温室基质栽培水肥一体化施肥系统的构建

黄语燕 刘善文 陈永快 刘现 郑鸿艺 王涛

摘要：结合作物智能化施肥发展的需求，设计一个通过蠕动泵吸取肥料母液，使肥液按设定比例与水混合成设置的浓度，并通过控制肥液的EC值、pH值和肥液进入灌溉管道的灌溉时间来实现水肥一体化自动施肥的系统。本设计的水肥一体化施肥系统采用可编程控制器（PLC）作为控制器，触摸屏作为监控设备，能根据不同作物需求设置施肥、灌溉策略，且能够实现分区域灌溉，不同区域水肥参数可单独设置，自动完成水肥一体化灌溉。它能够快速、精确地完成施肥，配好1桶150 L的肥液，约需90 s。将该系统运用到温室基质水果黄瓜栽培中，利用回水系统，大约能节水19.4%，水果黄瓜平均产量为40 761 kg/hm2。

关键词：水肥一体化;灌溉;自动施肥;蠕动泵;PLC

中图分类号： S24文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）21-0278-04

收稿日期：2018-10-15

基金项目：福建省发改委五新項目（编号：[2015]489号、闽发改投资[2018]206号）;福建省科技厅公益专项（项目：2016R1015-2）;福建省农业科学院科技创新团队（编号：STIT2017-2-12）;福建省农业科学院数字农业科技服务团队（编号：kjfw22）;福建省农业科学院院管A类项目（编号：A2017-36）;福州市科技计划项目（编号：榕科[2017]347号）。

作者简介：黄语燕（1987—），女，福建福州人，硕士研究生，研究实习员，主要从事农业电气化与自动化研究。E-mail：644621043@qq.com。

通信作者：陈永快，硕士研究生，助理研究员，主要从事设施农业研究。E-mail：86467897@qq.com。

我国植物施肥往往“大水大肥”，水肥施用方式为复合肥随水冲施，导致养分投入比例不合理，水肥利用效率较低[1]。针对这些问题，有必要对水肥一体化营养液灌溉技术进行深入研究，开发出响应快速、精度高的水肥一体化施肥系统。水肥一体化技术是在压力作用下将肥料溶液注入灌溉管道，根据设定的灌溉参数和施肥参数，为作物提供其生长发育所需的水分和养分，能有效地减少人力，提高水肥利用率，达到增产增收的效果[2-4]。

随着水肥一体化技术的成熟，设施产业发达国家，如荷兰、以色列等，均已经普及推广水肥一体化技术，并形成产品系列，如以色列NETAFIM公司研发的Netajet系列、Eldar-Shany公司研制的Frtimix系列，荷兰PRIVA公司研发的Nutri-line系列等[5]。以色列在农业生产中使用水肥一体化技术，节约了40%～60%的灌溉用水和30%～50%的肥料[6]。当前，我国也已经开展了水肥一体化技术引进与研究，吸肥系统主要采用文丘里吸肥器，如李加念等设计了文丘里变量施肥装置，并采用脉冲宽度调制（PWM）技术调节施肥量[7];袁洪波等利用文丘里混合器设计了温室水肥一体化营养液调控系统[8];李友丽等利用文丘里混合器设计了有机栽培水肥一体化系统[9]。文丘里施肥装置具有调节压力范围有限，对主管流量稳定性要求较高，系统压力损失大，且只能吸取液体等缺点[10]。

本研究所用系统采用蠕动泵作为吸肥原件，相对于其他吸肥器件，蠕动泵具有易于清洗和清洁，适用于液体、气体、两相流以及高黏流体，无密封件、无阀门，控制精度高，流量适应范围广等优点。系统能够将肥液按设定比例与水混合成设置的浓度，并借助灌溉管道和滴管、滴箭等设备施给植物，能够执行比较精确的施肥过程。该系统可应用于大田作物栽培、温室土壤栽培以及温室无土基质栽培模式。根据无土基质栽培模式营养液可回收的特点，本研究所用系统还另外设计了回液池、过滤器等营养液循环系统，将其应用在温室基质栽培系统中，能有效地提高水肥利用率。

1水肥一体化系统硬件结构及工作原理

1.1系统硬件结构

如图1所示，水肥一体化施肥系统主要由配肥系统、灌溉系统、营养液循环系统等三大部分组成。配肥系统主要包括蓄水池、进水水泵、进水电磁阀、混肥桶、混肥桶液位传感器、母液桶、蠕动泵、可溶性盐浓度（EC）及pH值传感器、肥液出水水泵等组成。灌溉系统借助灌溉管道和滴管、 滴箭等设备施水肥给植物，主要由灌溉总电磁阀、压力表、流量表、灌溉管道、分区灌溉电磁阀、栽培区清水灌溉管道、清水灌溉电磁阀等组成。营养液循环系统主要由回收管道、回收池、浮球开关、回收池水泵、过滤器、紫外线消毒装置等组成。

1.2系统工作原理

配肥系统是水肥一体化系统的核心，本系统中的混肥桶营养液调控采用基于EC值和pH值的营养液调控方式，是使肥料母液和水充分混合，并达到预设EC值、pH值的动态过程。营养液制备过程为：打开进水电磁阀，使水注入到混肥桶中，与此同时，母液桶里的各种高浓度肥液由蠕动泵注入到混肥桶中，肥液出水水泵从混肥桶抽出肥液到肥液回流支管后再回流至混肥桶，安装在支管上的EC值、pH值传感器检测管道中的肥液浓度，并将检测得到的浓度值反馈到控制系统与设定值进行比较，根据信号差值通过控制带动蠕动泵转动的步进电机转速调节施肥量。当检测到的EC值、pH值达到设定值时，打开灌溉总电磁阀和相应的分区灌溉电磁阀，使配置完成的肥液进入灌溉系统。营养液的制备过程是一个实时的动态过程，即连续不断地向混肥桶内加入水和肥料母液，并在营养液制备的同时，通过肥液出水水泵和开启灌溉电磁阀向外提供制备完成的营养液，实现随时制备、随时灌溉。

灌溉系统采用分区灌溉方式，当肥液配制完成时，按照系统设置的灌溉方式，控制分区各个电磁阀的开闭以及开闭的时间，肥液借助灌溉管道和滴箭、滴头等设备施给植物。此外，当植物只需要灌溉清水时，打开清水灌溉电磁阀和相应的分区电磁阀完成清水灌溉。

在营养液循环系统中，当液位到达一定高度时，回收池内的回收液经回收池水泵、过滤器及紫外线消毒后注入到混肥桶中，直到回收池液位达到一定的低液位。

2系统控制框图及控制原理

2.1系统控制框图

控制系统采用台达DVP-ES2系列可编程控制器（PLC）作为控制器，维控LEVI777A作为人机交互界面触摸屏。如图2所示，设计模拟量输入有EC值、pH值、液位、压力、流量。EC值、pH值的变化控制蠕动施肥泵的运转速度，压力如果超出管道承受范围则暂停设备并报警。设计数字量输出有清水灌溉电磁阀、进水电磁阀、肥液出水水泵、灌溉总电磁阀、灌溉分区电磁阀、蠕动泵、报警器等。

2.2系统控制内容及原理

水肥一体化施肥系统的配肥系统必须完成2种控制，即各种母液配比控制和施肥量控制。采用可调速步进电机控制蠕动泵转速的方式，即可较准确地控制施肥量和各通道的母液配比。由于混肥桶中的肥液混合具有在线性，因此肥液混合系统具有实时、延迟和不确定等特性，系统的滞后和惯性较大，所以肥液混合系统采用模糊控制法进行控制。系统采用负反馈闭环控制原理来实现模糊控制。首先，将输入量、控制规则、决策以及判决等模块均模糊化，输入量模糊化后即对应于一定等级的隶属度。然后，制定输入变量、输出控制变量及其论域对应不同等级模糊集中的各个语言变量的隶属度。根据实际经验总结得出，模糊控制規则是用语言变量形式表示的模糊条件语句，而起控制作用的模糊集则是以模糊规则为基础的模糊决策。最后，用模糊判决方法得到输出控制变量论域中的等级数，再经过输出精确化，输出控制指令。

灌溉部分可设置定时灌溉、周期灌溉、手动灌溉等3种灌溉方式。定时灌溉即指定在某一天的某段时间内灌溉，在一天中设定6组开始灌溉时间，设定每段时间灌溉量，可以选择灌溉的阀门号。周期灌溉即指定在一段时间内的循环灌溉，设定周期灌溉时间段内周期灌溉的灌溉时间和间隔时间，可以选择灌溉的阀门号。手动灌溉只需设定灌溉量，使用手动灌溉按钮开始和结束灌溉。

3系统软件设计

3.1系统配肥软件设计

如图3所示，开始配肥时，蠕动泵以预先设定的流速将肥液注入混肥桶内，同时将实时采集的EC值与设定值进行比较，判断是否该增加或减小蠕动泵的流速，增加或减小肥料流速是通过改变带动蠕动泵的步进电机转速实现的，即改变输入步进电机控制器信号的脉冲频率，必要时还可随时停止加入肥料。同理，实时测定营养液的pH值，如果测得的pH值高于目标值，开启酸液蠕动泵加入酸液，调整pH值。

3.2人机界面软件设计

人机界面可以从PLC中实时采集数据并发出控制命令、监控系统运行状态，同时可生成报表、历史数据库等。HMI实现的主要功能有：（1）显示功能。显示测量值、设备运行状态;（2）参数设置功能。灌溉时间、灌溉量、配肥参数等的设置;（3）数据存储。在系统运行时，历史数据库自动按设定频率记录数据，实现现场数据的存储;（4）历史数据查询。按照时间段查询历史数据;（5）实时曲线。将EC值、pH值、液位值用曲线的形式实时表示出来;（6）事件记录。对用户登陆退出、控制输入输出、数据上下限报警事件进行记录存储。

4系统实物及测试

4.1系统试验

如图4所示，试验在福建省农业科学院示范农场玻璃温室中进行。温室长64 m、宽55 m，占地面积0.352 hm2。大棚内设有内遮阳系统、外遮阳系统、湿帘、外风机、顶开窗、喷雾等设备，并配套本水肥一体化施肥系统。

2018年5月19日在温室内定植夏之光水果黄瓜幼苗（5月2日播种），2018年8月3日采收完毕。采用基质无土栽培方式进行栽培，选择条状的椰糠基质带作为栽培基质，一条基质带长1 m，可定植4株作物。温室内全部种满水果黄瓜，共定植8 870株。在种植期间对温室内的灌溉用水量、回收水量、产量等情况进行统计，并验证系统的稳定性及实用性。

4.2结果分析

经测试，水肥一体化系统控制精度高，配好1桶150 L的肥液，约需90 s，EC值控制精度为±0.2 mS/cm，pH值控制精度为±0.2。

每周混肥桶灌溉出水量及回收池的回收水量统计结果如表1所示，可以看出，混肥桶灌溉出水量合计为1 112.8 m3，回收池回水量合计为215.5 m3。经计算，本研究所栽培温室黄瓜整个生长周期共需消耗水897.3 m3（混肥桶灌溉出水量-回水池回水量），利用回收系统，大约能节省灌溉出水量的19.4%。

由表2可知，温室内水果黄瓜总产量为14 349 kg，平均产量为40 764 kg/hm2，单株总产量为1.62 kg。

5结论

本研究所用水肥一体化灌溉系统由人机交互界面触摸屏（HMI）、可编程控制器（PLC）、蠕动泵、母液桶、混肥桶、传感器、电磁阀、管件等组成，采用基于EC值和pH值的营养液调控方式，能够按照用户设置的灌溉施肥方式，通过机器上的一套线性可调速蠕动泵准确地配置出符合配方设定比例要求的营养液，并输送到相应灌溉分区，每个栽培分区水肥配方可独立设置。经测试，水肥一体化系统控制精度高，配好1桶150 L 的肥液，大概需要90 s，EC值控制精度为±0.2 mS/cm、pH值控制精度为±0.2。将该系统运用到温室基质栽培区内，利用回水系统，大约能节水19.4%，水果黄瓜平均产量为40 761 kg/hm2。本系统具有较广的灌溉流量和灌溉压力适应范围，能够充分满足大田作物栽培、温室土壤栽培以及温室无土基质栽培等场合的灌溉施肥需要。

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