不必 要的水资源浪费 实施水肥一体化技术是减少农业用水浪费的重要举措之一 采用恒压供水 多级过滤 器 多通道比例施肥机和无线网关等设备 辅以电导率 EC 酸碱度 pH 田间土壤墒情等土壤传 感器 结合远程控制等技术 设计一种经济型水肥一体化系统 该系统在计算施肥比例时 施肥量可根 据主管水流量而变化 同时利用压力变送器测量肥桶液位高度间接得到施肥量 通过增量PID算法减少肥 桶液位波动产生的误差 实现精准施肥 试验结果表明 该系统能保证出水器的平均出水量不小于3 85 L h 10 s采样周期的注肥量和设定值相比误差不超过10 手机远程控制系统响应时间不超过3 s 达到生 产要求的同时节水节肥 关键词 水肥一体化 智能灌溉 施肥机 恒压供水 远程控制 中图分类号 S24 文献标识码 A 文章编号 1673 2154 2020 06 0041 07 0 引 言 中国是水资源缺乏的国家 传统的灌溉方式下 农业用水量巨大 导致大量不必要的浪费 因此 借鉴国外先进农业生产模式 实施水肥一体化技术 是解决农用水资源浪费的重要措施 近年来 国家 对水肥一体化技术高度重视 先后出台了 国家农 业节水纲要 2012 2020 年 国办发 2012 55 号 关于加快转变农业发展方式的意见 国 办发 2015 59 号 等多个文件 对发展节水农业 促进水肥一体化技术推广应用提出明确要求 1 国 内外对水肥一体化技术研究较多 也取得了一定的 成果 国外学者将数据采集与监视控制系统应用于 农业灌溉调度 ISSCADA 利用无线传输技术采 集土壤 气候信息和植物反馈信息进行灌溉调度 明显地优化了亩产量 作物水分生产率和灌溉用水 效率 2 陈满等 3 以 STM32F103ZET6 微处理器为 核心 搭配 GPS 定位模块 作物生理信息监测模块 温湿度与光照度监测以及施肥机构监测模块 实现 基于实时数据监测的变量施肥控制 李加念等 4 采 用基于脉宽调制 pulse width modulation PWM 技术设计一种水肥一体化变量施肥装置 主要由压 力变送器 文丘里施肥器 脉冲电磁阀及控制器组 成 通过改变 PWM 的占空比对脉冲电磁阀进行控 制 可改变文丘里施肥器的进出口压力差 从而改 变其吸肥量 在总结前人研究的基础上 本文针对 实际生产中需要对农作物按一定比例施多种液态肥 的需求 5 以水肥一体化在田间灌溉应用为对象 以实现自动灌溉与精准控肥为目的 研究一种经济 型水肥一体化系统 收稿日期 2020 11 02 基金项目 广州市科技计划项目 201803020023 广东省乡村振兴战略专项 粤财农 2020 39号 广州国家 现代农业产业科技创新中心创建项目 2018kczx03 作者简介 罗海据 1977 男 硕士研究生 工程师 主要从事水肥一体化系统 嵌入式系统研究 E mail luohj e 通讯作者 钟林忆 1990 男 硕士研究生 信息系统项目管理师 高级 主要从事农业信息化与智能农 业装备技术集成与应用 E mail zhongly e 42 现代农业装备 2020年 1 设计原理 水肥一体化系统一般由首部 田间管道 电磁 阀工程 施肥模块以及数据采集模块等部分组成 首部包括增压泵 变频器电柜 过滤器 流量计等 田间管道包括主管 支管 毛管和出水器等 电磁 阀工程包括田间电磁阀 供电控制线路或者太阳能 供电控制等 施肥模块包括多通道比例施肥机 肥 液桶以及压力变送器等 系统组成如图 1 所示 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16171819202122232425 1 水源 2 离心过滤器 3 增压泵 4 沙石过滤器 5 球阀 6 叠片过滤器 7 流量计 8 EC仪表 9 pH仪表 10 压力表 11 主管 12 田间电磁阀 13 支管 14 毛管 15 出水器 16 土壤墒情 17 单向阀 18 注肥泵 19 多通道比例施肥机入口电磁阀 20 文丘里吸肥器 21 进水电磁阀 22 肥桶 23 排水电磁阀 24 压力变送器 25 吸肥电磁阀 施肥模块中 多通道比例施肥机的施肥泵从主 水管抽水 水流过文丘里喉管时产生负压 从而将 肥水从肥桶吸出 通过调节肥水管路的通断时间 控制吸肥量达到设定的水肥比例 同时多通道比例 施肥机用流量计测量灌溉主水管的水流速度和灌溉 总量 作为比例施肥和判断管路故障的重要依据 EC pH 仪表检测肥液的电导率和酸碱值 作为配 肥浓度的辅助依据 田间管路网络和出水器将水肥输送到植物根 部 由于田间面积比较大 为保证水量和水压满足 每个出水器的要求 需要将田间进行分区管理 用 电磁阀控制对应灌区水流的通断 离心过滤器过滤较大颗粒的杂质 如砂子等 砂石过滤器可以将水源的有机质过滤 叠片过滤器 将水源中 100 目以下的杂质过滤 三级过滤可有效 保护管道和出水器不被阻塞 6 土壤墒情传感器通过 4 20 mA 信号和多通道 比例施肥机进行连接 多通道比例施肥机可以根据 田间的土壤墒情判断灌溉用水量 用户也能根据未 来天气预报的情况控制多通道比例施肥机的运行 2 系统设计 为实现自动灌溉与精准控肥 基于水肥一体化 系统组成及原理 重点对恒压供水 远程控制网关 多通道比例施肥机 配肥比例控制算法等环节进行 研究与设计 通过技术集成形成了一种新的经济型 水肥一体化系统 2 1 恒压供水设计 恒压供水技术比较成熟 一般选用具有 PID 调 节功能的变频器获得比较稳定的水压和流量 7 灌 溉首部的变频器电柜 增压泵和压力表组成闭环系 统 为田间管道提供稳定的流量和水压 保证田间 出水器以稳定的流量灌溉 变频器电柜采用 ABB ACS510系列 该变频器具有PID调节功能 压力 图1 水肥一体化系统组成 Fig 1 Composition of water and fertilizer integration system 43 第6期 1 铝型材支架 2 电磁阀 3 空气阀 4 水管以及管件 5 PLC控制柜 6 注肥泵 7 流量计 图2 变频器电柜逻辑控制图 Fig 2 Logic control diagram of inverter cabinet 图4 多通道比例施肥机机械部分示意图 图3 远程控制网关 Fig 3 Remote control gateway 表的量程为0 1 0 MPa 对应 4 20 mA 的电流信 号输出 直接接入变频器模拟输入端 变频器电柜 的主要逻辑功能如图 2 所示 具有远程 本地 工 频 变频功能 图 2 中 1KM 是工频驱动接触器 2KM 是变频驱动接触器 两者具有互锁功能 同一 时间只能有一个接触器接通 1KA 是液位开关 当 水源缺水时 1KA 断开 当拨盘开关切换到远程控 制时 远程触点107接通 继电器2KA的线圈通 电 变频器 RUN 端子接通 变频器开始工作 变 频器检测到的压力可以输出到 AO 端口 该端口接 入 PLC 的模量输入端子即可监控水压的变动范围 2 2 远程控制网关设计 为实现 PLC 的远程控制功能 设计一个网关用 于 PLC 与手机通信 如图 3 所示 网关的 CPU 采用 STM32F103 系列芯片 CPU 采用基于 RS485 的 PPI 协议与 PLC 连接 同时也采用 RS485 与具有 4G 2G GPRS 功能的 DTU 模块通信 此类硬件组合应用广 泛 可满足远程控制要求 8 网关构建了 PLC 与手 机进行交互连接的桥梁 实现手机实时监控 PLC 从而控制多通道比例施肥机 2 3 多通道比例施肥机设计 由于农业的工作环境大多处于高温高湿状态 作 为整个系统的核心设备 多通道比例施肥机应具有 较高的可靠性 故选用西门子 smart 系列的 SR60 PLC 以及扩展模块 AE08 作为施肥机的 CPU 威纶通触 摸屏作为人机界面 设计多通道比例施肥机 多通 道比例施肥机整体尺寸为1 000 mm 900 mm 850 mm 按实现模块可以分为机架结构 电气部分 和水路结构 机架采用铝型材结构 通过方管 直 角连接件 螺丝等配件安装 整机安装维护方便 多通道比例施肥机机械部分如图4所示 罗海据 等 一种经济型水肥一体化系统的设计 Fig 4 Mechanical structure diagram of multi channel proportional fertilizer applicator 1 2 3 4 5 67 44 现代农业装备 2020年 施肥机的电气部分采用多种保护措施保障电气 安全 在田间野外环境工作 防雷措施是必不可少 的 因此电气增加了浪涌保护装置 针对偏远地区 电压不稳定的情况 增加了自恢复过压欠压保护装 置 为远距离驱动电磁阀 采用 24 V 交流电压对 电磁阀供电 2 3 1 多通道比例施肥机工作机制 水肥机工作时 首先启动吸肥泵 打开入口电 磁阀 水流经过文丘里进入离心泵的入口 文丘里 的喉管从肥桶中吸肥 通过离心泵的增压 将混合 的肥水经过单向阀注入主水管 9 主要器件的功能 如下 1 压力变送器 肥桶的底部安装了压力变送器 通过测量溶液的压力高度 间接测量肥桶的容量 2 流量计 主水管安装流量计用于测量水的 流量并判断管路水流是否正常 此外 可以根据水 流判断是否存在管道堵塞 田间管道破裂等情况 3 吸肥电磁阀 根据用户设定的配肥比例 结合主水管的流量计算需要从肥桶吸入的注肥量 当未达到需要的注肥量时 电磁阀接通 反之关闭 完成按比例注肥 4 进水电磁阀 肥桶顶部安装进水电磁阀用 于注入清水 调和液态肥的浓度 5 排水电磁阀 肥桶底部安装排水电磁阀用 于排出肥桶的沉积物 6 EC pH 仪表 EC pH 仪表用于测量主水 管道的 EC pH 值 作为判断水肥比例浓度的辅助 依据和补充 2 3 2 多通道比例施肥机软件设计 多通道比例施肥机软件包含了手动控制 自动 控制等功能 功能结构如图 5 所示 1 手动控制功能 手动控制功能可以直接控 制每个电磁阀的启停 包括注水阀门 排水阀门 田间阀门 多通道比例施肥机阀门等 完成肥桶注 水 排水 灌溉 施肥功能 手动灌溉人机交互界 面如图 6 所示 2 自动控制功能 自动控制功能包括自动注水 自动排水 浇肥小程序等 自动注水 用户设定肥 桶的绝对或相对注水量 控制注水阀门完成该功能 自动排水 用户设定肥桶的绝对或相对排水量 控 图5 多通道比例施肥机软件系统功能结构 Fig 5 Function structure diagram of software system of multi channel proportional fertilizer applicator 图6 手动灌溉界面 Fig 6 Manual irrigation interface 制排水阀门完成该功能 浇肥小程序有两种模式 一种是定时模式 用户设定一个或多个田间灌区的 灌溉时长 然后设定施肥总量 系统自动计算施肥 速度完成施肥 另外一种是定量模式 用户先设定 一个或多个田间分区的用水量 然后设定每个肥桶 的比例 系统自动计算出施肥量 在这两种模式启 动灌溉之前 检测田间反馈的土壤墒情 系统根据 土壤墒情的设定值决定是否进行灌溉 自动灌溉设 置界面如图 7 所示 2 4 PID算法设计 自动模式下浇肥小程序的两种模式都需要计算 施肥比例 也是多通道比例施肥机的核心功能 配肥比例中灌溉用水量检测依靠主水管的流量计直 45 第6期 图7 自动灌溉界面 Fig 7 Automatic irrigation interface 图8 现场设备安装图 Fig 8 Automatic irrigation interface 接得到 肥水的含量检测依靠肥桶的高度变化量间 接得到 通过控制施肥通道电磁阀的通断频率来控 制施肥量 电磁阀的启停若过于频繁 容易造成电 磁阀损坏及吸肥流量的不稳定 10 经过多次试验 选择 10 s 为单个注肥的采样周期 得到比较稳定 的吸肥量 施肥器同时检测水管得 EC pH 值 当 EC pH 值超过设定范围 将报警并停止灌溉 由于吸肥时 文丘里的吸肥量随着主水管的流 量变化而变化 引起肥桶的液位高度产生波动 导 致实际施肥量和理论施肥量产生误差 为了弥补该 误差 引入增量式 PID 控制 11 当前周期的实际注 肥量计算方式如下 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 为当前周期的实际注肥量 m 3 e k 为与 当前周期的偏差值 e k 1 为与上一周期的偏差值 e k 2 为与上上周期的偏差值 K p 为比例系数 K i 为积 分系数 K d 为微分系数 主水管在 K 周期灌水量 Q k 的计算公式 为 Q k V ik t 2 式中 Q k 为灌水量 m 3 T k 为采样次数 取值为 10 t为采样时间 s 取值为1 V ik 为当前 ik秒的采 样流量 m 3 s 该参数通过读取流量计得到 当前周期的需要注肥量 Q Fk Q k R F 其中 R F 是用户设定的注肥比例 当前周期注肥桶反馈的 注肥量为 Q Rk 则 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 是上周期注肥桶反馈的注肥量 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馈的注肥量 1K ik 1 3 系统实施与测 试 本文设计的经济型水肥一体化系统 于 2019 年 8 月在江门新会陈皮村的三产融合产业园水肥一 体化项目中进行了系统实施与测试 系统覆盖了 150 亩 1 亩 0 067 hm 2 的陈皮柑橘田 现场设备 安装情况如图 8 所示 主要设备参数如表 1 所示 多通道比例施肥机 增压泵 过滤系统 灌溉方式 5通道 每个通道最大流量1 m 3 h 2台离心水泵 1台备用 7 5 kW 扬程40 m 流量25 m 3 h 自动反冲洗叠片过滤 自动反冲洗砂 石过滤 离心过滤器 尺寸均为2寸半 1寸 0 033 m 滴灌 4 L压力补偿滴头 表1 系统配置 Tab 1 System configuration 项目 参数 整个水肥系统的管路在 0 30 MPa 的压力下 管 路没有发生渗漏现象 通过 3 种压力下的测试 得 到变频器输出管道水压的变化情况 如表 2 所示 罗海据 等 一种经济型水肥一体化系统的设计 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 管道压力最大变动范围 Tab 2 Maximum variation range of pipeline pressure 压力设定 MPa 最小值 MPa 最大值 MPa 最大变动 范围 本次试验选取 20 000 L 灌溉总量 变频器压力 设定在 0 25 MPa 采用定量模式施肥 管道流量稳 定的流量约是 20 000 L h 整个试验过程约 1 h 经 过对最末端的10个滴头采样 平均出水量约3 85 L h 达到设计要求 末端出水器流量如表3所示 46 现代农业装备 2020年 3 79 3 90 3 82 3 85 3 91 3 87 3 82 3 79 3 93 3 86 表3 末端出水器流量采样值 Tab 3 Flow sampling value of end outlet 滴头编号 流量 L 3 85 平均1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 第一个肥桶的配比是 1 50 第二个肥桶的配 比是 1 75 第三个肥桶的配比是 1 100 得到的曲 线如图 9 所示 配肥比例的肥水输出量在 100 s 左 右趋向稳定 系统调节时间是100 s 在该次试验中 系统调节时间过后 比较注肥量与设定值 在 1 个 采样周期两者的误差不超过 10 管道的肥水基本 充分混合 满足生产要求 图9 不同配比情况下注肥量曲线 Fig 9 Fertilizer injection curves under different ratios 图10 手机远程控制界面 Fig 10 Remote control interface of mobile phone 4 结 论 1 本文研究的水肥一体化系统 采用恒压供 水和多重过滤器为田间出水器提供稳定压力和干净 水源 离泵房最末端的滴头出水量平均约为 3 85 L 基本保证每个出水器均匀出水 使得目标获得足够 的肥水 2 多通道比例施肥机和变频控电柜联动 通 过本地触摸屏或手机远程控制多通道比例施肥机 实现自动灌溉和施肥 系统响应时间不超过 3 s 且在多种注肥比例的运行过程中 10 s 的注肥量与 设定值相差不超过 10 3 以压力变送器作为测量施肥量的传感器 结合增量 PID 算法得到配肥比例 满足生产要求 性价比高 实用性较强 手机远程控制测试中 手机界面可以控制各电 磁阀的通断 设置自动灌溉参数并采集传感器数 据 整个系统响应时间约 3 s 手机控制界面如图 10 所示 a 1 50的注肥量曲线 b 1 75的注肥量曲线 c 1 100的注肥量曲线 体积 L 体积 L 时间 S 时间 S 体积 L 时间 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 参考文献 1 易文裕 程方平 熊昌国 等 农业水肥一体化 的发展现状与对策分析 J 中国农机化学报 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 陈满 金诚谦 倪有亮 等 基于多传感器的 精准变量施肥控制系统 J 中国农机化学报 2018 39 1 59 60 4 李加念 洪添胜 冯瑞珏 等 基于脉宽调制的 文丘里变量施肥装置设计与试验 J 农业工程学 报 2012 28 8 105 110 5 徐瑞强 徐海东 董合林 等 液态有机肥与氮 肥配施对棉花生理特性及产量的影响 J 中国农 学通报 2019 35 13 42 47 6 邵伟 侯加林 李天华 等 肥水一体化滴灌系 统中过滤器技术的研究与进展 J 中国农机化学 报 2018 39 10 45 49 7 白蕾 孟娇娇 辛旗 基于PLC与变频器的恒压供 水系统设计 J 电子测量技术 2018 41 4 61 65 8 赵振宇 张国钧 基于PPI协议和GPRS网络的供 水管网远程监控系统设计 J 仪表技术与传感 器 2017 5 84 86 9 张晓明 鲍安红 谢守勇 等 基于Fluent的文丘 里管结构参数对吸肥性能的影响 J 江苏农业科 学 2017 45 18 208 210 10 周良富 金永奎 薛新宇 电磁阀开关模式下文 丘里施肥器吸肥特性研究 J 农业工程学报 2019 35 22 277 284 11 刘金琨 先进PID控制MATLAB仿真 M 北京 电子工业出版社 2004 罗海据 等 一种经济型水肥一体化系统的设计