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(kāi)發(fā)適合我國(guó)具體情況的、低成本的水電肥一體化專用設(shè)備，實(shí)現(xiàn)在線精量配肥、全自動(dòng)化灌溉施肥功能，對(duì)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(huì)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(dòng)力供應(yīng)問(wèn)題，其一體機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1。

1.月巴料漏斗2.移動(dòng)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(jì)方案和進(jìn)行了關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)選型后，進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)搭建，經(jīng)過(guò)加工、組裝，完成試驗(yàn)臺(tái)的搭建工作。

在完成試驗(yàn)臺(tái)搭建并進(jìn)行試驗(yàn)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(jì)：整機(jī)尺寸和重量減小、防水性能增強(qiáng)、操作更簡(jiǎn)便、更多可拆卸組裝部分，對(duì)其進(jìn)行二代樣機(jī)的加工?，F(xiàn)已完成試驗(yàn)臺(tái)和一代樣機(jī)的加工與試驗(yàn)，二代樣機(jī)正在軟件調(diào)試階段。

2田間作業(yè)試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

針對(duì)建立的灌溉施肥時(shí)間分配模型和肥料母液動(dòng)態(tài)調(diào)控?cái)?shù)學(xué)模型，進(jìn)行灌溉施肥過(guò)程中動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)。

試驗(yàn)地點(diǎn)在山東省泰安市岱岳區(qū)馬莊鎮(zhèn)省級(jí)農(nóng)技推廣試驗(yàn)基地，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)混肥配方、實(shí)時(shí)檢測(cè)、精量注肥等操作，整個(gè)過(guò)程實(shí)時(shí)采集的流量和EC值數(shù)據(jù)通過(guò)RS485總線上傳到工業(yè)平板電腦進(jìn)行記錄。整個(gè)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(shí)。

2.2動(dòng)態(tài)性能驗(yàn)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(yàn)，來(lái)驗(yàn)證灌溉施肥時(shí)間分配模型的準(zhǔn)確性和母液濃度能動(dòng)性調(diào)控。根據(jù)對(duì)灌溉施肥時(shí)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(yàn)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(zhǎng)勢(shì)在單次灌溉施肥作業(yè)中確定追肥量為13kg，經(jīng)計(jì)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(jì)算公式可以估算出母液濃度為0.2，公式（2-4）計(jì)算出母液EC值為1.08，試驗(yàn)設(shè)定EC=1ms/cm。母液罐中裝有50L的清水，經(jīng)測(cè)的清水的EC值為0.277ms/cm，母液罐的進(jìn)水管和出液管通過(guò)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(shí)間是10min，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)第二階段灌溉施肥時(shí)間計(jì)算公式可以計(jì)算出第二階段的時(shí)間為23～120min，結(jié)合整個(gè)灌溉時(shí)間，我們?nèi)?0min。剩余為第三階段的灌溉時(shí)間。灌溉作業(yè)時(shí)用秒表開(kāi)始計(jì)時(shí)直到灌溉結(jié)束，同時(shí)EC傳感器對(duì)母液進(jìn)行EC值測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)，用EC值變化顯示灌溉施肥三個(gè)時(shí)間階段的變化。試驗(yàn)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(guò)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(guò)程分為灌溉、灌溉施肥和灌溉三個(gè)階段。以小顆粒尿素為例，8min時(shí)排肥機(jī)構(gòu)開(kāi)始排肥，接近11min時(shí)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(shí)間。母液罐中肥液的EC值達(dá)到設(shè)定值時(shí)開(kāi)啟注肥泵開(kāi)始注肥，同時(shí)進(jìn)水管電磁閥開(kāi)啟，實(shí)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(shí)間，本階段持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，約為30min。剩余則是第三階段灌溉時(shí)間約為10min鐘。經(jīng)對(duì)比，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值基本吻合。同時(shí)，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(shí)間分別約為2min、3min、4min和5min，這說(shuō)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(shí)現(xiàn)母液濃度的動(dòng)態(tài)調(diào)控，可有效的減小延遲時(shí)間。

3結(jié)語(yǔ)

上文針對(duì)大田作物追肥過(guò)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(jì)了一種移動(dòng)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(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化灌溉施肥移動(dòng)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(shí)，實(shí)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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