一體化灌溉施肥機電氣控制系統(tǒng)優(yōu)化研究

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進行精確定量控制，而水分灌溉并未實現(xiàn)一體化。為此，針對一體化灌溉施肥機的電氣控制系統(tǒng)進行優(yōu)化研究(作業(yè)外形圖見圖1)，以期達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 一體化灌溉施肥機作業(yè)外形圖Fig.1 Contour diagram of the integrated irrigation fertilizing machine

1 整機結(jié)構(gòu)及原理

一體化灌溉施肥機的作業(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，達到最佳的混合濃度，在各機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)計的一體化灌溉施肥機主要技術(shù)參數(shù)。

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

一體化的灌溉施肥機主要包括提供動力的馬達(電動機)、混合機構(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)計達標的整機需保證進行灌溉施肥作業(yè)的穩(wěn)定性、防震動性和耕深一致性，擬采用電力調(diào)控實現(xiàn)精確傳動。

1.馬達 2.排肥轉(zhuǎn)軸 3.儲箱 4.阻塞套 5.槽輪 6.馬達 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，對整機的調(diào)節(jié)模塊進行電路優(yōu)化改進，如圖3所示。圖3中：PC10與PC11共同控制水分比例調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)動方向，PC12和PB12控制EC調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)動方向；當(dāng)控制同一電機的單片機信號同時輸出電平，比例調(diào)節(jié)電機電源接通+24V，處于停止狀態(tài)；當(dāng)控制同一電機的單片機信號輸出不同電平信號，比例調(diào)節(jié)電機運轉(zhuǎn)。此調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)向的同時可以實時調(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算后將數(shù)據(jù)傳出，經(jīng)功率驅(qū)動電路達到各個控制閥執(zhí)行環(huán)節(jié)，進行一體化作業(yè)。

圖3 一體化灌溉施肥機調(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進行動作程序控制，即首先對采集到的模擬量信息進行處理，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)境的匹配進行管理模塊設(shè)計，具體設(shè)計組成如圖5所示。主要設(shè)計優(yōu)化為傳感器測量與報警處理兩大功能模塊：報警模塊參照通用的報警機理與程序，進行區(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 一體化灌溉施肥機數(shù)據(jù)管理模塊設(shè)計組成圖Fig.5 Design composition of data management module of the integrated irrigation fertilizer application

從一體機的整體電氣自動控制設(shè)計講，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

3.1 試驗條件與方法

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

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)選取試驗地土壤作物條件具有代表性，保證不影響試驗對比效果。

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

續(xù)表2

3.2 試驗分析

灌溉施肥試驗中水分肥料混合液的流體運動符合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坐標軸上的分量；

fy—所受質(zhì)量力在x坐標軸上的分量；

fz—所受質(zhì)量力在x坐標軸上的分量。

試驗主要控制指標表征為電導(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：計算機理論獲得的濃度與灌溉試驗獲得的濃度在經(jīng)初期運行后進入正常的設(shè)定目標濃度狀態(tài)，且二者吻合較好，試驗可行。

1.計算機獲得曲線 2.灌溉試驗獲得曲線 3.參照目標濃度圖7 一體化灌溉施肥機肥液濃度對比曲線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主要性能指標對比。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，大大提高了整機作業(yè)效率，優(yōu)化見有成效。

表3 一體化灌溉施肥機主要性能指標優(yōu)化試驗數(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)代計算機控制技術(shù)，對一體化灌溉施肥機進行電氣自動控制系統(tǒng)優(yōu)化研究，基于PLC和PID調(diào)節(jié)理論進行模塊化改進，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)比例控制與補償?shù)?，兩大模塊之間協(xié)調(diào)動作，完成施肥灌溉作業(yè)。

2)優(yōu)化改進試驗表明：整機的電氣控制系統(tǒng)運行良好，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)灌溉施肥后可達到同等效果，有利于農(nóng)用機具不斷向資源最大化及環(huán)保友好化方向發(fā)展。