盛文祥 ,彭 誠(chéng) ,儲(chǔ)開(kāi)念
(合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽 合肥 230000)
水肥一體化施肥機(jī)是將施肥與灌溉多任務(wù)融合并行實(shí)現(xiàn)的一種現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械。雖然我國(guó)水資源總量高居世界第六,但是人均水資源占有量?jī)H為世界平均水平的28%[1]。其中,農(nóng)業(yè)用水不科學(xué)導(dǎo)致水資源利用率較低[2]。很多地方仍采用水肥分施,盲目追求施肥量,導(dǎo)致水肥資源的嚴(yán)重浪費(fèi)[3]。水肥一體化施肥機(jī)按照農(nóng)作物的不同生長(zhǎng)需求,可通過(guò)調(diào)控水肥的施加量來(lái)達(dá)到科學(xué)合理灌溉施肥的目的[4]。為了精確完成這一目標(biāo),混肥系統(tǒng)的控制系統(tǒng)顯得尤為重要。傳統(tǒng)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)多采用對(duì)單一變量進(jìn)行控制的方式,這使得系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)單一,系統(tǒng)之間多變量溝通效率低,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)固化,調(diào)整升級(jí)難度大[5]。LabVIEW 采用圖形化編程語(yǔ)言,具有控制界面清晰、系統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)單以及與外部設(shè)備通信快速穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),使得開(kāi)發(fā)效率大大提高[6]。
本文對(duì)多通道水肥一體化施肥機(jī)混肥系統(tǒng)中各通道自動(dòng)定量定比混肥功能展開(kāi)研究,設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW 的多通道水肥一體化施肥機(jī)混肥系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了多通道水肥定量定比控制,推進(jìn)了我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。
多通道水肥一體化施肥機(jī)各通道自動(dòng)定量定比混肥控制系統(tǒng)由傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集終端、控制模塊和上位機(jī)組成。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。
圖1 LabVIEW定量定比混肥系統(tǒng)流程圖
系統(tǒng)控制模塊采用西門(mén)子S7-200PLC,傳感器采用電流型傳感器,通過(guò)合理布置,將各通道所采集數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信傳遞到數(shù)據(jù)采集終端與上位機(jī)。上位機(jī)通過(guò)串口通信將控制指令傳遞到控制模塊,實(shí)現(xiàn)各通道水肥比例的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
圖2 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
軟件是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心之一,LabVIEW 廣泛應(yīng)用于測(cè)試與控制[7],為保證軟件與硬件的無(wú)縫連接,本系統(tǒng)采用圖形化編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)控制程序的可視化編寫(xiě),通過(guò)LabVIEW 內(nèi)置的傳感器數(shù)據(jù)采集模塊配置通道可以準(zhǔn)確方便地采集所需數(shù)據(jù)[8]。根據(jù)所選用的傳感器數(shù)據(jù)傳輸方式,本系統(tǒng)采用串口通信方式來(lái)采集pH 檢測(cè)儀、EC 計(jì)、流量計(jì)等設(shè)備傳回的數(shù)據(jù)信息,并反饋相應(yīng)的控制參數(shù)到電磁閥以調(diào)節(jié)開(kāi)度。本系統(tǒng)主要包括三大部分:數(shù)據(jù)采集與處理,關(guān)鍵數(shù)據(jù)可視化處理,主要參數(shù)調(diào)節(jié)控制。通過(guò)串口通信進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集,通過(guò)LabVIEW 內(nèi)部公式節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。關(guān)鍵數(shù)據(jù)采用波形圖顯示,同時(shí)以數(shù)值的形式精確表達(dá)??刂浦饕菍?duì)各通道成分占比的控制,針對(duì)多通道定量定比混肥系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型,如下式所示。
其中,Xi為第i條通道液肥占比;aij為第i通道第j次采集得到的瞬時(shí)流量。
1.1.1 數(shù)據(jù)采集與處理
系統(tǒng)工作之前,首先要進(jìn)行端口配置,一般情況下采用默認(rèn)參數(shù)即可。串口配置完成后,VISA 即可正常讀取傳感器傳送到緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)[9]。讀取到有效數(shù)據(jù)后,以矩陣的形式存儲(chǔ),如矩陣A,程序根據(jù)公式節(jié)點(diǎn)函數(shù)組按照建立起來(lái)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行處理,輸出各通道流量值、pH值等其他重要參數(shù)。
1.1.2 關(guān)鍵數(shù)據(jù)可視化處理
各通道流量數(shù)據(jù)用于最終計(jì)算各通道成分占比,是重要的源數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用波形圖結(jié)合數(shù)值顯示的方法實(shí)時(shí)反映各通道流量狀況[10]。水肥各成分占比能夠最直觀地反映系統(tǒng)的工作性能,因此采用波形圖實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各成分占比情況。
1.1.3 主要參數(shù)調(diào)節(jié)控制
系統(tǒng)根據(jù)傳感器采集到的各通道流量值計(jì)算各成分占比,并將其與設(shè)定值對(duì)比,超出誤差范圍時(shí)控制系統(tǒng)按照既定的數(shù)學(xué)模型通過(guò)調(diào)節(jié)各通道電磁閥開(kāi)度調(diào)節(jié)占比情況,直至占比處于誤差允許范圍。
根據(jù)總體設(shè)計(jì)流程圖,多通道定量定比混肥系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。水肥一體化混肥系統(tǒng)共設(shè)計(jì)6路通道,共設(shè)有6 個(gè)pH 檢測(cè)儀、6 個(gè)EC 計(jì)、7 個(gè)流量計(jì)、1 個(gè)控制終端、若干個(gè)電磁閥。其中,控制終端用于控制數(shù)據(jù)的流向[11]。各支路通道通過(guò)電磁閥的開(kāi)度控制實(shí)現(xiàn)不同肥料與水的比例的控制。各通道傳感器位置按照如圖3 所示的傳感器分布圖進(jìn)行布置,其中,正方形代表pH 檢測(cè)儀,三角形代表EC 計(jì),圓形代表流量計(jì)。
圖3 傳感器布置平面圖
本系統(tǒng)主要包含三部分,主要程序框圖如圖4 所示。根據(jù)實(shí)際混肥系統(tǒng)控制原理,控制程序?yàn)楦鱾鞲衅髟O(shè)定唯一的串口,采集到的流量數(shù)據(jù)一方面以波形圖的方式顯示,一方面直接以數(shù)值形式顯示。根據(jù)采集及計(jì)算所得數(shù)據(jù),系統(tǒng)以波形圖的形式顯示當(dāng)前60 s 內(nèi)的數(shù)據(jù)。為方便后續(xù)的統(tǒng)計(jì)分析與預(yù)測(cè),程序?qū)⑺袛?shù)據(jù)寫(xiě)入TXT文檔保存。
圖4 主程序框圖
在程序框圖設(shè)計(jì)完成的情況下,檢驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)際混肥控制能力能否達(dá)到預(yù)設(shè)值效果。如果各通道成分占比分布在預(yù)設(shè)值的合理范圍內(nèi),則證明該控制程序能夠較好地完成預(yù)定任務(wù)。如果實(shí)際結(jié)果與預(yù)設(shè)值范圍差距較大,則重新檢查程序算法的正確性以及各傳感器的實(shí)際性能,改善之后重新進(jìn)行試驗(yàn)。因此,此次試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型的正確性與混肥系統(tǒng)的可靠性。
本次試驗(yàn)選用水泵功率為2.2 kW,揚(yáng)程為45 m,泵吸體積流量8 m3/h;pH檢測(cè)儀型號(hào)為pH-100,精確度為±0.01 pH;EC 傳感器型號(hào)為EC-1800,精確度為±1%FS;進(jìn)出口管道規(guī)格為DN40的PVC管。
將測(cè)試的多通道混肥系統(tǒng)安裝在額定功率為2.2 kW 的水肥一體化施肥機(jī)中。試驗(yàn)于2023 年3 月在皖南煙葉種植基地進(jìn)行,對(duì)本控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的正確性與混肥系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了田間試驗(yàn)。定量定比混肥系統(tǒng)控制界面如圖5 所示,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖片如圖6所示。
圖5 定量定比混肥系統(tǒng)控制界面
圖6 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)
試驗(yàn)時(shí),將該系統(tǒng)各通道按照系統(tǒng)原理圖連接,開(kāi)啟電源和水泵,啟動(dòng)施肥機(jī)。待系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),連續(xù)記錄各通道瞬時(shí)流量相鄰兩次數(shù)據(jù),將其作為各通道肥料占比計(jì)算的源數(shù)據(jù)。
根據(jù)煙葉生長(zhǎng)所需肥料,本次試驗(yàn)使用同濃度的N、P、K 三種液態(tài)肥,并將設(shè)定值分別設(shè)定為34%、16%、50%。依據(jù)上述試驗(yàn)采集系統(tǒng)穩(wěn)定后各通道相鄰兩次瞬時(shí)流量數(shù)據(jù),如表1所示。
表1 各通道瞬時(shí)流量連續(xù)采樣數(shù)據(jù)
通過(guò)公式(1)和公式(2)計(jì)算各通道肥料占比情況,并與系統(tǒng)設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比分析,建立表2。由表2 可知,三通道肥料最大誤差為2.7%,屬于允許誤差范圍,表明該系統(tǒng)定量定比控制有效?;旌虾蟮姆室簆H 值為6.26,EC 值為0.42,符合本次試驗(yàn)對(duì)象煙葉的最佳生長(zhǎng)環(huán)境,同時(shí)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性。
表2 各參數(shù)實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比及誤差
1)本文設(shè)計(jì)了基于圖形化編程語(yǔ)言的多通道水肥一體化施肥機(jī)自動(dòng)定量定比混肥系統(tǒng),框圖程序開(kāi)發(fā)效率高,控制界面可視化性能強(qiáng)。
2)本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多通道水肥一體化施肥機(jī)混肥系統(tǒng)的各通道成分占比控制,具有較高的控制精度。
3)通過(guò)迭代法計(jì)算各通道成分占比,縮短了系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)調(diào)節(jié)達(dá)到設(shè)定值范圍的時(shí)間,提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率與穩(wěn)定性。