自動(dòng)施肥系統(tǒng)開發(fā)與性能測(cè)試

李明仁，蘆 陽，李東燕，張萬罡，馬慶安，賀 正，劉 揚(yáng)，馬富裕

(1.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院/新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆石河子 832003；2.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息化管理與應(yīng)用技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心(新疆兵團(tuán))，新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意義】我國干旱區(qū)滴灌面積已經(jīng)達(dá)到4×106hm2以上。在滴灌作物主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，依靠人工勞動(dòng)完成的施肥、灌溉作業(yè)與耕、播、收等作業(yè)的高度機(jī)械化、自動(dòng)化和信息化、智能化發(fā)展還不協(xié)調(diào)，需要水肥利用效率潛力深度挖掘[1]。以降低化肥施用量、提高水肥利用效率和增加經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)，推動(dòng)大田作物生產(chǎn)水肥管理裝備水平不斷提高，實(shí)現(xiàn)作物生產(chǎn)水肥管理的精準(zhǔn)化、信息化和智能化已迫在眉睫[2]?！颈狙芯窟M(jìn)展】通過滴灌技術(shù)將傳統(tǒng)生產(chǎn)條件下分別獨(dú)立實(shí)施的施肥、灌溉進(jìn)行充分的集成與融合，實(shí)現(xiàn)水肥同步實(shí)施的水肥一體化技術(shù)[3-6]，可使冬小麥水分利用效率提高57.5%，產(chǎn)量增加21.1%[7]，使番茄氮、磷、鉀吸收效率以及肥料偏生產(chǎn)力大幅提高[8]，能顯著提高棉花單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量和籽棉產(chǎn)量，促進(jìn)棉花對(duì)營養(yǎng)元素的吸收[9]。當(dāng)前廣泛使用的壓差式施肥罐是滴灌水肥一體化的主流施肥設(shè)備，雖具有結(jié)構(gòu)簡單、操作容易、投入成本低等優(yōu)點(diǎn)[10,11]，但其輸出肥液濃度難以精確控制、施肥不均勻、加肥頻次高、人工勞動(dòng)強(qiáng)度大、施肥效率低等缺陷嚴(yán)重制約化肥減量施用、提高施肥效率戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[12-14]。【本研究切入點(diǎn)】精準(zhǔn)施肥是精確農(nóng)業(yè)作業(yè)體系中的重要環(huán)節(jié)之一，隨大田作物滴灌面積迅速擴(kuò)大和智慧農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，生產(chǎn)上對(duì)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥的裝備發(fā)展要求愈加迫切。開發(fā)出一種適宜于固態(tài)肥使用的自動(dòng)施肥裝置，對(duì)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥、降低化肥用量具有重要意義[15-18]。需開發(fā)一種適應(yīng)于以固態(tài)水溶肥為原料的自動(dòng)施肥系統(tǒng)。【擬解決的關(guān)鍵問題】開發(fā)一種自動(dòng)施肥裝置，實(shí)現(xiàn)只需一次投肥可供多次分配的精確施肥功能，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高肥料利用效率，為推動(dòng)大田作物生產(chǎn)施肥的自動(dòng)化、信息化、智能化發(fā)展提供裝備支撐。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 自動(dòng)施肥裝置

自動(dòng)施肥裝置是精準(zhǔn)施肥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，該裝置由施肥管理主機(jī)和貯肥攪拌罐體總成2部分構(gòu)成。施肥管理主機(jī)由微處理控制器(ARM9電路控制模塊)、觸摸屏、流量監(jiān)測(cè)模塊、變頻器、脈沖穩(wěn)壓裝置及遠(yuǎn)程傳輸模塊等組成，貯肥攪拌罐體總成主要由貯肥攪拌罐、減速機(jī)、折葉攪拌器、液位傳感器、流量傳感器、輸水管及輸肥管等組成。系統(tǒng)工作時(shí)， 1次或分次人工加入灌溉1遍水(分多次輪灌)所需全部肥料后，操作施肥管理主機(jī)完成預(yù)攪拌時(shí)長、施肥開始時(shí)間、施肥持續(xù)時(shí)長等參數(shù)設(shè)定后，系統(tǒng)隨即進(jìn)入自動(dòng)管理狀態(tài)，系統(tǒng)按照設(shè)定的輪灌次序、啟停時(shí)間、持續(xù)時(shí)長、施肥數(shù)量等指令完成施肥管理，直至本輪施肥結(jié)束。圖1，表1

表1 主要技術(shù)指標(biāo)與技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical indicators and technical parameters

施肥機(jī)采用 ARM9 S3C2440 微處理器作為電路控制模塊的核心，配置液位監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置、功率調(diào)整變頻裝置等。圖2

注：1.貯肥攪拌罐 2.攪拌支架 3.加肥口 4.攪拌電機(jī) 5.進(jìn)水閥門 6.注肥閥門 7.灌溉系統(tǒng)主干管 8.施肥控制主機(jī) 9.主機(jī)機(jī)架 10.吸肥管

圖2 自動(dòng)施肥系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Control structure diagram of automatic fertilization system

1.2 方 法

1.2.1 攪拌器動(dòng)裝置功率確定

攪拌器運(yùn)行時(shí)需要克服的阻力包括槳葉旋轉(zhuǎn)時(shí)克服流體的摩擦阻力所消耗的功率和啟動(dòng)時(shí)葉槳克服流體靜止慣性所消耗的功率之和。

(1)

式中：P為攪拌器電機(jī)功率，W；Np為攪拌功率準(zhǔn)數(shù)，無量綱；ρ為肥液密度，kg/m3；n為攪拌轉(zhuǎn)速，r/s；dj為攪拌器直徑，m。在上式計(jì)算中，Np計(jì)算比較復(fù)雜，與罐體結(jié)構(gòu)、大小及攪拌器槳葉結(jié)構(gòu)、尺寸和流體的特性等因素相關(guān)。一般通過先計(jì)算雷諾數(shù)Re，通過查Rushton圖可以得到相應(yīng)的功率準(zhǔn)數(shù)Np，該方法相對(duì)簡單、精確[20]。

(2)

攪拌器為雙層折葉結(jié)構(gòu)、上下層90°錯(cuò)角安裝，槳葉傾角45°。所用裝置參數(shù)取值如下：dj=1.0 m，n=0.67 r/s(40 r/min)，ρ=1 300 kg/m3；μ為肥料黏度，查化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)[21]，常溫下μ=0.893 7×10-3Pa.s。將以上參數(shù)代入公式，雷諾數(shù)Re值9.7×105，查Rushton算圖，得到相應(yīng)功率準(zhǔn)數(shù)Np=0.71。代入式(1)，計(jì)算得到P值320 W。當(dāng)計(jì)算結(jié)果小于1 Kw時(shí)，應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校正調(diào)整，調(diào)整原則，當(dāng)0.1≤P≤1.0時(shí)，P實(shí)=校正系數(shù)×P，校正系數(shù)取1～4。結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)情況可能較為復(fù)雜，適當(dāng)放大校正系數(shù)，此處取校正系數(shù)4，得到攪拌機(jī)電機(jī)最終選型功率為1.3 Kw，攪拌器功率選型應(yīng)不低于1.3 Kw的動(dòng)力裝置，在裝置實(shí)際應(yīng)用時(shí)確定額定功率為1.5 Kw。

注：H1. 罐體高度 H2.第二層葉槳距罐底高度 H3. 第一層槳葉距罐高度 D1. 罐體內(nèi)徑 D2攪拌器寬度

1.2.2 注肥泵類型及其電機(jī)功率選型

選擇輸出量程100～2 000 L/h、額定電機(jī)功率1.5 Kw的蠕動(dòng)泵作為注肥動(dòng)力裝置，實(shí)測(cè)可行。

1.2.3 測(cè)試裝置

(1)計(jì)量精度測(cè)試。模擬生產(chǎn)應(yīng)用場(chǎng)景搭建測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行計(jì)量方法的精度測(cè)試。采用0.1 g精度電子天平稱重法，以排肥量50 L作為設(shè)定值，設(shè)計(jì)6個(gè)管道壓力(0、0.5、1、1.5、2和2.5 bar)、4個(gè)注肥速率(8.3、10.0、12.5、16.7 L/min)，每個(gè)處理重復(fù)3次，對(duì)3種肥液輸出計(jì)量方法(計(jì)時(shí)法、電磁流量計(jì)法、電感脈沖計(jì)量法)的精準(zhǔn)性進(jìn)行檢測(cè)，比較不同計(jì)量方法、變量輸出條件下的計(jì)量偏差，選取誤差較低、投入成本適宜的方法為本系統(tǒng)的計(jì)量方法。

(2)肥液濃度均勻性分布檢測(cè)。對(duì)4種攪拌轉(zhuǎn)速(15、23、31、38 r/min)、3個(gè)預(yù)攪拌時(shí)長(10、20、30 min)、4個(gè)注肥速率(8.3、10.0、12.5、16.7 L/min)肥液濃度的均勻性檢測(cè)。供測(cè)試用的肥料分別為尿素(N≥46.3%)、磷酸一銨(N+P2O5≥73%)和硫酸鉀(K2O≥50%)。肥液均勻度測(cè)試方法，使用S15D-1500單點(diǎn)精確液體取樣器(昆山萊曼機(jī)械科技有限公司)分層提出肥液，單次提取液體積50 mL，使用80 μm定量濾紙過濾法[22]分離肥液中固態(tài)肥含量(濃度)并測(cè)算所占比例，當(dāng)各液位間濃度差異小于5%即達(dá)到設(shè)計(jì)要求。圖4

圖4 系統(tǒng)性能測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Schematic diagram of the performance test for the system

1.2.4 電路控制模塊

電路控制模塊的核心采用 ARM9 S3C2440 微處理器，這種處理器使用了2片外接的32 Mbytes 的 SDRAM 芯片作為內(nèi)存，并接在一起形成32 bit 的總線，其具有足夠的 IO口和模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，可靠性和集成度高，可滿足施肥機(jī)的控制需求。顯示器選用了 TFT-LCD(薄膜晶體管液晶顯示器)屏幕，工作電壓在 1.5～6 V ，可直接使用控制模塊提供的電壓。電路控制模塊中配置的液位監(jiān)測(cè)裝置主要由光電開關(guān)、LED 燈和蜂鳴器報(bào)警電路組成。液位監(jiān)測(cè)裝置用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)貯肥攪拌罐內(nèi)剩余肥液狀況。圖5

圖5 液位監(jiān)測(cè)裝置工作原理電路示意Fig.5 Circuit working principle diagram of liquid level monitoring device

2 結(jié)果與分析

2.1 不同計(jì)量方法的精度

研究表明，不同注肥速率、管道壓力下，電感脈沖計(jì)量法的誤差最大值1.26% ，最小值0.79%，平均誤差0.96%；電磁流量計(jì)量法的誤差最大值1.01%，最小值0.59%，平均值0.79%；計(jì)時(shí)計(jì)量法誤差最大值為2.45%，最小值為1.92%，平均值為2.22%。計(jì)時(shí)計(jì)量法精度最低，電感脈沖計(jì)量法和電磁流量計(jì)計(jì)量法的肥液輸出精度都達(dá)到了較好的水平，符合設(shè)計(jì)需求。電感脈沖計(jì)量法為系統(tǒng)計(jì)量使用方法。表2

表2 3種計(jì)量方法精度檢測(cè)Table 2 Accuracy test for timing measurement method

2.2 攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)肥液均勻度的影響

研究表明，在15、23和31 r/min 3種攪拌轉(zhuǎn)速條件下，0～40 cm液位肥液濃度顯著高于80 cm液位(P<0.05)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到38 r/min時(shí)，不同液位的肥液濃度趨于一致，罐內(nèi)固液相混合達(dá)到均勻狀態(tài)，液位間差異不顯著。即低轉(zhuǎn)速下罐體下部固相分布高于上部，但隨著取樣高度的增加，這種差異逐漸下降，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到38 r/min時(shí)液位間的差異消除。裝置攪拌適宜轉(zhuǎn)速確定為38 r/min。圖6

圖6 不同攪拌轉(zhuǎn)速下不同液位肥液均勻度比較Fig.6 Comparison of fertilizer mixture uniformity between liquid level under different mixing speeds

2.3 預(yù)攪拌時(shí)間對(duì)均勻度的影響

研究表明，當(dāng)預(yù)攪拌時(shí)間達(dá)到30 min以上時(shí)，液位間的肥液濃度差異性不再顯著(P>0.05)，達(dá)到較理想的均勻水平。因此，在本裝置設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)定預(yù)攪拌時(shí)間達(dá)到30 min以上時(shí)系統(tǒng)才能開始啟動(dòng)施肥程序。

圖7 不同預(yù)攪拌時(shí)間下不同液位肥液均勻度比較Fig.7 Comparison of fertilizer mixture uniformity between liquid level under different premixing times

2.4 配肥濃度對(duì)均勻度

研究表明，各處理不同液位肥液的濃度具有較好的分布均勻性，沒有明顯的液位差異性，當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速和預(yù)攪拌時(shí)間為優(yōu)化參數(shù)時(shí)，肥、水比例不會(huì)對(duì)施肥均勻度造成不良影響。圖8

圖8 不同肥水比例下不同液位肥液均勻度比較Fig.8 Comparison of fertilizer mixture uniformity between different liquid level with different fertilizer/water ratio

3 討 論

攪拌轉(zhuǎn)速與肥液固液相在罐內(nèi)不同液位間分布狀態(tài)密切相關(guān)[23]。針對(duì)4種肥、水重量比例(1∶1，1∶1.5，1∶3和1∶4)配制處理下的肥液(分別代表了生產(chǎn)實(shí)踐中肥液濃度高、中、低和很低4種水平)，以轉(zhuǎn)速38 r/min攪拌30 min后對(duì)不同液位的肥液取樣。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了大田滴灌作物自動(dòng)施肥裝置，通過ARM9電路控制模塊完成對(duì)輪灌編組、預(yù)攪拌時(shí)長、施肥開始與結(jié)束時(shí)間、施肥持續(xù)時(shí)長、施肥量等的設(shè)置；選擇以蠕動(dòng)泵為注肥裝置，通過變頻器控制注肥泵電機(jī)功率的方式控制注肥速率，從而實(shí)現(xiàn)定量精確施肥。

4 結(jié) 論

4.1利用輸出肥液設(shè)定值與實(shí)測(cè)值誤差較小、成本投入經(jīng)濟(jì)合理相結(jié)合的方法，確定電感脈沖計(jì)量法為本裝置的肥液輸出計(jì)量方法；以輸出肥液不同液位間無顯著差異為依據(jù)，確定施肥開始前預(yù)攪拌時(shí)間不低于30 min、適宜攪拌速率不低于38 r/min；設(shè)計(jì)通過PLC現(xiàn)場(chǎng)控制和通過手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制2種自動(dòng)施肥操控管理模式。

4.2在肥、水比1∶1至1∶4范圍內(nèi)配制的肥液均有良好的濃度均勻性。為了提高系統(tǒng)的使用效率、最大化減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度、一次性盡可能投入較多肥料進(jìn)行肥液制作，當(dāng)?shù)?、磷、鉀等大量元素同步施用時(shí)，肥、水最大比例允許達(dá)到1∶1。

4.3以高水溶性肥料為肥料，采用現(xiàn)配現(xiàn)施的方法，通過自動(dòng)施肥系統(tǒng)將固態(tài)肥液體化利用，在大幅降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)施肥的均勻性。