多通道比例施肥机设计与试验.pdf

文 章 编 号 6 多 通 道 比 例 施 肥 机 设 计 与 试 验 谢 永 生 纪 学 伟 大 禹 节 水 集 团 股 份 有 限 公 司 甘 肃 酒 泉 摘 要 针 对 目 前 比 例 施 肥 机 性 能 参 数 差 异 大 自 动 化 程 度 不 一 等 突 出 问 题 设 计 出 一 种 具 有 吸 肥 泵 注 肥 泵 双 泵 协 同 泵 送 系 统 的 多 通 道 比 例 施 肥 机 检 测 系 统 创 新 采 用 了 探 入 式 微 管 取 样 器 设 计 并 对 施 肥 机 系 统 压 力 流 量 及 EC H 控 制 精 度 和 浓 度 调 节 响 应 时 间 进 行 了 试 验 结 果 表 明 EC 控 制 精 度 H 控 制 精 度 EC H 调 节 响 应 时 间 s 水 肥 调 节 精 准 响 应 快 速 注 肥 均 匀 运 行 稳 定 能 够 满 足 大 田 温 室 等 不 同 灌 溉 规 模 用 户 的 水 肥 一 体 化 需 求 关 键 词 多 通 道 比 例 施 肥 机 控 制 精 度 调 节 响 应 时 间 中 图 分 类 号 S T 文 献 标 识 码 TheDesignandExperimentofMulti channelProportionFertilizer XIEYong sheng JIXue wei D yuW e s vingG ou Co L d Jiuqu n G nsuP ovince C in Abstract iming e ominen ob emssuc s gediffe encein e fo m nce me e s ndv yingdeg eeof u om ionof e cu en o o ion fe i ize ic o kindofmu i c nne o o ion fe i ize ic o i du um sys emof fe i ize suc ion um fe i ize in ec ion um sdesigned T edesignof obemic o ubes m e s do edin ede ec ionsys em nd e essu e f o EC Hcon o ccu cy ndconcen ioncon o es onse imeof efe i ize ic o sys em e e es ed T e esu s s o ed econ o ecisionofEC s ess n econ o ecisionof H s nd e d us es onse imeofEC H s ess n s T emu i c nne o o ionfe i ize s e dv n gesof ccu e egu ionof e ndfe i ize id es onse unifo mfe i ize in ec ion nds b eo e ion soc nmee efie d g een ouse ndo e i ig ionsc euse sof e ndfe i ize in eg ionneeds Keywords mu i c nne o o ionfe i ize con o ecision d us es onse ime 收 稿 日 期 基 金 项 目 国 家 重 点 研 发 计 划 项 目 西 部 牧 区 高 效 节 水 灌 溉 技 术 与 集 成 应 用 6YFC 西 部 牧 区 绿 色 高 效 节 水 灌 溉 装 备 研 制 与 应 用 6YFC 作 者 简 介 谢 永 生 6 男 高 级 工 程 师 主 要 从 事 节 水 灌 溉 技 术 研 究 E m i qq com 我 国 农 田 有 效 灌 溉 面 积 达6 万 m 居 世 界 首 位 喷 灌 微 灌 等 高 效 节 水 灌 溉 面 积 达 亿 m 高 效 节 水 农 业 发 展 进 入 快 车 道 长 期 以 来 灌 溉 施 肥 方 式 粗 放 水 肥 耦 合 效 应 不 足 肥 料 利 用 率 偏 低 已 成 为 我 国 农 业 高 质 量 发 展 的 瓶 颈 水 肥 一 体 化 技 术 以 其 水 肥 同 施 控 制 精 准 自 动 化 程 度 高 及 管 理 便 捷 等 优 点 成 为 我 国 高 效 节 水 农 业 发 展 的 重 要 新 技 术 而 实 现 水 肥 一 体 化 的 关 键 技 术 装 备 之 一 是 灌 溉 施 肥 装 置 与 目 前 应 用 比 较 广 泛 的 压 差 式 施 肥 罐 文 丘 里 施 肥 器 及 比 例 注 肥 泵 等 相 比 比 例 施 肥 机 是 将 泵 送 系 统 控 制 系 统 检 测 系 统 及 肥 液 储 存 混 合 系 统 等 功 能 模 块 高 度 集 成 的 现 代 化 精 准 化 智 能 化 的 施 肥 设 备 6 目 前 以 色 列 荷 兰 等 国 外 比 例 施 肥 机 技 术 已 十 分 成 熟 但 因 其 价 格 高 昂 难 以 满 足 我 国 市 场 需 求 国 内 对 比 例 施 肥 机 的 研 发 起 步 相 对 较 晚 但 也 开 发 出 多 种 类 的 灌 溉 施 肥 产 品 基 本 能 够 实 现 对 肥 液EC H 的 实 时 监 测 和 控 制 但 仍 存 在 性 能 参 数 主 要 是 施 肥 系 统 的 稳 定 性 和 均 匀 性 差 异 较 大 自 动 化 程 度 不 一 等 突 出 问 题 施 肥 系 统 稳 定 性 和 均 匀 性 有 待 提 高 因 此 本 文 针 对 比 例 施 肥 机 稳 定 性 和 均 匀 性 以 流 量 控 制 压 力 控 制 EC H 控 制 精 度 和 浓 度 调 节 响 应 时 间 为 主 要 指 标 研 制 开 发 一 款 多 通 道 比 例 施 肥 机 达 到 标 准 一 致 稳 定 性 和 均 匀 性 优 6 节 水 灌 溉 年 第 期 i ig e com cn良 安 装 使 用 便 捷 1 整 机 结 构 与 工 作 原 理 设 计 1 1 整 机 结 构 多 通 道 比 例 施 肥 机 由 泵 送 系 统 控 制 系 统 检 测 系 统 肥 液 储 存 混 合 系 统 及 其 他 扩 展 模 块 组 成 施 肥 机 整 体 框 架 采 用 铝 合 金 型 材 制 作 结 构 轻 盈 机 械 强 度 好 默 认 设 置 路 母 液 通 道 可 扩 展 其 中 路 为 加 肥 通 道 路 为 加 酸 通 道 多 通 道 比 例 施 肥 机 整 体 结 构 如 图 所 示 图1 多 通 道 比 例 施 肥 机 组 成 结 构 图 1 2 技 术 参 数 多 通 道 比 例 施 肥 机 可 用 于 大 田 温 室 农 牧 场 等 各 种 作 物 的 精 准 灌 溉 施 肥 尤 其 是 对 于 控 制 灌 溉 面 积 较 大 的 人 工 草 场 施 肥 效 果 更 加 该 装 备 的 主 要 技 术 参 数 如 表 所 示 表1 主 要 技 术 参 数 表 参 数 数 值 尺 寸 长 宽 高 mm 注 肥 流 量 m 内 置 混 肥 桶 容 量 L EC 值 调 节 范 围 mS cm H 调 节 范 围 EC H 调 节 响 应 时 间 s EC 控 制 精 度 H 控 制 精 度 过 滤 器 精 度 目 控 制 形 式 手 动 自 动 吸 肥 泵 形 式 微 型 自 吸 泵 注 肥 泵 形 式 不 锈 钢 多 级 离 心 泵 触 控 大 屏 cm LED 1 3 工 作 原 理 以 肥 液 储 存 混 合 系 统 及 其 他 各 组 件 为 依 托 按 照 系 统 设 定 的 水 肥 比 例 通 过 控 制 系 统 接 收 检 测 系 统 发 送 的 水 肥 信 息 并 实 时 反 馈 对 泵 送 系 统 工 作 时 长 进 行 精 准 调 节 控 制 实 现 水 肥 及 各 母 液 的 在 线 自 动 混 配 和 泵 送 达 到 肥 液 精 准 施 放 的 目 的 2 系 统 部 件 设 计 2 1 泵 送 系 统 设 计 泵 送 系 统 主 要 由 吸 肥 泵 注 肥 泵 组 成 其 中 吸 肥 泵 采 用 微 型 自 吸 泵 泵 前 端 装 有 小 型 过 滤 器 后 端 装 有 流 量 计 和 止 逆 阀 注 肥 泵 采 用 不 锈 钢 多 级 离 心 泵 因 其 高 能 效 特 性 对 注 入 压 力 和 流 量 均 有 可 靠 保 障 双 泵 协 同 工 作 能 够 保 证 施 肥 所 需 的 流 量 和 压 力 较 传 统 文 丘 里 电 磁 阀 的 吸 肥 方 式 具 有 受 压 力 流 量 波 动 影 响 小 肥 料 供 给 量 大 抗 堵 塞 性 强 系 统 压 力 零 损 耗 运 行 稳 定 等 优 势 2 2 检 测 系 统 设 计 检 测 系 统 核 心 部 件 是EC H 传 感 器 置 于 检 测 室 创 新 采 用 探 入 式 微 管 取 样 器 设 计 既 能 保 证 检 测 肥 液 的 更 新 速 率 又 能 有 效 避 免 因 流 速 和 压 力 波 动 对 检 测 结 果 的 影 响 检 测 时 通 过 取 样 器 上 开 设 的 采 样 孔 在 灌 溉 系 统 主 管 道 上 提 取 样 液 并 通 过 小 管 引 入 检 测 室 进 行EC H 检 测 并 将 检 测 数 据 传 输 至 控 制 系 统 检 测 后 的 样 液 最 终 流 入 混 肥 桶 见 图 图2 探 入 式 微 管 取 样 器 结 构 示 意 图 2 3 肥 液 储 存 混 合 系 统 设 计 肥 液 储 存 混 合 系 统 包 括 组 母 液 桶 组 肥 液 桶 组 酸 液 桶 和 组 混 肥 桶 母 液 桶 为 水 肥 混 配 储 存 容 器 设 有 机 械 搅 拌 装 置 标 配 母 液 桶 容 积 为 L 混 肥 桶 为 各 母 液 配 比 混 合 容 器 依 靠 水 流 回 路 产 生 冲 力 实 现 拌 和 标 配 混 肥 桶 容 积 为 L 并 可 根 据 实 际 需 求 进 行 其 他 容 积 的 选 配 各 桶 均 安 装 液 位 传 感 器 实 时 控 制 桶 内 液 量 2 4 控 制 系 统 设 计 本 施 肥 机 采 用PLC 控 制 由 控 制 器 人 机 交 互 机 无 线 通 信 模 块 云 端 服 务 器 等 几 部 分 组 成 包 括 自 动 和 手 动 两 种 工 作 模 式 可 随 意 切 换 自 动 控 制 主 要 通 过EC H 传 感 器 采 集 肥 液 EC 和 H 数 据 并 将 其 转 化 为 m 电 流 信 号 传 给 控 制 中 心 经 过 数 据 分 析 运 算 决 策 并 发 送 给 泵 送 系 统 通 过 调 节 吸 肥 泵 注 肥 泵 工 作 时 长 进 行 施 肥 量 的 调 节 手 动 控 制 主 要 通 过 旋 转 加 液 通 道 上 的 阀 门 来 调 节 施 肥 量 控 制 系 统 最 多 可 控 制 路 母 液 通 道 单 路 流 量 可 达 L min 能 够 满 足 不 同 灌 溉 规 模 用 户 的 施 肥 需 求 施 肥 机 还 装 有LED 触 控 屏 作 为 人 机 交 互 界 面 方 便 用 户 操 作 和 使 用 见 图 2 5 软 件 界 面 控 制 系 统 软 件 界 面 的 首 页 为 操 作 主 窗 口 是 多 通 道 比 例 施 肥 机 的 组 态 画 面 属 于 控 制 系 统 和 用 户 之 间 进 行 信 息 交 换 的 媒 介 主 要 包 括 启 动 停 止 环 境 灌 溉 设 置 施 肥 管 理 过 滤 设 置 多 通 道 比 例 施 肥 机 设 计 与 试 验 谢 永 生 纪 学 伟图3 控 制 系 统 结 构 图 等 可 操 作 模 块 同 时 显 示 工 作 状 态 工 作 模 式 联 网 状 态 等 信 息 及 流 量 压 力 水 温 EC H 值 及 运 行 时 间 等 运 行 参 数 在 灌 溉 施 肥 过 滤 等 参 数 设 置 界 面 能 够 进 行 灌 溉 施 肥 等 参 数 设 置 并 保 存 系 统 将 按 照 设 置 完 成 保 存 后 的 参 数 运 行 3 性 能 试 验 3 1 系 统 压 力 流 量 相 应 测 试 将 施 肥 机 接 入 滴 灌 系 统 首 部 枢 纽 位 于 过 滤 器 组 后 端 施 肥 机 进 水 管 与 注 肥 管 均 连 接 到 滴 灌 系 统 出 水 主 管 上 形 成 闭 合 回 路 在 注 肥 管 末 端 即 靠 近 滴 灌 系 统 主 管 道 处 安 装 精 密 压 力 表 和 水 表 测 定 注 肥 管 压 力 和 流 量 施 肥 机 系 统 中 流 量 设 施 为 6m 压 力 分 别 设 置 为 P 施 肥 机 启 动 即 开 始 每 隔 s 记 录 精 密 压 力 表 读 数 图 为 不 同 设 置 压 力 下 注 肥 管 末 端 的 压 力 响 应 曲 线 由 图 可 以 看 出 各 设 置 压 力 下 施 肥 机 开 机 s 后 注 肥 管 末 端 压 力 均 开 始 上 升 且 压 力 响 应 时 图4 压 力 响 应 曲 线 间 随 设 置 压 力 的 增 大 而 变 长 施 肥 机 设 置 压 力 为 和 P 时 注 肥 管 末 端 压 力 达 到 稳 定 状 态 的 时 间 分 别 为 和 s 各 压 力 达 到 稳 态 后 波 动 幅 度 较 小 可 见 施 肥 机 系 统 压 力 控 制 较 好 施 肥 机 设 置 压 力 调 整 为 P 流 量 分 别 设 置 为 6 m 施 肥 机 启 动 即 开 始 每 隔 s 记 录 精 密 水 表 读 数 图 为 不 同 设 置 流 量 下 注 肥 管 末 端 的 流 量 响 应 曲 线 由 图 可 以 看 出 各 设 置 流 量 下 施 肥 机 开 机 s 后 注 肥 管 末 端 流 量 均 开 始 上 升 且 流 量 响 应 时 间 随 设 置 流 量 的 增 大 而 变 长 施 肥 机 设 置 流 量 为 6 和 m 时 注 肥 管 末 端 流 量 达 到 稳 定 状 态 的 时 间 分 别 为 和 s 各 流 量 达 到 稳 态 后 波 动 幅 度 较 小 可 见 施 肥 机 系 统 流 量 控 制 也 较 为 稳 定 图5 流 量 响 应 曲 线 3 2 EC pH 响 应 测 试 在 注 肥 管 末 端 安 装EC 计 分 辨 率 mS cm 和 H 计 精 度 分 别 进 行EC H 响 应 测 试 测 定 施 肥 机 的 控 制 精 度 即 误 差 和 浓 度 调 节 响 应 时 间 试 验 中 施 肥 机 系 统 设 置 压 力 为 P 流 量 设 置 为 6m 首 先 以 中 量 元 素 水 溶 肥 倍 稀 释 为 试 材 在 施 肥 机 上 分 别 将EC 值 设 为 mS cm 每 mS cm 分 为 一 档 通 过EC 计 分 别 测 试 注 肥 管 末 端 实 际EC 值 再 以 腐 殖 酸 液 体 肥 6 倍 稀 释 为 试 材 在 施 肥 机 上 分 别 将 H 值 设 为 6 作 物 生 长 适 宜 范 围 每 分 为 一 档 通 过 H 计 分 别 测 试 注 肥 管 末 端 实 际 H 值 如 表 所 示 测 试 范 围 内 施 肥 机EC 控 制 精 度 在 6 内 小 幅 度 波 动 浓 度 调 节 响 应 时 间 6 s H 控 制 精 度 在 内 小 幅 度 波 动 浓 度 调 节 响 应 时 间 也 在 6 s 范 围 内 EC H 控 制 精 度 和 浓 度 调 节 响 应 时 间 均 达 到 了 较 为 先 进 水 平 可 见 该 施 肥 机EC H 控 制 性 能 较 优 能 够 满 足 大 田 及 温 室 水 肥 一 体 化 需 求 表2 EC pH 响 应 测 试 表 试 验 序 号 EC mS cm 设 定 值 测 定 值 控 制 精 度 响 应 时 间 s H 设 定 值 测 定 值 控 制 精 度 响 应 时 间 s 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 平 均 下 转 第53 页 多 通 道 比 例 施 肥 机 设 计 与 试 验 谢 永 生 纪 学 伟 g k g d n g C n g L n g R n g N g x g d n g C n 6 g L n g R n g N 6 利 用 表 的 数 据 按 照 公 式 和 6 进 行 线 性 回 归 得 到 k 6 C L 6 R N x C L R N 6 公 式 和 表 明 整 体 而 言 R 对 新 型 灌 水 器 的 k 和 x 影 响 较 大 进 一 步 增 大 R 可 在 一 定 程 度 上 增 大 灌 水 器 流 量 及 紊 流 程 度 具 体 而 言 对 于 k 与 L R 和 N 呈 正 相 关 与 C 呈 负 相 关 并 且 R 对 k 值 影 响 最 大 其 次 为 N 最 后 为 C 对 于 x 与 C 呈 正 相 关 与 L R 和 N 呈 负 相 关 并 且 R 对 x 值 影 响 最 大 其 次 为 N 最 后 为 L 3 结 语 设 计 了 一 种 新 型 分 段 插 杆 式 灌 水 器 结 构 灌 水 器 结 构 分 为 螺 旋 分 流 道 和 迷 宫 流 道 两 部 分 迷 宫 流 道 采 用 大 截 面 积 尺 寸 并 以 螺 旋 分 流 道 圈 数 螺 旋 分 流 道 长 度 螺 旋 分 流 道 圆 弧 半 径 和 螺 旋 分 流 道 数 量 为 关 键 结 构 参 数 设 计 了 正 交 试 验 从 灌 水 器 压 力 与 流 量 特 性 及 内 流 体 特 性 中 可 以 看 出 螺 旋 分 流 道 的 加 入 改 变 了 仅 有 单 一 大 截 面 积 迷 宫 流 道 内 水 流 的 流 态 在 增 强 水 流 紊 态 方 面 发 挥 了 较 大 作 用 采 用 多 元 线 性 回 归 模 型 的 方 法 提 出 了 灌 水 器 的 流 量 系 数 流 态 指 数 与 螺 旋 分 流 道 关 键 结 构 参 数 之 间 的 关 系 式 为 进 一 步 优 化 该 类 型 灌 水 器 的 水 力 特 性 提 供 的 依 据 参 考 文 献 李 久 生 栗 岩 峰 王 军 等 微 灌 在 中 国 历 史 现 状 和 未 来 J 水 利 学 报 6 张 亮 周 薇 李 道 西 农 业 高 效 节 水 灌 溉 模 式 选 择 研 究 进 展 J 排 灌 机 械 工 程 学 报 王 旭 孙 兆 军 杨 军 等 几 种 节 水 灌 溉 新 技 术 应 用 现 状 与 研 究 进 展 J 节 水 灌 溉 6 6 李 云 开 周 博 杨 培 岭 滴 灌 系 统 灌 水 器 堵 塞 机 理 与 控 制 方 法 研 究 进 展 J 水 利 学 报 王 建 东 龚 时 宏 李 光 永 等 低 压 下 流 道 结 构 参 数 对 锯 齿 型 滴 头 水 力 性 能 影 响 的 试 验 研 究 J 水 利 学 报 6 杨 彬 吴 勇 王 建 东 等 齿 型 迷 宫 灌 水 器 抗 堵 塞 性 能 分 析 与 结 构 优 化 模 拟 J 灌 溉 排 水 学 报 王 新 端 滴 灌 双 向 流 道 灌 水 器 抗 堵 性 能 及 结 构 参 数 优 化 研 究 D 西 安 西 安 理 工 大 学 马 超 魏 正 英 马 胜 利 等 一 种 变 曲 率 式 流 道 灌 水 器 的 数 值 模 拟 分 析 J 节 水 灌 溉 6 王 敏 杰 唐 叶 兰 明 等 滴 灌 灌 水 器 侧 壁 斜 度 和 外 形 曲 率 对 其 性 能 的 影 响 J 节 水 灌 溉 6 康 苗 业 双 内 齿 参 数 对 迷 宫 灌 水 器 水 力 性 能 的 影 响 D 太 原 太 原 理 工 大 学 喻 黎 明 徐 霞 杨 启 良 等 滴 灌 灌 水 器 迷 宫 流 道 结 构 对 泥 沙 运 动 的 影 响 J 农 业 机 械 学 报 6 金 龙 李 治 勤 马 炎 超 等 双 内 齿 矩 形 迷 宫 流 道 灌 水 器 水 力 特 性 分 析 J 太 原 理 工 大 学 学 报 6 6 芦 刚 工 作 水 压 对 滴 灌 灌 水 器 水 力 性 能 影 响 规 律 的 研 究 D 武 汉 华 中 科 技 大 学 王 聪 波 动 水 压 对 灌 水 器 水 力 性 能 影 响 的 实 验 研 究 D 武 汉 华 中 科 技 大 学 郑 超 动 态 水 压 下 迷 宫 流 道 内 水 沙 运 动 特 性 研 究 D 陕 西 杨 凌 西 北 农 林 科 技 大 学 6 郑 超 吴 普 特 张 林 等 动 态 水 压 下 迷 宫 流 道 水 流 运 动 特 性 研 究 J 农 业 机 械 学 报 6 6 WE Q SH Y LUG e S udyof yd u ic e fo m nceof e eddyc nne fo d i emi e s J ig ion ndD in ge 6 6 曹 伟 刘 洁 朱 月 亭 等 振 动 水 压 下 滴 灌 灌 水 器 水 力 性 能 研 究 J 节 水 灌 溉 6 上 接 第48 页 4 结 论 多 通 道 比 例 施 肥 机 采 用PLC 控 制 适 用 性 耐 候 性 和 耐 久 性 均 较 强 控 制 系 统 最 多 可 扩 展 至 路 母 液 通 道 能 够 满 足 大 田 温 室 等 不 同 灌 溉 规 模 用 户 的 施 肥 需 求 采 用 吸 肥 泵 注 肥 泵 双 泵 协 同 工 作 的 泵 送 系 统 设 计 该 施 肥 机 启 动 后 注 肥 的 压 力 流 量 能 够 在 很 短 时 间 就 达 到 稳 定 状 态 且 受 灌 溉 系 统 主 管 道 水 流 压 力 流 量 变 化 波 动 影 响 较 小 运 行 稳 定 注 肥 均 匀 检 测 系 统 创 新 采 用 了 探 入 式 微 管 取 样 器 设 计 EC 控 制 精 度 H 控 制 精 度 为 EC H 调 节 响 应 时 间 s 实 现 了 水 肥 调 节 精 准 响 应 快 速 的 全 自 动 比 例 施 肥 的 目 标 参 考 文 献 李 久 生 李 益 农 栗 岩 峰 等 现 代 灌 溉 水 肥 精 量 调 控 原 理 与 应 用 J 中 国 水 利 水 电 科 学 研 究 院 学 报 6 易 小 燕 吴 勇 尹 昌 斌 等 以 色 列 水 土 资 源 高 效 利 用 经 验 对 我 国 农 业 绿 色 发 展 的 启 示 J 中 国 农 业 资 源 与 区 划 陆 红 娜 康 绍 忠 杜 太 生 等 农 业 绿 色 高 效 节 水 研 究 现 状 与 未 来 发 展 趋 势 J 农 学 学 报 6 王 海 亭 水 肥 一 体 化 技 术 在 农 业 生 产 中 的 运 用 J 乡 村 科 技 宗 哲 英 王 帅 王 海 超 等 水 肥 一 体 化 技 术 在 设 施 农 业 中 的 研 究 与 建 议 J 内 蒙 古 农 业 大 学 学 报 自 然 科 学 版 6 王 海 涛 王 建 东 杨 彬 等 施 肥 机 管 路 布 置 对 文 丘 里 施 肥 器 吸 肥 性 能 的 影 响 J 排 灌 机 械 工 程 学 报 6 陈 囡 囡 朱 德 兰 柏 杨 等 水 肥 一 体 化 灌 溉 施 肥 机 吸 肥 性 能 试 验 研 究 J 节 水 灌 溉 6 田 莉 李 家 春 吴 景 来 等 旁 路 吸 肥 式 水 肥 一 体 化 自 动 施 肥 机 的 设 计 与 试 验 J 节 水 灌 溉 6 新 型 分 段 插 杆 式 灌 水 器 结 构 设 计 及 水 力 特 性 研 究 朱 月 亭 曹 伟 刘 洁