一体化灌溉施肥机电气控制系统优化研究

姜先锋

(江苏省如皋中等专业学校，江苏 南通 226500)

0 引言

近年来，我国的灌溉技术和施肥技术不断向智能化方向延伸，经查阅文献了解到，国内外专家学者从单一的灌溉或施肥研究已经转变为混合研究。一体化灌溉施肥技术作为近年来新提出的作物培育方法，在国外已得到了不同作物的应用，国内的一体化融合技术正在发展，离成熟阶段有一定差距。例如，某高校选择针对单一的施肥机进行精确定量控制，而水分灌溉并未实现一体化。为此，针对一体化灌溉施肥机的电气控制系统进行优化研究(作业外形图见图1)，以期达到在水肥高效配合利用、节省水资源的同时，使得肥料效能得到最大的发挥。

图1 一体化灌溉施肥机作业外形图Fig.1 Contour diagram of the integrated irrigation fertilizing machine

1 整机结构及原理

一体化灌溉施肥机的作业原理表征为：通过科学合理地将水分、肥料和助溶液等按照一定比例混合在一起，达到最佳的混合浓度，在各机械部件的相互配合下，一次性同步完成施肥与灌溉的农田作业，从而保证农作物生长的需求。表1为拟设计的一体化灌溉施肥机主要技术参数。

表1 一体化灌溉施肥机主要技术参数设计Table 1 Main technical parameter design of the integrated irrigation fertilizing machine

一体化的灌溉施肥机主要包括提供动力的马达(电动机)、混合机构、排肥执行装置、槽轮、调节阀及储存水分肥料混合液的箱体等构件，工作原理如图2所示。设计达标的整机需保证进行灌溉施肥作业的稳定性、防震动性和耕深一致性，拟采用电力调控实现精确传动。

1.马达 2.排肥转轴 3.储箱 4.阻塞套 5.槽轮 6.马达 7.传感器 8.调节阀 9.GPS定位装置 10.控制器 11.转换器 12.伺服比例阀图2 一体化灌溉施肥机原理简图

Fig.2 Schematic principle diagram of integrated irrigation fertilizing machine

2 关键部件分析

2.1 电气装置

为保证灌溉与施肥的均匀性，对整机的调节模块进行电路优化改进，如图3所示。图3中：PC10与PC11共同控制水分比例调节电机的转动方向，PC12和PB12控制EC调节电机的转动方向；当控制同一电机的单片机信号同时输出电平，比例调节电机电源接通+24V，处于停止状态；当控制同一电机的单片机信号输出不同电平信号，比例调节电机运转。此调节电路调节电机转向的同时可以实时调整阀门的开度大小决定水管流量，从而保证合适的水肥比例，使得灌溉施肥智能化。

单个模块优化后，一体化灌溉施肥机形成了电气自动控制优化系统，如图4所示。在电源模块为整机提供电源的条件下，通过传感检测模块对水分肥料混合液进行参数捕获，经A/D转换、定时装置共同配合，传至CPU 控制环节；监控中心通过核心算法控制模型运算后将数据传出，经功率驱动电路达到各个控制阀执行环节，进行一体化作业。

图3 一体化灌溉施肥机调节模块控制电路图Fig.3 Circuit diagram of the control module of the integrated irrigation fertilizing machine

图4 一体化灌溉施肥机电气自动控制系统优化简图Fig.4 Optimization diagram of the electrical automatic control system on the integrated irrigation fertilizing machine

2.2 控制系统

根据一体化灌溉施肥的作业需求，通过PLC进行动作程序控制，即首先对采集到的模拟量信息进行处理，同时确定动作阀门和灌溉施肥泵体的状态，依照程序判定将信号传递至相邻设备执行相应动作，完成一体化的灌溉施肥作业。

针对作业环境，对数据采集与周边环境的匹配进行管理模块设计，具体设计组成如图5所示。主要设计优化为传感器测量与报警处理两大功能模块：报警模块参照通用的报警机理与程序，进行区域类型划分和硬件布线；针对传感器测量模块，一方面应注意传感器安装的位置准确性、采集时间的及时有效性均会不同程度影响一体式灌溉施肥的智能控制效果，另一方面应根据灌溉施肥作业土壤的含水率进行电气自动控制系统参数调节。

图5 一体化灌溉施肥机数据管理模块设计组成图Fig.5 Design composition of data management module of the integrated irrigation fertilizer application

从一体机的整体电气自动控制设计讲，控制接口模块起到关键的智能监测作用(见图6)，一系列传感装置经智能网络传输与通讯，到达控制接口，由其发出信号至灌溉控制器，使肥料、农药、水分按比例进行混合，最终经由排肥管路喷出。部分控制程序代码如下：

#define_MAIN_C_

#include″ALL.H″

void main()

{

SYSInit();

while(1)

{

V_freQValue=Display_V_freQ()*60;

LCD12864Disay();

Delayms(500);

}

}

Void SYSInit()

{

V_freQValue=0;

LCD12864InitDisplay();

PCA_BH_Init(MODULE0);

}

…

…

图6 一体灌溉施肥机灌溉智能监测简图Fig.6 Schematic diagram of the irrigation intelligent monitoring of the integrated irrigation fertilizing machine

3 灌溉施肥试验

3.1 试验条件与方法

在上述改进理论的基础上，进行灌溉施肥试验，试验设备与仪器如表2所示。给定试验条件如下：

1)保持电气控制的脉冲调节的平稳过渡；

2)确保排肥灌溉的均匀一致性程度控制在要求范围内；

3)排肥装置与调速系统协调作业；

4)选取试验地土壤作物条件具有代表性，保证不影响试验对比效果。

表2 用于灌溉施肥试验的主要仪器设备Table 2 Main instrument and equipment used for irrigation fertilization test

续表2

3.2 试验分析

灌溉施肥试验中水分肥料混合液的流体运动符合N-S方程，即

(1)

U=u+v+w

(2)

(3)

式中U—水肥混合液流速；

u、v、w—U分别在三维坐标轴上的流速分量；

μ—动力粘度系数(Pa·s)；

fx—所受质量力在x坐标轴上的分量；

fy—所受质量力在x坐标轴上的分量；

fz—所受质量力在x坐标轴上的分量。

试验主要控制指标表征为电导率EC、酸碱度pH和肥液浓度C等，通过自动控制和调节灌溉流量，记录浓度数据，形成浓度对比曲线，如图7所示。由图7可知：计算机理论获得的浓度与灌溉试验获得的浓度在经初期运行后进入正常的设定目标浓度状态，且二者吻合较好，试验可行。

1.计算机获得曲线 2.灌溉试验获得曲线 3.参照目标浓度图7 一体化灌溉施肥机肥液浓度对比曲线Fig.7 Contrast curve of the fertilizer concentration of the integrated irrigation fertilizing machine

经整理得到如表3所示的一体化灌溉施肥机主要性能指标对比。从表3中可知：经电气装置及智能控制系统优化后的一体机改善效果明显，从资源利用方面讲，水分得到有效利用，利用效率由之前的67%提高至89%，有利于环保与可持续发展理念的推行，肥料利用效率从优化前的79%提高至92%；从作业效率方面讲，同等条件下，同样作业面积的田地灌溉施肥作业时间较优化前缩短60%左右，大大提高了整机作业效率，优化见有成效。

表3 一体化灌溉施肥机主要性能指标优化试验数据Table 3 Optimization test data of main performance index of the integrated irrigation fertilizing machine

4 结论

1)利用水肥一体化思想并结合现代计算机控制技术，对一体化灌溉施肥机进行电气自动控制系统优化研究，基于PLC和PID调节理论进行模块化改进，通过电气硬件设置选型与软件程序改善，包含给定动力与调节比例控制与补偿等，两大模块之间协调动作，完成施肥灌溉作业。

2)优化改进试验表明：整机的电气控制系统运行良好，水资源利用率与肥料利用率得到明显提升，合适比例的水分、肥料、基底液的混合经灌溉施肥后可达到同等效果，有利于农用机具不断向资源最大化及环保友好化方向发展。