葉根菜水肥藥一體化裝置設(shè)計與試驗

董 微，張曉文，封喜雷，周增產(chǎn)，姚 濤

(北京市農(nóng)業(yè)機械研究所有限公司，北京100096)

0 引言

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)“大水大肥”的生產(chǎn)方式，不僅浪費水肥資源、污染環(huán)境，而且制約了我國農(nóng)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。水肥藥一體化技術(shù)是提高水肥利用率、肥藥減施的重要手段，是目前國際公認最好的灌溉施肥技術(shù)[1-3]。水肥藥一體化技術(shù)可以按照設(shè)施蔬菜生長要求，通過低壓管道系統(tǒng)與安裝在毛管上的灌水器將水和蔬菜需要的養(yǎng)分、藥液緩慢而均勻地供應(yīng)到作物根部，使作物更充分地吸收并減少肥料損失，大幅提高肥料利用率[4-6]。

膜下滴灌水肥藥一體化技術(shù)將地膜栽培與地表滴灌相結(jié)合，地膜覆蓋在很大程度上抑制了地表滴灌的水分蒸發(fā)，進一步提高了灌溉水的利用效率，同時也利用地膜的保溫效應(yīng)為作物生長創(chuàng)造了良好的土壤熱量條件，達到顯著節(jié)水和調(diào)節(jié)地溫的作用[7-10]。近年來，膜下滴灌水肥藥一體化技術(shù)得到了廣泛推廣應(yīng)用，解決了因肥料、農(nóng)藥過量施用而引起的一系列問題?；谠摷夹g(shù)，設(shè)計了葉根菜水肥藥一體化裝置。

1 裝置組成

葉根菜水肥藥一體化裝置由灌溉系統(tǒng)、配肥配藥系統(tǒng)、自動報警系統(tǒng)和變頻控制系統(tǒng)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 工作原理

葉根菜水肥藥一體化裝置采用膜下滴灌水肥藥一體化技術(shù)，該技術(shù)以水為載體，根據(jù)葉根菜生長需要及土地墑情變化，按照一定的比例將可溶肥(藥)母液融入水中，通過灌溉裝置均勻而緩慢地滴入葉根菜根區(qū)土壤中，精準施肥(藥)，防止過度浪費，減少病蟲害發(fā)生，改善土壤結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的良性循環(huán)。葉根菜水肥藥一體化裝置工作原理如圖2所示。

1.EC/pH傳感器 2.攪拌器 3.液位傳感器 4.過濾器 5.攪拌電機 6.肥料混水電磁閥 7.單向閥 8.肥液文丘里混合器 9.肥液氣動調(diào)節(jié)閥 10.肥液箱 11.酸堿液文丘里混合器 12.酸堿液氣動調(diào)節(jié)閥 13.酸堿液箱 14.農(nóng)藥箱 15.農(nóng)藥箱電磁閥 16.加藥計量泵 17.混合罐 18.灌溉用水泵圖1 葉根菜水肥藥一體化裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure diagram of water，fertilizer and pesticide integration device for leafy root vegetables

3 灌溉系統(tǒng)設(shè)計

灌溉系統(tǒng)由電磁閥、壓力表、流量計、疊片式過濾器和灌溉用水泵等部分組成。為了實現(xiàn)自動輪灌，每個分灌區(qū)的閥門使用電磁閥，控制閥門安裝于每個輪灌區(qū)的分干管上。電磁閥可連接到水肥一體化裝置的主機上，由預(yù)先設(shè)定的灌溉計劃進行輪灌或根據(jù)智能傳感器采集的數(shù)據(jù)控制電磁閥的開啟和關(guān)閉，通過田間管網(wǎng)和滴頭，均勻、定時、定量地供給作物根系發(fā)育生長區(qū)域，使主要根系土壤始終保持疏松和適宜的含水量。

葉根菜水肥藥一體化裝置可使用的水源多為地下水，水中存在雜質(zhì)，會影響滴頭正常工作，因此配置了疊片式過濾器，防止配肥配藥和施肥施藥過程中滴頭被雜質(zhì)堵塞而不能正常工作。

4 配肥配藥系統(tǒng)設(shè)計

4.1 肥料配給系統(tǒng)

肥料配給系統(tǒng)主要包括肥液箱、肥液氣動調(diào)節(jié)閥、肥液文丘里混合器，以及酸堿液箱、酸堿液氣動調(diào)節(jié)閥、酸堿液文丘里混合器兩路系統(tǒng)。系統(tǒng)中預(yù)設(shè)了EC/pH指標值，控制器根據(jù)EC/pH傳感器提供的反饋值，及時調(diào)節(jié)相應(yīng)氣動閥門的開關(guān)，在文丘里混合器的作用下將肥液注入到混合罐中，從而使注入到混合罐內(nèi)的肥液量始終保持在指標范圍內(nèi)，同時完成水肥的混合。

4.2 農(nóng)藥配給系統(tǒng)

農(nóng)藥配給系統(tǒng)主要由農(nóng)藥箱、農(nóng)藥箱電磁閥及計量泵組成。在需要噴灑農(nóng)藥時，根據(jù)液位計提供的水位值，控制系統(tǒng)結(jié)合所使用農(nóng)藥配比，計算出所需的農(nóng)藥量，由計量泵將農(nóng)藥注入到混合罐內(nèi)。

5 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)采用國產(chǎn)PLC，通過無線串口實現(xiàn)計算機與PLC之間的通訊，擺脫線纜束縛，使其之間的搭配更靈活。上位機與下位機之間采用主從通訊方式，即PLC嚴格按照計算機的指令進行工作。

控制系統(tǒng)主要控制灌溉水泵，為整個管網(wǎng)提供均勻的壓力輸送，保證滴頭出水的均勻性。灌溉系統(tǒng)出水口裝有壓力表，可將出水口的壓力信號傳輸?shù)阶冾l器的輸入端，變頻器檢測實際輸出的壓力信號是否達到設(shè)定值，如果沒有達到設(shè)定值，則提高輸出頻率，提高灌溉泵的轉(zhuǎn)速，以增加管道壓力達到設(shè)定值。當達到設(shè)定值后，輸出頻率穩(wěn)定，電機轉(zhuǎn)速恒定以保證水壓恒定。

圖2 葉根菜水肥藥一體化裝置工作原理Fig.2 Working principle diagram of water，fertilizer and pesticide integration device for leafy root vegetables

圖3 水肥藥一體化裝置控制系統(tǒng)界面Fig.3 Control system interface of water，fertilizer and pesticide integration device

通過裝置上配備的PLC可編程控制器實現(xiàn)對灌溉施肥施藥過程的全程控制，保證作物及時、精確地水分和營養(yǎng)供應(yīng)，實現(xiàn)EC、pH值的實時監(jiān)控。同時也減少灌溉施肥施藥過程中人為主觀因素給作物生長帶來的影響。水肥藥一體化裝置控制系統(tǒng)界面如圖3所示。

6 自動報警系統(tǒng)設(shè)計

水肥藥一體化裝置配置了灌溉施肥施藥自動報警系統(tǒng)，實施監(jiān)控灌溉施肥施藥全過程，當裝置運行發(fā)生故障或出現(xiàn)灌溉施肥施藥錯誤時，報警系統(tǒng)會自動發(fā)出警報并立即停止灌溉作業(yè)，避免造成更大的損失。當裝置錯誤或故障解除后，裝置可自動恢復(fù)運行。

(1)系統(tǒng)采集的主要參數(shù)包括EC值、pH值、壓力和回液箱水位。由于系統(tǒng)EC值和pH值波動范圍較大，變化速度快，如果傳感器發(fā)生故障導(dǎo)致系統(tǒng)的營養(yǎng)液濃度和酸堿度超出設(shè)定范圍，會影響作物生長，嚴重時甚至?xí)?dǎo)致作物絕收。故而系統(tǒng)的EC值和pH值傳感器各設(shè)兩路檢測回路，一路信號數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)控制參數(shù)，另外一路信號數(shù)據(jù)作為監(jiān)測信號，若兩個傳感器檢測數(shù)據(jù)相差過大且超過一定范圍，則判定其中一個傳感器出現(xiàn)故障，發(fā)出報警信號，降低系統(tǒng)因傳感器故障而導(dǎo)致誤操作的概率。

(2)當EC值超過上限或者pH值超過下限時，采用向回液箱中補水的方式促使系統(tǒng)EC值和pH值回歸正常數(shù)值區(qū)間，若此時回液箱水位處于高限，則系統(tǒng)報警，提醒管理人員進行應(yīng)急處理，同時系統(tǒng)將未添加高濃度營養(yǎng)液和酸液的灌溉水供給種植區(qū)。

(3)當系統(tǒng)處于多灌區(qū)同時工作狀態(tài)時，采用輪灌模式工作。若灌溉過程中系統(tǒng)發(fā)生壓力過高或者過低的異常情況時，系統(tǒng)將發(fā)出管路堵塞或者漏水的警告。

7 生產(chǎn)試驗

7.1 試驗條件

選取大白菜作為試驗對象，在北京市通州區(qū)試驗示范基地進行水肥藥一體化裝置的配肥試驗測試(圖4)。

圖4 水肥藥一體化裝置測試Fig.4 Test of water，fertilizer and pesticide integration device

7.2 營養(yǎng)液原液配置

將肥料箱內(nèi)A肥、B肥和酸按照比例進行稀釋，依次注入混合罐，攪拌均勻。原始料液參數(shù)如表1所示。

表1 原始料液參數(shù)

7.3 營養(yǎng)液參數(shù)設(shè)定

根據(jù)大白菜水肥一體化灌溉生產(chǎn)要求，在控制系統(tǒng)中預(yù)設(shè)營養(yǎng)液的EC值和pH值，通過在線傳感器實時監(jiān)測營養(yǎng)液的EC值和pH值，當EC值和pH值在設(shè)定的范圍內(nèi)，系統(tǒng)根據(jù)控制要求定時定量自動灌溉，實現(xiàn)水、肥的精確灌溉。當EC值或pH值超出設(shè)定值，則根據(jù)程序自動進行營養(yǎng)液濃度調(diào)控。系統(tǒng)具有自動和手動控制功能，用戶可以選擇自動和手動兩種方式進行灌溉施肥控制，增加系統(tǒng)控制的靈活性和安全性。營養(yǎng)液EC值和pH值設(shè)定值如表2所示。

表2 營養(yǎng)液EC和pH設(shè)定值

7.4 自動配肥試驗

液位計檢測到低液位設(shè)定值時輸出信號，自動打開供水電磁閥，給營養(yǎng)液箱供水，當液位達到最大加水液位設(shè)定值時液位計輸出信號，關(guān)閉供水電磁閥。自動打開攪拌電磁閥，啟動營養(yǎng)液輸送泵，自動打開肥料輸送電動球閥，當EC傳感器和pH傳感器檢測到營養(yǎng)液的EC值和pH值達到設(shè)定值范圍內(nèi)，關(guān)閉肥料輸送電動球閥，打開營養(yǎng)液輸送電磁閥，關(guān)閉攪拌電磁閥，開始通過灌溉系統(tǒng)輸送營養(yǎng)液，當營養(yǎng)液液面達到設(shè)定值時關(guān)閉營養(yǎng)液輸送泵，采用電導(dǎo)率測定儀和pH計測定滴灌管內(nèi)營養(yǎng)液的EC值和pH值。在4次施肥作業(yè)中，選取3條滴灌帶上的同一位置(A、B、C)作為測試點，測試數(shù)據(jù)如表3所示。試驗結(jié)果表明，水肥藥一體化裝置在自動配肥試驗中誤差均<±0.1，符合設(shè)計要求。

表3 試驗數(shù)據(jù)

8 結(jié)束語

葉根菜水肥藥一體化裝置可根據(jù)作物的需肥量精準配肥，肥料通過灌水均勻直達作物根部，減少肥料和藥物的揮發(fā)和流失及養(yǎng)分過?；虮煌寥拦潭ǖ仍斐傻膿p失，可實現(xiàn)節(jié)水、節(jié)肥、改善微生物環(huán)境和預(yù)防病蟲害的功能，具有施肥簡單、供肥精準、用藥集中、作物容易吸收和肥料藥物利用率高等優(yōu)點，對于設(shè)施內(nèi)葉根菜高效安全生產(chǎn)具有重要意義。