基于泵注肥法智能配施肥機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

鄭雪松王曉旭張傳偉馬濤濤王寶杰田連波

(1.中化化肥有限公司，北京 100031；2.中化(煙臺)作物營養(yǎng)有限公司，山東 煙臺 265500；3.安丘市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，山東 安丘 262100)

引言

水肥一體化是實(shí)現(xiàn)化肥、農(nóng)藥用量零增長，利用率達(dá)到40%以上的最佳手段[1,2]；也是規(guī)模種植主體降本增效、實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定收益的最直接抓手[3,4]。《農(nóng)村水利水電工作年度報(bào)告》指出，2019年我國新增、恢復(fù)具備水肥一體化技術(shù)應(yīng)用條件耕地面積為84666.67hm2、改善189.6萬hm2?！缎滦娃r(nóng)業(yè)經(jīng)營主體和服務(wù)主體高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃(2020—2022年)》指出，2022年全國預(yù)期發(fā)展家庭農(nóng)場100萬家，其中各級示范家庭農(nóng)場10萬家。水肥一體化技術(shù)已經(jīng)在我國得到了較大范圍的應(yīng)用實(shí)踐，且隨著市場規(guī)模發(fā)展進(jìn)一步成為農(nóng)業(yè)一號技術(shù)[5,6]。

施肥設(shè)備是水肥一體化應(yīng)用的核心裝置，影響整個(gè)項(xiàng)目灌溉施肥質(zhì)量[7,8]。受農(nóng)業(yè)種植規(guī)模、項(xiàng)目建設(shè)成本、信息化不均衡發(fā)展、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等因素影響，重力自壓式施肥、壓差式施肥、文丘里施肥、泵注肥和文丘里組式全自動施肥在我國均有應(yīng)用場景[9]。根據(jù)作物灌溉施肥指標(biāo)或閾值設(shè)定肥料配比程序，采用模糊控制器控制電動閥開啟時(shí)間長短，通過EC傳感器控制文丘里或施肥泵施肥，滿足不同農(nóng)作物需肥要求，是全自動施肥機(jī)設(shè)計(jì)原理。但由于所用肥料種類、種植者素質(zhì)、水肥習(xí)慣傳承，這種施肥機(jī)僅在高端農(nóng)業(yè)種植或頭部企業(yè)使用。注肥泵法依靠管道內(nèi)部的水壓或者使用外部動力驅(qū)使肥液注入管道[10]，施肥過程中肥料溶液濃度隨施肥時(shí)間始終保持恒定，屬于比例施肥。不過，我國水動力注肥泵尚在研發(fā)中，不能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要；而機(jī)械驅(qū)動注肥泵流量穩(wěn)定、自動化控制性能好、對使用者學(xué)歷素質(zhì)水平要求不高，在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中等偏上的規(guī)模種植區(qū)普遍應(yīng)用。

因此，參考中國水溶肥特性，運(yùn)用自動化控制、遠(yuǎn)程通訊等技術(shù)，研發(fā)一款模擬傳統(tǒng)施肥習(xí)慣，滿足普遍規(guī)模農(nóng)場高工效、可遠(yuǎn)程終端控制、簡單易操作要求，基于注肥泵法的全自動配施肥機(jī)非常必要。

1 全自動泵注肥配施肥機(jī)設(shè)計(jì)思路

通過合理布置管道[11]、編寫PLC程序控制泵和電動閥門[12]，將稱肥、溶解、稀釋、施肥甚至肥料裝卸等傳統(tǒng)步驟自動化。根據(jù)設(shè)置的灌水施肥面積，能夠?qū)⑺璐蟆⒅?、微量元素水溶肥及有機(jī)水溶肥桶混，形成稀釋母液，并將母液按比例添加到灌溉水中的全自動配施肥機(jī)應(yīng)是普遍規(guī)模種植農(nóng)場的水肥管理的必要工具。

1.1 適宜液體水溶肥的全自動配施肥機(jī)

營養(yǎng)元素作為溶質(zhì)溶解于水中成為溶液，或借助懸浮劑作用懸浮于水中成為懸浮液，即為液體水溶肥[13]。液體水溶肥可以直接通過滴灌及噴灌系統(tǒng)施用，具有肥料利用率高、施肥準(zhǔn)確度高、均勻性好、自動化程度高但施肥成本低等優(yōu)點(diǎn)[14]。不同于以色列及其他農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家，按照中國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，大量元素水溶肥含量必須大于50%或者500g·L-1。使得市場上常見大量元素液體水溶肥密度和粘度等顯著不同于水。作物所需營養(yǎng)也不局限于氮、磷、鉀等礦物元素，還需要有機(jī)質(zhì)如氨基酸、小分子碳化合物、腐植酸等。全自動配施肥機(jī)應(yīng)滿足規(guī)模種植農(nóng)場常用液體水溶肥施用，既能夠施大量元素水溶肥，又能夠施用含氨基酸、腐植酸水溶肥或有機(jī)水溶肥。

1.2 全自動泵注肥配施肥機(jī)的功能設(shè)計(jì)

規(guī)模種植家庭農(nóng)場一般種植不止一種作物。不同作物對營養(yǎng)需求規(guī)律不同，需要氮磷鉀不同配比的肥料。全自動配施肥機(jī)應(yīng)能按一定比例將大量元素水溶肥和其它肥料桶混、注入到灌溉管網(wǎng)，滿足不同作物需求，即具有配肥和施肥功能。為降低使用成本，規(guī)模種植農(nóng)場還會采購噸桶裝的液體水溶肥；但噸桶裝液體水溶肥在農(nóng)業(yè)現(xiàn)場裝卸困難。全自動配施肥機(jī)應(yīng)能將運(yùn)輸車上的肥料轉(zhuǎn)移至貯肥桶，即具有卸肥功能。

1.3 傳統(tǒng)施肥方法步驟模擬

規(guī)模種植農(nóng)場在施用水溶肥前，會根據(jù)作物生長狀態(tài)、按照定量施肥的原則，確定本次施肥的用量。固定品規(guī)的液體水溶肥并不能滿足單次施用計(jì)量要求。使用者通常會通過稱量獲取肥料，為避免化學(xué)反應(yīng)，稱取不同類型的液體肥桶混前還應(yīng)注入一定量的清水。為了讓液體肥更均勻的注入灌溉管網(wǎng)中，使用者還會二次稀釋稱取好的液體肥，形成更大體積或重量的稀釋母液。攪拌稀釋母液形成更加均勻的作物營養(yǎng)溶液后，按一定流速將稀釋母液注入灌溉管網(wǎng)完成施肥。全自動配施肥機(jī)的工作步驟可以設(shè)定為稱量、桶混、稀釋、攪拌及施肥。

1.4 全自動泵注肥配施肥機(jī)的管路布置

配合全自動泵注肥配施肥機(jī)使用的還有液體水溶肥存貯桶、稱重桶和稀釋桶。擬將稀釋、攪拌、施肥和卸肥共用一套動力裝置，從而達(dá)到高性價(jià)比設(shè)計(jì)要求。只用一套動力裝置，完成稱量、桶混、稀釋、攪拌及施肥步驟，實(shí)現(xiàn)卸肥、配肥和施肥功能，需要合理設(shè)計(jì)管路和閥門位置。全自動泵注肥配施肥機(jī)內(nèi)部管路應(yīng)連接液體水溶肥存貯桶、稱重桶、稀釋桶及灌溉管道，設(shè)計(jì)圖見圖1。

1.5 電器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

全自動泵注肥配施肥機(jī)控制系統(tǒng)由可編程控制器和電器控制系統(tǒng)組成。電器控制系統(tǒng)包括接觸器、熱繼電器、中間繼電器、熔斷器、直流電源、稱重儀表、通訊模塊等。SIMATIC S7-200 SMART可編程控制器，其新穎的信號版設(shè)計(jì)可擴(kuò)展通信端口、數(shù)字量通道、模擬量通道；可集成3路高速脈沖輸出，頻率高達(dá)100kHz，支持PWM/PTO輸出方式以及多種運(yùn)動模式；能夠與觸摸屏、變頻器整合，提供高性價(jià)比小型自動化解決方案，滿足人機(jī)交互、控制、驅(qū)動等功能需求。

選擇GRM530 PLC無線通訊模塊實(shí)現(xiàn)PLC遠(yuǎn)程監(jiān)控和維護(hù)功能，如可實(shí)現(xiàn)觸摸屏遠(yuǎn)程下載、PLC遠(yuǎn)程調(diào)試、組態(tài)軟件遠(yuǎn)程監(jiān)控、電腦網(wǎng)頁、手機(jī)App監(jiān)控(當(dāng)前數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)、歷史報(bào)警)。采用4G、短信、語音等通訊非透明傳輸方式，實(shí)現(xiàn)多包并發(fā)采集，智能數(shù)據(jù)壓縮等算法，可降低50%以上流量。

1.6 操作界面設(shè)計(jì)

操作界面分為歡迎頁、稱重、稀釋、攪拌、施肥、卸肥、總工藝、權(quán)限及警報(bào)界面。稱重界面可以設(shè)置所需肥料重量，點(diǎn)擊“一鍵加肥”后按先加水再加肥順序完成相應(yīng)量肥料桶混；也可以點(diǎn)擊各肥按鈕手動添加相應(yīng)肥料。肥料稀釋界面可以設(shè)置需要稀釋的桶混肥料重量、稀釋加水的時(shí)間。點(diǎn)擊“稀釋自動”時(shí)，全自動泵注肥配施肥機(jī)先把桶混肥輸送到稀釋桶中，再添加預(yù)定時(shí)間的水進(jìn)行稀釋。在肥料攪拌界面中可以設(shè)置攪拌時(shí)間，點(diǎn)按攪拌自動時(shí)，全自動泵注肥配施肥機(jī)可以將稀釋桶中的肥液從底部抽出并流向頂部，通過自循環(huán)實(shí)現(xiàn)攪拌功能。設(shè)置施肥界面施肥時(shí)間后，點(diǎn)按“一鍵施肥”即可將稀釋桶中的肥液輸送到灌溉主管中。

總工藝界面中點(diǎn)擊定時(shí)畫面可以設(shè)置施肥時(shí)間段，即啟動灌水并到達(dá)預(yù)設(shè)時(shí)間時(shí)啟動或關(guān)閉施肥。以上步驟也可在完成各界面參數(shù)設(shè)定，點(diǎn)按總工藝界面的程序啟動，全自動配施肥機(jī)會按照稱重、稀釋、攪拌、施肥的步驟連續(xù)完成。

當(dāng)運(yùn)輸噸桶液體水溶肥車輛到達(dá)后，可以將連接全自動配施肥機(jī)卸肥口的軟管置于車上噸桶內(nèi)，再點(diǎn)按相應(yīng)貯肥桶卸肥閥門或卸肥自動閥門，即可將運(yùn)輸車上的肥料轉(zhuǎn)移至貯肥桶中。

2 全自動泵注肥配施肥機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)與樣機(jī)

2.1 灌溉施肥參數(shù)

施肥通道：≤5(通道可關(guān)閉，含補(bǔ)肥通道)；稱重系統(tǒng)：0～1000kg；稱重桶容積：500L(可拓展)；稀釋桶容積：1000L(可拓展)；控制觸發(fā)模式：支持時(shí)間邏輯、人機(jī)交互觸發(fā)、內(nèi)部程序觸發(fā)等模式；施肥泵可選(默認(rèn))：功率0.75kW；最大揚(yáng)程/吸程：45m/9.8m；最大流量3.7m3·h-1。

2.2 全自動泵注肥配施肥機(jī)整體結(jié)構(gòu)

機(jī)身由不銹鋼組成，全部采用防水設(shè)計(jì)，外型美觀。稱重桶容積為500L，帶蓋。稀釋桶容積為1000L，帶蓋。

3 全自動泵注肥配施肥機(jī)推廣鑒定評價(jià)

采用生產(chǎn)查定與用戶調(diào)查相結(jié)合的方法進(jìn)行。2018年6月20—28日，對樣機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)查定，作業(yè)時(shí)間為18.05h，試驗(yàn)地點(diǎn)為中化(煙臺)作物營養(yǎng)有限公司，試驗(yàn)內(nèi)容為灌水施肥。試驗(yàn)結(jié)果表明，有效度為100%。共調(diào)查了濰坊市、煙臺市、日照市、濱州市等4個(gè)地區(qū)10個(gè)用戶，可靠性用戶滿意度為100%。生產(chǎn)查定期間和可靠性用戶調(diào)查中，均未發(fā)生導(dǎo)致機(jī)具功能完全喪失、造成人身傷亡的致命故障；也未發(fā)生主要零部件或重要組成(如水泵中的泵殼、軸承座、軸等結(jié)構(gòu)件、過濾裝置、施肥裝置等)的損壞，導(dǎo)致功能嚴(yán)重下降、難以正常作業(yè)的嚴(yán)重故障。該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可靠、功能嚴(yán)謹(jǐn)符合設(shè)計(jì)要求。

適用性評價(jià)采用選點(diǎn)試驗(yàn)與用戶調(diào)查相結(jié)合的方法進(jìn)行。評價(jià)內(nèi)容包括安裝的密封性、系統(tǒng)流量、壓力、灌溉施肥等作業(yè)性能，各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。隨機(jī)抽取了濰坊市、煙臺市、日照市、濱州市等4個(gè)地區(qū)10個(gè)用戶進(jìn)行了問卷式調(diào)查，內(nèi)容包括產(chǎn)品的使用情況、適用性等，用戶滿意度為100%。

4 結(jié)論

全自動泵注肥配施肥機(jī)是一套高性價(jià)比的精確配施肥裝置。能夠根據(jù)測土配方結(jié)果、作物不同生長階段營養(yǎng)需求，將高氮型、高磷型、高鉀型單質(zhì)或復(fù)合液體水溶肥等基礎(chǔ)肥品種按一定比例混配，形成任意營養(yǎng)配比母液，滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植園區(qū)所有作物任意階段的營養(yǎng)需求；能夠?qū)I養(yǎng)母液定量或者定比例施入田間管網(wǎng)。所選用的基礎(chǔ)肥既可以為大量元素清液型，也可以為含腐植酸或氨基酸液體水溶肥。

全自動泵注肥配施肥機(jī)是一個(gè)完全模塊化的配施肥裝置，具有二次稀釋功能，適用于不同含量的液體肥。既有配肥，又有卸肥、施肥功能；既可以通過現(xiàn)場界面操作，也可通過手機(jī)、電腦App遠(yuǎn)程操控，通過遠(yuǎn)程控制，一人同時(shí)控制多臺設(shè)備，提高勞動效率，更節(jié)省人工。