灌溉施肥自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)_圖文

1、第42卷 第3期2008年3月西 安 交 通 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)JOU RNAL OF XI AN JIAOTONG U NIV ERSITYVol.42 3M ar.2008灌溉施肥自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)魏正英,葛令行,趙萬華,盧秉恒(西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安摘要:為了實(shí)現(xiàn)滴灌系統(tǒng)中灌溉與施肥的精確控制和同步進(jìn)行,應(yīng)用單片機(jī)控制與變頻調(diào)節(jié)技術(shù)設(shè)計(jì)、開發(fā)了高精度的灌溉施肥自動(dòng)控制系統(tǒng),并通過硬件和軟件的優(yōu)化組合,進(jìn)行了灌溉施肥自動(dòng)控制系統(tǒng)的自主設(shè)計(jì)和制造.根據(jù)不同作物的不同需要,對(duì)灌溉液的電導(dǎo)率和酸堿度進(jìn)行精確控制和實(shí)時(shí)調(diào)節(jié),利用單片機(jī)技術(shù)開發(fā)了自動(dòng)施肥控制

2、系統(tǒng),降低了系統(tǒng)成本.該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),其結(jié)構(gòu)緊湊,使用簡(jiǎn)單,有利于推廣使用.關(guān)鍵詞:灌溉施肥;電導(dǎo)率;酸堿度;單片機(jī);變頻調(diào)節(jié)中圖分類號(hào):TM921.51;S224 22 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):0253 987X(200803 0347 03 Development of Automatic C ontrol S ystem of Fertigation TechniqueWEI Zhengy ing,GE Ling xing,ZH AO Wanhua,LU Bingheng (State Key Lab oratory for M an ufacturin g Sy stem En

3、gineering,Xi an Jiaoton g Un iversity,Xi an710049,ChinaAbstract:To accur ately control and sim ultaneously conduct o f irrigation and fer tilization in drip ir rigatio n sy stem,a hig hly intellig ent fertig ation system is developed based on sing le chip micro computer(SCMco ntro l principles and v

4、ariable frequency technique.Via the optim al co mbina tion o f hardw ar e and softw are,the equipment is fabricated,w here the electric conductivity and pH value can be accurately contr olled and real time regulated to m eet the v ar io us needs of differ ent cr ops.Utilizing SCM technique reduces t

5、he costs of the sy stem,w hile the structure becom es much compacted due to the modular desig n to efficiently prom ote.Keywords:fer tig ation;electric conductivity;pH value;single chip micro com puter;v ar iable fre quency r eg ulation灌溉施肥是通過施肥裝置將溶解好的肥液注入到灌溉系統(tǒng)中,使肥料隨灌溉水一起輸送到田間的一種先進(jìn)施肥方式,是精確施肥與精確灌溉相結(jié)合

6、的產(chǎn)物.灌溉施肥的主要優(yōu)點(diǎn)是施肥均勻、準(zhǔn)確,可以穩(wěn)定且高精度地控制灌水量、施肥量、施肥時(shí)間等參數(shù),從而提高了水和肥的利用效率,有效地減輕了土壤和環(huán)境污染1.在一些發(fā)達(dá)國(guó)家,如以色列、美國(guó)、加拿大等,自動(dòng)化控制技術(shù)發(fā)展比較成熟,已開發(fā)了智能化程度和控制精度較高的智能灌溉施肥系統(tǒng),而且得到了廣泛的應(yīng)用.我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一定差距,一些研究所和高校進(jìn)行了自動(dòng)施肥控制系統(tǒng)的研究、開發(fā),但大都局限在實(shí)驗(yàn)室研究階段,還未開發(fā)出可以推廣應(yīng)用的高精度自動(dòng)施肥控制系統(tǒng)2 4.本文介紹了自主研制的自動(dòng)施肥控制系統(tǒng),并對(duì)系統(tǒng)管道結(jié)構(gòu)、混合裝置、檢測(cè)反饋裝置、控制面板進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),從而提高了自動(dòng)施肥控制系統(tǒng)的控

7、制精度,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也更加緊湊靈巧.1 自動(dòng)施肥系統(tǒng)和裝置1.1 自動(dòng)施肥控制系統(tǒng)自動(dòng)施肥控制系統(tǒng)(見圖1根據(jù)作物的實(shí)際需求,具有以下功能:!能夠設(shè)定電導(dǎo)率(肥液濃度、pH值、施肥時(shí)間和施肥時(shí)間間隔等參數(shù);能夠?qū)κ崭迦掌?2007 07 03. 作者簡(jiǎn)介:魏正英(1967-,女,教授. 基金項(xiàng)目:國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2006A A100208;新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(N CET 06 0840;優(yōu)秀博士論文基金項(xiàng)目(200740. 圖1 自動(dòng)控制施肥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖電導(dǎo)率和pH 值實(shí)時(shí)檢測(cè),并觀測(cè)水和肥的流量;#可以對(duì)施肥施酸定時(shí)控制;根據(jù)作物所需對(duì)電導(dǎo)率和pH 值進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控;%能

8、夠顯示電導(dǎo)率、pH 值、施肥的開始時(shí)間、已施肥時(shí)間和施肥時(shí)間間隔等參數(shù).肥液罐里的高濃度肥液經(jīng)過初級(jí)過濾器由施肥泵注入到灌溉主水管道中,但進(jìn)入主水管道之前須通過精密過濾器進(jìn)行二級(jí)過濾.采用電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x檢測(cè)主水管道中的肥液濃度,將檢測(cè)得到的濃度值輸入到單片機(jī)與設(shè)定值進(jìn)行比較,根據(jù)差值信號(hào)通過變頻器控制施肥電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)施肥量,使管道中的肥液濃度值與設(shè)定值保持一致.酸堿度的調(diào)節(jié)與肥液濃度調(diào)節(jié)類似.在主水管道上安裝了自主設(shè)計(jì)的混肥器,使肥液與灌溉水充分混合.自動(dòng)施肥控制系統(tǒng)是獨(dú)立于灌溉系統(tǒng)之外的一個(gè)模塊,安裝、維修比較方便,圖1中虛線框的部分為可拆卸的自動(dòng)施肥控制系統(tǒng).1.2 施肥裝置自動(dòng)施肥控制

9、系統(tǒng)通過控制肥液濃度和施肥時(shí)間來控制施肥量,其肥液濃度是由電導(dǎo)率來反映的.作物一般要求灌溉液的pH 值為66 5且呈弱酸性,但肥料溶于水后,則或呈堿性,或雖呈酸性但其酸度往往達(dá)不到要求.為了適應(yīng)作物在不同生長(zhǎng)期的需求,需單獨(dú)專門向土壤中加入pH 調(diào)節(jié)液,即酸液或堿液5.施肥施酸裝置是自動(dòng)施肥控制系統(tǒng)的動(dòng)力設(shè)備.常用的注入方式有自壓注入、文丘里注入、機(jī)械驅(qū)動(dòng)注入和壓差式注入.通過分析各種施肥裝置的優(yōu)缺點(diǎn),本文選用可精確控制施肥量的機(jī)械驅(qū)動(dòng)施肥裝置6,該裝置利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)隔膜泵或柱塞泵把肥液注入到主水管道中,優(yōu)點(diǎn)是能均勻準(zhǔn)確地向灌溉管道注入肥液,從而使得灌溉水中的肥液濃度保持穩(wěn)定.經(jīng)綜合考慮及性能比

10、較,施肥泵選用具有良 好防腐蝕性能的電動(dòng)隔膜泵,考慮了壓力損失及工作余量后,選取的隔膜泵的流量范圍為0 5m 3/h,吸程為5m,揚(yáng)程為30m.2 過濾裝置和混肥裝置肥液中所含的雜質(zhì)主要是肥料溶解性不好產(chǎn)生的一些固體顆粒,本系統(tǒng)采用兩級(jí)過濾.由于肥液罐中未溶解的顆粒會(huì)沉積在罐體底部,因此在肥液入口處選用粗過濾器(100目.在灌溉主水管道中,固體顆粒會(huì)影響整個(gè)灌溉系統(tǒng)的工作,在肥液進(jìn)入主水管道前需選用200目的過濾器,再進(jìn)行一次過濾.肥液在灌溉主水管道中與水混合不均勻會(huì)使檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性降低,因此需要設(shè)計(jì)混肥裝置,在此利用液體流動(dòng)中遇到管道截面的突變時(shí)容易產(chǎn)生漩渦,且漩渦對(duì)液體有一定的混合作用的

11、原理設(shè)計(jì)了漩渦混肥器,并安裝在檢測(cè)裝置前,使肥液通過漩渦能夠得到充分的混合,因此測(cè)得的電導(dǎo)率、pH 值將會(huì)更加準(zhǔn)確、穩(wěn)定(見圖2和圖3.圖2 漩渦發(fā)生原理圖3 混肥裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖3 檢測(cè)裝置及控制箱與操作面板自動(dòng)施肥控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng),穩(wěn)定的肥液濃度是通過不斷檢測(cè)和實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的,檢測(cè)調(diào)節(jié)原理如圖4所示.根據(jù)作物所需要的肥量,在控制面板上設(shè)定肥液濃度或酸堿度及施入時(shí)間等參數(shù),系統(tǒng)就會(huì)穩(wěn)定地給灌溉主水管道注入肥液,實(shí)現(xiàn)灌溉與精確施肥同步進(jìn)行.自動(dòng)施肥控制系統(tǒng)的控制模塊如圖5所示,它348西 安 交 通 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 第42卷圖4 電導(dǎo)率/pH 值檢測(cè)反饋系統(tǒng)可以很好地控制肥液酸液的

12、注入量,并能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).當(dāng)電導(dǎo)率、pH 值發(fā)生偏離且超出許可范圍時(shí),單片機(jī)控制系統(tǒng)能夠自動(dòng)糾偏,判斷故障,提供聲、光報(bào)警并停止系統(tǒng)工作,其操作面板具有良好的人機(jī)界面,工作參數(shù)可在操作面板上動(dòng)態(tài)地顯示出來.為了使用方便,將操作面板設(shè)計(jì)成折疊式,如圖6所示 .圖5 單片機(jī)控制系統(tǒng)總體框圖4 自動(dòng)施肥控制系統(tǒng)的管路布置圖6所示為自動(dòng)施肥控制系統(tǒng)裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖.在一般工作條件下,施肥泵的流量為300L/h,流速V =0 06m /s .取管道直徑D =40m m,計(jì)算出管道的總長(zhǎng)度l =1 5m ,水的動(dòng)力黏性系數(shù) =0 1&10-5m /s ,Re =2400.根據(jù)莫迪圖,可知管道沿程

13、損失阻力為0 03,管道沿程壓力損失為0 037kPa在自動(dòng)施肥控制系統(tǒng)中,管路系統(tǒng)有出、入口直徑相同的5個(gè)90彎頭,2個(gè)三通,一個(gè)單向閥,根據(jù)管道局部壓力和損失諾模圖,可知90彎頭的局部壓力損失為3 2kPa,三通的局部壓力損失為0 69kPa,單向閥的壓力損失為2 838kPa,因此局部壓力損失為0 28kPa.在自動(dòng)施肥控制系統(tǒng)中,其管道系統(tǒng)的總體壓力損失為4 28kPa ,由此可知,整個(gè)施肥裝置管道的壓力損失較小,優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)比較合理.圖6 優(yōu)化設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制施肥系統(tǒng)5 結(jié) 論本文介紹了自動(dòng)施肥控制系統(tǒng),對(duì)系統(tǒng)管道的結(jié)構(gòu)、混肥裝置、檢測(cè)反饋裝置和控制面板進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)如下.(1通過對(duì)流

14、體力學(xué)性能的計(jì)算,得到了合理優(yōu)化的管道結(jié)構(gòu).(2混肥器使肥液與灌溉水能夠更加充分地混合,因此改善了整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性.(3開發(fā)了單片機(jī)控制系統(tǒng),降低了施肥裝置材料的成本.(4設(shè)計(jì)制作了更加人性化、可視化的控制面板,將整個(gè)施肥裝置做成一個(gè)模塊,不僅便于管理和維修,而且提高了設(shè)備的使用壽命.參考文獻(xiàn):1 朱志堅(jiān),盧秉恒,趙萬華,等.機(jī)械注入式施肥裝置研制與應(yīng)用J.節(jié)水灌溉,2003,21(2:21 22.ZH U Zhijian,L U Binheng ,ZH A O W anhua,et al.Develo pment and application of mechanical injecti

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