農(nóng)業(yè)電氣化中水電肥一體機(jī)的研究與應(yīng)用

姜清哲

摘 要：文章分析了小麥、玉米周年灌溉施肥制度及在線精量配肥和灌溉施肥方法，研制和開發(fā)適合我國具體情況的、低成本的水電肥一體化專用設(shè)備，實現(xiàn)在線精量配肥、全自動化灌溉施肥功能，對提高肥料利用率，最大程度節(jié)水、節(jié)肥和節(jié)省成本，提高現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益具有重大意義。

關(guān)鍵詞：水電肥一體機(jī);樣機(jī);應(yīng)用;分析

水電肥一體機(jī)架上固定有精量配肥裝置、首部樞紐裝置和中央控制系統(tǒng)等部件，整機(jī)采用蓄電池供電，解決了田間動力供應(yīng)問題，其一體機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1。

1.月巴料漏斗2.移動行走架液罐出水管10.母液罐進(jìn)水管3.母液罐4.注肥泵5.主管道流量傳感器6.轉(zhuǎn)管道7.電磁閥8.支管道流量傳感器9.母11.攪拌電機(jī)12.工業(yè)平板13.EC值顯示器14.PH值顯示器15.控制箱16.充電器接口

1一體機(jī)樣機(jī)試制

在確定了樣機(jī)的整體設(shè)計方案和進(jìn)行了關(guān)鍵零部件設(shè)計選型后，進(jìn)行試驗臺搭建，經(jīng)過加工、組裝，完成試驗臺的搭建工作。

在完成試驗臺搭建并進(jìn)行試驗的基礎(chǔ)上，考慮到適應(yīng)不同規(guī)模大田作業(yè)條件和提高穩(wěn)定性、安全性，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計：整機(jī)尺寸和重量減小、防水性能增強(qiáng)、操作更簡便、更多可拆卸組裝部分，對其進(jìn)行二代樣機(jī)的加工。現(xiàn)已完成試驗臺和一代樣機(jī)的加工與試驗，二代樣機(jī)正在軟件調(diào)試階段。

2田間作業(yè)試驗

2.1試驗方法設(shè)計

針對建立的灌溉施肥時間分配模型和肥料母液動態(tài)調(diào)控數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行灌溉施肥過程中動態(tài)性能試驗。

試驗地點在山東省泰安市岱岳區(qū)馬莊鎮(zhèn)省級農(nóng)技推廣試驗基地，試驗現(xiàn)場如圖2所示，一體機(jī)的操作可在工業(yè)平板電腦上進(jìn)行，可實現(xiàn)混肥配方、實時檢測、精量注肥等操作，整個過程實時采集的流量和EC值數(shù)據(jù)通過RS485總線上傳到工業(yè)平板電腦進(jìn)行記錄。整個系統(tǒng)供電是由6塊12V、20A的直流蓄電池供電，可持續(xù)工作6-8小時。

2.2動態(tài)性能驗證

給定灌水量和施肥量情況下不同肥料的灌溉施肥的試驗，來驗證灌溉施肥時間分配模型的準(zhǔn)確性和母液濃度能動性調(diào)控。根據(jù)對灌溉施肥時間分析，灌溉施肥分三階段進(jìn)行作業(yè)分別是：先灌溉，再灌溉注肥，再灌溉。試驗使用當(dāng)?shù)鼐鄥^(qū)潛水泵作為水壓源，潛水泵的流量是60m3/h。根據(jù)農(nóng)藝以及作物長勢在單次灌溉施肥作業(yè)中確定追肥量為13kg，經(jīng)計算灌水量是50m3，且注肥管道流量為10L/min，經(jīng)上文母液濃度計算公式可以估算出母液濃度為0.2，公式（2-4）計算出母液EC值為1.08，試驗設(shè)定EC=1ms/cm。母液罐中裝有50L的清水，經(jīng)測的清水的EC值為0.277ms/cm，母液罐的進(jìn)水管和出液管通過控制電磁閥通斷和調(diào)節(jié)注肥泵的流量大小確保進(jìn)出的流量相等，以使母液罐中保持50L水不變。以山東地區(qū)小麥為例，根據(jù)農(nóng)藝要求，一般在拔節(jié)期追肥189kg/hm2。

根據(jù)上文確定第一階段灌溉時間是10min，可根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)第二階段灌溉施肥時間計算公式可以計算出第二階段的時間為23～120min，結(jié)合整個灌溉時間，我們?nèi)?0min。剩余為第三階段的灌溉時間。灌溉作業(yè)時用秒表開始計時直到灌溉結(jié)束，同時EC傳感器對母液進(jìn)行EC值測量并記錄數(shù)據(jù)，用EC值變化顯示灌溉施肥三個時間階段的變化。試驗結(jié)果如圖2所示。

圖中四種顏色曲線分別代表四種不同種類肥料在灌溉施肥過程中母液濃度的變化響應(yīng)情況。其中黑色是水溶肥、藍(lán)色是小顆粒尿素、紅色是大顆粒尿素以及粉色是氯化鉀。從圖中EC值變化曲線可以看出灌溉施肥過程分為灌溉、灌溉施肥和灌溉三個階段。以小顆粒尿素為例，8min時排肥機(jī)構(gòu)開始排肥，接近11min時母液罐中肥液的EC值達(dá)到設(shè)定值1ms/cm，這是第一階段灌溉時間。母液罐中肥液的EC值達(dá)到設(shè)定值時開啟注肥泵開始注肥，同時進(jìn)水管電磁閥開啟，實現(xiàn)邊進(jìn)水、邊排肥混肥、邊注肥，這是第二階段灌溉施肥時間，本階段持續(xù)時間較長，約為30min。剩余則是第三階段灌溉時間約為10min鐘。經(jīng)對比，試驗數(shù)據(jù)與理論計算值基本吻合。同時，我們可以看出4種肥料基于自適應(yīng)切換控制母液濃度達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間分別約為2min、3min、4min和5min，這說明基于自適應(yīng)切換控制的方法能夠根據(jù)不同肥料快速實現(xiàn)母液濃度的動態(tài)調(diào)控，可有效的減小延遲時間。

3結(jié)語

上文針對大田作物追肥過程中普遍使用的顆粒肥，根據(jù)大田灌溉施肥作業(yè)模式，設(shè)計了一種移動式灌溉施肥一體機(jī)，能夠進(jìn)行田間灌溉施肥作業(yè)的即插即用，實現(xiàn)了全自動化灌溉施肥移動作業(yè)，進(jìn)而擺脫了地域局限性，提高了機(jī)器使用率，同時，實現(xiàn)了大田范圍內(nèi)定量補(bǔ)灌和施肥功能。

參考文獻(xiàn)：

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