一体化全自动灌溉施肥机设计与试验

金永奎，盛斌科

(1.农业部南京农业机械化研究所，南京 210014；2.江西沃邦农业科技有限公司，江西 鹰潭 335000)

0 引 言

我国水资源总量较多，但人均占有量不足，时空分布不均，农业用水紧缺状况严重，同时灌溉施肥方式粗放、水肥耦合效应差，肥料利用率低[1]。水肥一体化技术是将灌溉与施肥融为一体、根据作物需求对水分和养分进行综合调控和一体化管理、实现水肥耦合的新技术，具有节水、省肥、省工、增产、提高水肥利用效率、作物品质及减少环境污染等优势。近年来，水肥一体化技术在世界范围内快速发展，除了在以色列、美国、澳大利亚、西班牙、法国等经济发达国家发展较快，在我国和印度等发展中国家，特别是干旱缺水严重地区，发展尤为迅速[2]。目前在我国已有压差式施肥罐、文丘里施肥器、高压注肥泵、活塞式比例施肥泵和自动施肥机等多种水肥一体化设备[3-7]，有单通道、多通道、机械注入式、自动配肥式和智能配肥式等多种形式，采用了经验决策、时序控制、环境参数、模型决策等控制决策方法[8-10]。

上述灌溉施肥设备实现了水肥一体化功能，但性能参数相差很大，自动化程度不一。目前灌溉系统首部是由水泵、施肥机、过滤器、控制系统、管道配件等几个独立的部分组成，在工程设计时，这几个部分往往不是同一个企业生产，在功能、参数、通讯方面不能很好地协同工作，给设计人员带来很大的困扰；在操作时，使用者要根据几个部分的各自要求分别设置参数，在出现故障时也会出现责任不清、互相推诿的情况[11-15]。针对上述不足，本文设计了一套针对小型地块(面积不超过20ha)集灌溉、施肥、过滤、自动控制等系统在一个装置内的一体化灌溉施肥机，实现了一套装置替代泵房内主要设备，达到标准一致，安装使用简便。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

一体化全自动灌溉施肥机整体结构如图1所示，主要由灌溉系统、配肥系统、信息采集系统、自动控制系统和一体化壳体等部件组成。

1-进水接口；2-控制系统；3-触摸屏；4-一体化壳体；5-肥液箱；6-主管流量计；7-压力传感器；8-过滤器；9-EC传感器；10-出水接口；11-施肥流量计；12-施肥泵；13-灌溉泵图1 一体化全自动灌溉施肥机组成结构图Fig.1 Composition and structure chart of integrated automatic irrigation fertilizer applicator

1.2 技术参数

一体化全自动灌溉施肥机主要针对各种作物的精准灌溉和施肥，以提高水肥施用精度和管理水平为目的。装备的主要技术参数(WB-YT-50型)如表1 所示。

1.3 工作原理

采用变频技术根据压力、流量、EC等多参数对灌溉泵进行综合调控，实现按需定量精准灌水；基于变量注入式混肥技术，按照设定的水肥比例，通过控制系统接受水肥信息反馈，对施肥量进行无级控制，实现水、肥在线自动混合、浓度可控，达到对灌溉、施肥精准控制的目的。灌溉泵通过变频控制压力，由用户设定，运行中保持压力恒定，灌溉泵的流量根据田间的灌溉面积自动调节。施肥泵通过变频控制流量，根据主管的水量自动调节施肥泵的流量，达到设定的比例。当主管流量变化时，施肥泵流量也跟随变化。

表1 主要技术参数Tab.1 Main technical parameters

2 系统部件设计

施肥机由灌溉系统、配肥系统、自动控制系统和一体化壳体组成。

2.1 灌溉系统设计

灌溉系统由灌溉泵、进出水管、过滤器、阀门及压力、流量、EC传感器等组成。灌溉泵类型选用自吸离心泵，在首次使用时灌完引水，以后就可自动工作，不需要频繁加水，适合自动化控制。

2.1.1 灌溉系统流量和压力设计

由于一体化装置中设备是固定不变的，一旦确定就不能随意变动，同时兼顾标准化生产，因而流量和压力选型特别重要。

目前水肥一体化系统的灌溉形式一般为滴灌或微喷灌，以灌溉形式为滴灌和种植作物为蔬菜作为计算依据。根据有关规范、标准[16]，各技术参数确定为如表2。

表2 设计技术参数Tab.2 Design technical parameters

系统流量计算过程如下：

(1)设计灌水定额m。

m=0.1γzp(θmax～θmin)/η

式中：m为设计灌水定额，mm；θmax、θmin为适宜土壤含水率上下限，最大田间持水量取为27%，适宜土壤含水率上下限百分比取为90%和65%，则θmax=24.3%，θmin=17.55%；

由以上各参数，得到地块的设计灌水定额：m=18.7 mm，取m=19 mm。

(2)设计灌溉周期T。

T=mη/Ea

系统设计日耗水强度Ea=5 mm/d，则：T=3.6 d，取T=3 d。

(3)系统流量计算。水泵理论流量可由下式计算：

Q泵=10kAm/T/C

式中：A为水泵控制面积，hm2；m-灌水定额，mm，取19 mm；T为灌水周期，d，取3 d；C为每天净灌水时间，取C=12 h；k为土地实际利用率，取0.8。

经计算，面积为4、10、20 hm2的水泵理论流量分别为17.9、42.2、84.4 m3/h。

考虑到实际使用中需满足微喷灌的情况，微喷灌首部工作压力大于0.3 MPa，水泵扬程适当加大，水泵各参数见表3。

表3 水泵性能参数Tab.3 Performance parameters of pumps

2.1.2 过滤器选择

过滤器受空间限制采用单级或双级配置，选用叠片或网式过滤器，流量根据型号不同分别选取25、50、100 m3/h。如果水质较差，需采用三级过滤时，可在叠片过滤器前增加一级砂石过滤器，在后增加一级网式过滤器。

管道、阀门、传感器及配件根据不同型号选择相应规格。

2.2 施肥系统设计

施肥系统由施肥泵、流量传感器、肥料箱、单向阀和连接管道组成。

2.2.1 施肥系统流量和压力设计

清朝初年，著名藏书家孙从添总结古人藏书经验，并加以系统整理后，撰写了中国第一部全面论述藏书技术的理论著作《藏书纪要》。该书详细介绍古人藏书在购求、鉴别、钞录、校雠、装订、编目、收藏和曝书等方面的经验，对后世的古籍整理具有重要的参考价值。特别是相关术语和准则，至今仍在延用。

施肥浓度比例一般为1∶20～1∶1 000，所以对应三种规格，施肥泵的流量不能小于1.25、2.5、5 m3/h，扬程要大于主管的实际工作压力，主管工作压力一般最大为0.4 MPa，因此施肥泵扬程不小于50 m，类型采用多级离心泵。

2.2.2 肥料箱设计

一般一个灌溉小区的面积为0.4 ha左右，每公顷灌水量按150 m3、正常施肥时浓度为1/1 000计算，一个小区每次需肥量为60 L。因此施肥机内置肥料箱容积设计成80 L。当施肥量较大或考虑配置肥料母液时，则需要肥料箱容积更大，可采用外置式肥料桶，通过管道与施肥机连接。

2.3 自动控制系统设计

2.3.1 系统组成

自动控制系统包括控制器、灌溉变频器、施肥变频器、触摸屏、各种传感器、连接线路和控制软件等，这些设备布置在一体化灌溉施肥机内，同时连接外置的空气温湿度、土壤水分、EC等传感器和电磁阀等。基本配置可通过有线或无线方式控制多路田间控制器，预留可扩展控制端口(接入远程电磁阀、物联网控制等)。

控制系统原理及硬件组成见图2。

图2 控制系统原理及硬件组成Fig.2 Principle and hardware composition of control system

2.3.2 控制流程

自动灌溉施肥机的主要功能是灌溉和施肥，在实际使用时分2种情况，一种是只灌溉，不需要施肥，一种是按一定比例水肥同施，因而要针对这2种情况分别编制不同的控制流程和程序。

施肥一般采用三段法，即灌水-施肥-灌水，有利于肥液均匀分布且灌溉管路中无残留。先选择需施肥电磁阀，设定灌水时间、灌水压力、施肥时间、施肥比例等各项参数，程序即可自动运行，可根据灌溉流量自动调节施肥流量，自动保持设定的比例，达到变量同比例施肥。能满足不同作物、同种作物不同生育期水肥需求。

图3 控制流程图Fig.3 Control flow chart

2.3.3 软件界面

控制系统的软件界面首页面为主窗口，是一体机的组态画面，包括一体机、水源、化肥、农药和管道、阀门等，水泵、电磁阀等设备的开关按键，同时显示温湿度、风速风向等环境参数和频率、压力、EC、流量等运行参数。

图4 软件主界面Fig.4 Software Main Interface

在参数设置界面，可设置各种运行参数并存储，系统按设定的参数运行。

图5 参数设置界面Fig.5 Parameter Setting Interface

2.4 一体化壳体设计

一体化灌溉施肥机把灌溉系统、配肥系统和自动控制系统集成在一个装置内，各个部件要合理布置，才能很好地运行，并且便于操作和维护，所以要根据各个部件的结构、尺寸进行总体设计。

灌溉水泵位于前下部，进水管、出水管与水泵相连接，固定在支架上，出水管上安装压力、流量、EC等传感器，做好相应的支撑。施肥泵位于后下部，施肥泵的进肥口与肥料箱相连接，出肥口与主管相连接，在出肥管上安装流量传感器和单向阀。肥料箱位于上部，容积80 L以上，根据型号有所不同，同时留有外置肥料吸入接口，如果施肥量较大，可通过配置外置式施肥桶解决。在前上部安装变频器和控制器等控制系统部件。过滤器由于需要经常维护，所以安装在壳体后部的外部，便于操作。

根据上述设计生产的产品实体见图6。

图6 产品实体图Fig.6 Prototype picture

3 性能试验

通过性能试验，可检测施肥机压力、流量和水肥配比浓度的响应速度、稳定性和精度，得出施肥机性能。

3.1 试验条件

试验于2018 年10月在江西沃邦农业科技有限公司试验车间内进行，搭建了一套试验装置，如图7所示。以施肥机为核心，进水管与施肥机进水口连接，出水管与出水口连接，为了精确测定肥液吸入量，采用外置式肥料桶，吸肥口与肥料桶通过管道连接。在出水管上安装精密压力表、水表和阀门各一只，测定出水管的压力和流量，在吸肥管上安装水表、过滤器和阀门各1只，测定吸肥管的流量。

1-进水管；2-一体化灌溉施肥机；3-精密压力表；4-主管水表；5-肥液桶；6-施肥管水表图7 试验装置Fig.7 Test device

3.2 系统压力响应测试

3.2.1 试验方法

在施肥机控制系统中分别设置压力为0.1、0.2、0.3 MPa，调节出水管阀门至合适位置，保持流量为20 m3/h。启动施肥机，每隔1 s记录精密压力表和施肥机压力显示值。

3.2.2 结果分析

图8是流量为20 m3/h时，不同压力下的响应曲线。由图8可知：在不同的设定压力下，达到稳态时的响应时间不同，压力越大响应时间越长，在0.1、0.2、0.3MPa时达到稳态的时间分别为13、15、18 s；在各个压力达到稳定状态后，压力波动较小，说明系统控制较好；在每个压力下，精密压力表和施肥机压力显示值最大偏差小于3%，说明压力控制精度较高。在试验条件下，管路较短，所以响应时间也短，波动也较小，在田间实际应用时根据管路布置情况，以上数据会有较大变化。

图8 压力响应曲线Fig.8 Pressure response curve

3.3 系统流量响应测试

3.3.1 试验方法

在施肥机控制系统中设置工作压力为0.2 MPa，调节出水管阀门至合适位置，使得流量分别为10、20、30 m3/h。启动施肥机，每隔1 s记录出水管水表和施肥机流量显示值。

3.3.2 结果分析

图9是压力为0.2 MPa时，不同流量下的响应曲线。由图9可知：在不同的设定流量下，响应时间不同，流量越大响应时间越长，在流量10、20、30 m3/h时达到稳态的时间分别为12、15、18 s；在各个流量达到稳定状态后，流量波动较小，说明系统控制较好；在每个流量下，水表测得流量和施肥机流量显示值最大偏差小于5%，说明精度较高。

图9 流量响应曲线Fig.9 Flow response curve

3.4 水肥配比响应测试

3.4.1 试验方法

在施肥机控制系统中分别设置水肥比例为1∶500、1∶100，调节出水管阀门至合适位置，使得压力0.2 MPa，流量为20 m3/h。启动施肥机，当主管压力和流量稳定后，启动施肥泵，每隔2s记录出水管水表、吸肥管水表和施肥机肥水比例显示值。

3.4.2 结果分析

图10是压力为0.2 MPa，流量为20 m3/h，不同肥水比例下的响应曲线。由图10可知：在不同的设定肥水比例下，响应时间不同，肥水比例越大响应时间越长，1∶500和1∶100时达到稳态的时间分别为20 s和32 s；在各个肥水比例达到稳定状态后，由于灌溉泵流量和吸肥流量均在小幅度波动，所以肥水比例也随之波动，但波动同幅度较小，与压力、流量相比较难控制；在每个肥水比例下，水表测得肥水比例和施肥机肥水比例显示值偏差不大，最大偏差不超过5%，精度较好。

图10 水肥比例响应曲线Fig.10 Fertilizer-water proportional response curve

4 结 论

(1)在现有水肥一体化设备的基础上，创新设计了一种集灌溉、施肥、过滤、全自动控制在一个装置内的一体化灌溉施肥机，该装备大大简化了水肥一体化系统首部设备的设计和安装，方便了使用者操作，实现了水、肥精量控制。

(2)对一体机的灌溉、施肥等系统部件进行了设计计算和选型。自动控制系统有多种控制模式，配置了变频器、电磁阀、流量、压力、EC等多种传感器，设计了相应的控制软件，适合各种规模的灌溉系统。

(3)试验表明: 设定压力(0.3 MPa)、流量(30 m3/h)、肥水比例(1∶100)达到稳态的响应时间分别为18、18、32 s ，系统测量值与实测值偏差分别小于为3%、5%、5% ，该设备实现了全自动化控制和水、肥精量调节，响应速度较快，精度较高，能满足精量灌溉施肥的要求。

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