姜先鋒

(江蘇省如皋中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 南通 226500)

0 引言

近年來，我國的灌溉技術(shù)和施肥技術(shù)不斷向智能化方向延伸，經(jīng)查閱文獻(xiàn)了解到，國內(nèi)外專家學(xué)者從單一的灌溉或施肥研究已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌涎芯?。一體化灌溉施肥技術(shù)作為近年來新提出的作物培育方法，在國外已得到了不同作物的應(yīng)用，國內(nèi)的一體化融合技術(shù)正在發(fā)展，離成熟階段有一定差距。例如，某高校選擇針對單一的施肥機(jī)進(jìn)行精確定量控制，而水分灌溉并未實(shí)現(xiàn)一體化。為此，針對一體化灌溉施肥機(jī)的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化研究(作業(yè)外形圖見圖1)，以期達(dá)到在水肥高效配合利用、節(jié)省水資源的同時，使得肥料效能得到最大的發(fā)揮。

圖1 一體化灌溉施肥機(jī)作業(yè)外形圖Fig.1 Contour diagram of the integrated irrigation fertilizing machine

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及原理

一體化灌溉施肥機(jī)的作業(yè)原理表征為：通過科學(xué)合理地將水分、肥料和助溶液等按照一定比例混合在一起，達(dá)到最佳的混合濃度，在各機(jī)械部件的相互配合下，一次性同步完成施肥與灌溉的農(nóng)田作業(yè)，從而保證農(nóng)作物生長的需求。表1為擬設(shè)計(jì)的一體化灌溉施肥機(jī)主要技術(shù)參數(shù)。

表1 一體化灌溉施肥機(jī)主要技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)Table 1 Main technical parameter design of the integrated irrigation fertilizing machine

一體化的灌溉施肥機(jī)主要包括提供動力的馬達(dá)(電動機(jī))、混合機(jī)構(gòu)、排肥執(zhí)行裝置、槽輪、調(diào)節(jié)閥及儲存水分肥料混合液的箱體等構(gòu)件，工作原理如圖2所示。設(shè)計(jì)達(dá)標(biāo)的整機(jī)需保證進(jìn)行灌溉施肥作業(yè)的穩(wěn)定性、防震動性和耕深一致性，擬采用電力調(diào)控實(shí)現(xiàn)精確傳動。

1.馬達(dá) 2.排肥轉(zhuǎn)軸 3.儲箱 4.阻塞套 5.槽輪 6.馬達(dá) 7.傳感器 8.調(diào)節(jié)閥 9.GPS定位裝置 10.控制器 11.轉(zhuǎn)換器 12.伺服比例閥圖2 一體化灌溉施肥機(jī)原理簡圖

Fig.2 Schematic principle diagram of integrated irrigation fertilizing machine

2 關(guān)鍵部件分析

2.1 電氣裝置

為保證灌溉與施肥的均勻性，對整機(jī)的調(diào)節(jié)模塊進(jìn)行電路優(yōu)化改進(jìn)，如圖3所示。圖3中：PC10與PC11共同控制水分比例調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向，PC12和PB12控制EC調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向；當(dāng)控制同一電機(jī)的單片機(jī)信號同時輸出電平，比例調(diào)節(jié)電機(jī)電源接通+24V，處于停止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)控制同一電機(jī)的單片機(jī)信號輸出不同電平信號，比例調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。此調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)向的同時可以實(shí)時調(diào)整閥門的開度大小決定水管流量，從而保證合適的水肥比例，使得灌溉施肥智能化。

單個模塊優(yōu)化后，一體化灌溉施肥機(jī)形成了電氣自動控制優(yōu)化系統(tǒng)，如圖4所示。在電源模塊為整機(jī)提供電源的條件下，通過傳感檢測模塊對水分肥料混合液進(jìn)行參數(shù)捕獲，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換、定時裝置共同配合，傳至CPU 控制環(huán)節(jié)；監(jiān)控中心通過核心算法控制模型運(yùn)算后將數(shù)據(jù)傳出，經(jīng)功率驅(qū)動電路達(dá)到各個控制閥執(zhí)行環(huán)節(jié)，進(jìn)行一體化作業(yè)。

圖3 一體化灌溉施肥機(jī)調(diào)節(jié)模塊控制電路圖Fig.3 Circuit diagram of the control module of the integrated irrigation fertilizing machine

圖4 一體化灌溉施肥機(jī)電氣自動控制系統(tǒng)優(yōu)化簡圖Fig.4 Optimization diagram of the electrical automatic control system on the integrated irrigation fertilizing machine

2.2 控制系統(tǒng)

根據(jù)一體化灌溉施肥的作業(yè)需求，通過PLC進(jìn)行動作程序控制，即首先對采集到的模擬量信息進(jìn)行處理，同時確定動作閥門和灌溉施肥泵體的狀態(tài)，依照程序判定將信號傳遞至相鄰設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)動作，完成一體化的灌溉施肥作業(yè)。

針對作業(yè)環(huán)境，對數(shù)據(jù)采集與周邊環(huán)境的匹配進(jìn)行管理模塊設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)組成如圖5所示。主要設(shè)計(jì)優(yōu)化為傳感器測量與報(bào)警處理兩大功能模塊：報(bào)警模塊參照通用的報(bào)警機(jī)理與程序，進(jìn)行區(qū)域類型劃分和硬件布線；針對傳感器測量模塊，一方面應(yīng)注意傳感器安裝的位置準(zhǔn)確性、采集時間的及時有效性均會不同程度影響一體式灌溉施肥的智能控制效果，另一方面應(yīng)根據(jù)灌溉施肥作業(yè)土壤的含水率進(jìn)行電氣自動控制系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)。

圖5 一體化灌溉施肥機(jī)數(shù)據(jù)管理模塊設(shè)計(jì)組成圖Fig.5 Design composition of data management module of the integrated irrigation fertilizer application

從一體機(jī)的整體電氣自動控制設(shè)計(jì)講，控制接口模塊起到關(guān)鍵的智能監(jiān)測作用(見圖6)，一系列傳感裝置經(jīng)智能網(wǎng)絡(luò)傳輸與通訊，到達(dá)控制接口，由其發(fā)出信號至灌溉控制器，使肥料、農(nóng)藥、水分按比例進(jìn)行混合，最終經(jīng)由排肥管路噴出。部分控制程序代碼如下：

#define_MAIN_C_

#include″ALL.H″

void main()

{

SYSInit();

while(1)

{

V_freQValue=Display_V_freQ()*60;

LCD12864Disay();

Delayms(500);

}

}

Void SYSInit()

{

V_freQValue=0;

LCD12864InitDisplay();

PCA_BH_Init(MODULE0);

}

…

…

圖6 一體灌溉施肥機(jī)灌溉智能監(jiān)測簡圖Fig.6 Schematic diagram of the irrigation intelligent monitoring of the integrated irrigation fertilizing machine

3 灌溉施肥試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件與方法

在上述改進(jìn)理論的基礎(chǔ)上，進(jìn)行灌溉施肥試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備與儀器如表2所示。給定試驗(yàn)條件如下：

1)保持電氣控制的脈沖調(diào)節(jié)的平穩(wěn)過渡；

2)確保排肥灌溉的均勻一致性程度控制在要求范圍內(nèi)；

3)排肥裝置與調(diào)速系統(tǒng)協(xié)調(diào)作業(yè)；

4)選取試驗(yàn)地土壤作物條件具有代表性，保證不影響試驗(yàn)對比效果。

表2 用于灌溉施肥試驗(yàn)的主要儀器設(shè)備Table 2 Main instrument and equipment used for irrigation fertilization test

續(xù)表2

3.2 試驗(yàn)分析

灌溉施肥試驗(yàn)中水分肥料混合液的流體運(yùn)動符合N-S方程，即

(1)

U=u+v+w

(2)

(3)

式中U—水肥混合液流速；

u、v、w—U分別在三維坐標(biāo)軸上的流速分量；

μ—動力粘度系數(shù)(Pa·s)；

fx—所受質(zhì)量力在x坐標(biāo)軸上的分量；

fy—所受質(zhì)量力在x坐標(biāo)軸上的分量；

fz—所受質(zhì)量力在x坐標(biāo)軸上的分量。

試驗(yàn)主要控制指標(biāo)表征為電導(dǎo)率EC、酸堿度pH和肥液濃度C等，通過自動控制和調(diào)節(jié)灌溉流量，記錄濃度數(shù)據(jù)，形成濃度對比曲線，如圖7所示。由圖7可知：計(jì)算機(jī)理論獲得的濃度與灌溉試驗(yàn)獲得的濃度在經(jīng)初期運(yùn)行后進(jìn)入正常的設(shè)定目標(biāo)濃度狀態(tài)，且二者吻合較好，試驗(yàn)可行。

1.計(jì)算機(jī)獲得曲線 2.灌溉試驗(yàn)獲得曲線 3.參照目標(biāo)濃度圖7 一體化灌溉施肥機(jī)肥液濃度對比曲線Fig.7 Contrast curve of the fertilizer concentration of the integrated irrigation fertilizing machine

經(jīng)整理得到如表3所示的一體化灌溉施肥機(jī)主要性能指標(biāo)對比。從表3中可知：經(jīng)電氣裝置及智能控制系統(tǒng)優(yōu)化后的一體機(jī)改善效果明顯，從資源利用方面講，水分得到有效利用，利用效率由之前的67%提高至89%，有利于環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展理念的推行，肥料利用效率從優(yōu)化前的79%提高至92%；從作業(yè)效率方面講，同等條件下，同樣作業(yè)面積的田地灌溉施肥作業(yè)時間較優(yōu)化前縮短60%左右，大大提高了整機(jī)作業(yè)效率，優(yōu)化見有成效。

表3 一體化灌溉施肥機(jī)主要性能指標(biāo)優(yōu)化試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Optimization test data of main performance index of the integrated irrigation fertilizing machine

4 結(jié)論

1)利用水肥一體化思想并結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，對一體化灌溉施肥機(jī)進(jìn)行電氣自動控制系統(tǒng)優(yōu)化研究，基于PLC和PID調(diào)節(jié)理論進(jìn)行模塊化改進(jìn)，通過電氣硬件設(shè)置選型與軟件程序改善，包含給定動力與調(diào)節(jié)比例控制與補(bǔ)償?shù)龋瑑纱竽K之間協(xié)調(diào)動作，完成施肥灌溉作業(yè)。

2)優(yōu)化改進(jìn)試驗(yàn)表明：整機(jī)的電氣控制系統(tǒng)運(yùn)行良好，水資源利用率與肥料利用率得到明顯提升，合適比例的水分、肥料、基底液的混合經(jīng)灌溉施肥后可達(dá)到同等效果，有利于農(nóng)用機(jī)具不斷向資源最大化及環(huán)保友好化方向發(fā)展。