大流量自动注肥系统的设计与试验

谢永生，蔺素丽，贾俊喜，王荣利，李文多

（大禹节水集团股份有限公司，301700，天津）

一、水肥一体化技术发展现状

水肥一体化技术是将灌溉与施肥融为一体的农业新技术。水肥一体化是借助压力系统 （或地形自然落差），将可溶性固体或液体肥料，按土壤养分含量和作物种类的需肥规律和特点配兑成肥液，和灌溉水一起通过可控管道系统供水、供肥，水肥相融后，通过管道和滴头形成滴灌，均匀、定时、定量浸润作物根系发育生长区域，使主要根系土壤始终保持疏松和适宜的含水量。同时，根据不同作物的需肥特点、土壤环境和养分含量状况，作物不同生长期需水、需肥规律情况，进行不同生长期的需求设计，把水分、养分定时定量按比例直接提供给作物。

水肥一体化的目的是提高肥料的利用率，使用方便便捷，降低施肥用工，提高产量和品质。为达到少施、勤施，水肥一体化灌溉系统均为喷灌和滴灌。为了方便地将速溶肥溶液注入系统，需要一定的装置。近年，国内一些企业对自动施肥机具进行研究，目前主要存在以下问题：控制系统稳定性不高，无法适应田间作业环境；大型化发展潜力小；能耗较大，需要配备较多能源设备；设备成本较高不便推广等。机具的节能、高效、精确、稳定、廉价等方面是用户主要考虑因素，但从整体看，我国变量施肥机具的研究仍处于起步阶段，尤其在实际使用方面还有很多欠缺。本研究根据我国现阶段施肥机具的实际使用情况，设计了一种大流量自动注肥器，操作简单、成本低、施肥量大、施肥浓度稳定，可以实现连续作业，真正节省了灌溉用水量、人工、肥料，提高作物产量。

二、系统设计

1.系统功能需求分析

目前灌溉施肥的方法和效率方面还存在较大差异。随着农业技术的发展，尤其是灌溉施肥技术的发展，用户对灌溉施肥设备的要求越来越高，而市场上大部分自动施肥设备都是从国外引进，造价昂贵、操作复杂，且大多数都是基于文丘里吸肥原理设计，吸肥量不大，适合在温室等小面积灌溉施肥中使用，大面积农田的灌溉施肥工作依靠这种施肥设备不可行。因此，迫切需要一套适用于我国农业灌溉施肥现状的水肥一体化设备。

2.大流量自动注肥系统的组成结构设计

大流量自动注肥系统结构主要有四个部分：称重部分、混肥（搅拌）部分、检测部分和执行部分（见图1）。

图1 大流量自动注肥系统组成

（1）称重部分

主要元件是荷重传感器。荷重传感器是通过检验受力载体所受的载荷完成对物体受力测量的传感器装置，能将从载体传来的压力转化为相应的电信号，从而达到测量的目的。荷重传感器用来测量混肥桶的重量，并将检测数据传给控制器，控制器可以读出混肥桶的净重、加水后的重量、加肥后的重量等数据。

（2）混肥（搅拌）部分

混肥部分的作用是将混肥桶内的肥料搅拌均匀，一般有两种方法：一种是在混肥桶上安装搅拌电机，通过搅拌电机带动搅拌装置让肥料搅拌充分溶解；另一种是利用施肥泵循环回路产生的力将肥料搅拌均匀。本研究中利用施肥泵循环回路产生的力将肥料搅拌均匀。

（3）检测部分

主要元件是磁翻板液位计。磁翻板液位计内的浮子在测量管内随液位的升降而上下移动，浮子液位计上安装变送器，通过浮子上下移动，经磁耦合作用使导杆内测量元件依次动作，获得电阻信号变化，转换成0～10 mA或4～20 mA的标准信号输出，与显示仪表或计算机连接，达到远传目的。液位计用来实时监测混肥桶内的液位，并将检测数据传给控制器。

（4）执行部分

施肥机上的执行设备主要有灌溉泵、施肥泵、变频器、电动球阀等。

3.系统总体结构

大流量自动注肥器系统结构如图2所示，由配肥系统、灌溉系统、控制系统等3个部分组成。

配肥系统的主要功能是把液体肥或者可溶性固体肥按一定比例与水混合后，把混肥桶里的肥液根据肥料的溶解度配置成作物需要的浓度。配肥系统主要由电动球阀1（控制加水）、混肥桶、磁翻板液位计、荷重传感器等组成。

灌溉系统的主要功能是把混肥桶里的肥液按设定的灌溉时间和灌溉周期注入相应的灌溉区域。灌溉系统主要由电动球阀2（控制出肥）、施肥泵、灌溉管道、分区电磁阀等组成。

控制系统的主要功能是对磁翻板液位计和荷重传感器检测的数据进行运算分析，发送动作指令给变频器，通过变频器的频率改变施肥泵的转速，从而改变单位时间内注入灌溉系统的肥液量。控制系统主要由控制器、变频器、施肥泵、电动球阀等组成。

图2 注肥器系统结构图

4.系统工作原理

本系统中注肥器分两路，以其中一路说明。

设定灌溉面积和施肥定额，系统计算出需加肥量，用户向混肥桶内加入该量的肥料 （如果加入的是固体肥，要考虑该种肥的溶解度）和一定量的水，水肥在混肥桶内充分溶解。荷重传感器和液位计实时检测混肥桶的重量和桶内的液位，并将检测数据传给控制器，控制器经过数据分析，计算出当前肥液的质量浓度。控制器实时控制变频器的频率，带动施肥泵的转速变化，保证在施肥时间内将一定量的肥液注入设定面积的灌溉系统中。

图3 系统控制流程图

启动出肥电动球阀和施肥泵，肥液经出肥电动球阀和施肥泵又回到混肥桶，利用这种自循环的冲力将肥液充分混合。肥液的混合时间可以在控制器上设定，混合时间到启动注肥电动球阀，开始向灌溉系统中注肥。施肥开始后，肥液一路注入灌溉系统中，一路又回到混肥桶内，这种动态循环过程，保证了水肥混合的均匀程度。

设定施肥面积开始施肥。施肥过程中，荷重传感器和液位计实时检测桶内的重量和液位，并将检测数据传给控制器，控制器对数据进行分析运算，发送动作指令给变频器，变频器带动施肥泵，通过调节变频器的频率来调节施肥泵的转速，从而调节向灌溉系统中的注肥量。荷重传感器、液位计和变频器协调工作，保证将固定浓度的一定量的肥均匀注入设定面积的灌溉系统中。

三、系统软件设计

1.系统主程序设计

控制器实现的内容主要有：根据系统运行需要，可手动控制加水电动球阀、出肥电动球阀、施肥泵和注肥电动球阀。开始施肥时，进入施肥模式，按照设定的施肥浓度值配制肥液，使浓度达到设定值允许的范围内。施肥浓度配制好以后，设定灌溉面积，开始施肥，荷重传感器、液位计与变频器协调工作，控制向灌溉系统中的注肥量，以保证将固定浓度的肥均匀注入面积一定的灌溉系统中。系统控制流程如图3所示。

2.人机交互界面设计

通过人机交互界面触摸屏可从控制器中实时采集数据，发出控制命令并监控设备的运行状态，实现各种系统控制功能。主要实现如下六大功能：①配肥设置，设置灌溉总面积、轮灌时间、轮灌组面积、施肥定额；②施肥设置，设置搅拌时间、施肥前灌溉时间、施肥时间、施肥后灌溉时间；③运行状态，显示各测量值及设备运行状态图；④施肥记录，记录系统施肥区域、施肥面积、施肥时间、施肥量、施肥水肥参数等，实现现场数据存储；⑤手动控制，手动对电动球阀、施肥泵等输出设备进行控制操作；⑥系统设置，设置系统参数。

表1 不同施肥方式处理下苜蓿株高

表2 不同施肥方式处理苜蓿各级分枝

表3 不同施肥方式处理对苜蓿产量的影响

四、系统试验

1.试验设计

（1）试验基地自然概况

试验基地位于甘肃省张掖市肃南裕固族自治县明花乡前滩村二组的牧区，海拔 1 033～1 450 m，年降水量 66～87 mm，年平均蒸发量 2 800 mm，属典型的内陆沙漠型气候，土壤为荒漠沙土。

（2）试验材料

供试植物为大叶紫花苜蓿，品种为新农3号。试验地苜蓿长势均匀。

（3）供试肥料

供试肥料采用普通复合肥：尿素、二胺、氯化钾。

（4）试验设计

①苜蓿施肥试验设计

试验于2019年4月15日开始，所选试验区均采用地埋滴灌，2017年和2018年均采用压差式施肥，所以苜蓿的长势基本一致。

试验共分三组：第一组（T1）采用压差式施肥，第二组（T2）采用大流量自动注肥器，第三组（CK）不施肥。前两组进行相同的施肥处理，都是施氮肥（尿素）4 kg/667 m2、磷肥（二铵）12 kg/667 m2、钾肥 6 kg/667 m2。 对苜蓿的株高、分枝数、产量进行统计。

②苜蓿肥效试验

株高：刈割前测定，随机选取每个试验区中的10株植株测量其绝对高度，然后求其平均值。

分枝数量：选取每个试验区的10株苜蓿，刈割后的紫花苜蓿带回实验室按一、二、三级分枝分开并统计各级分枝数量。

产量：采用样线法进行测量，样线为1m，留茬高度6 cm，3次重复，带回试验室，105℃杀青15 min，85℃烘干至恒重，称其干重，计算产量。

2.试验结果

实际运用证明，该系统运行稳定、操作方便、耐用性强、施肥浓度稳定。经测试，不同施肥处理下苜蓿的株高、分枝数、产量有明显差异。

苜蓿的株高是反映其生长状况和评价是否高产的重要指标之一。由表1可以看出，与CK相比，不同施肥处理对紫花苜蓿的株高生长有一定影响，其中各处理间株高由高到低依次为：T2(注肥器施肥）＞T1（压差式施肥）＞CK（不施肥）。

苜蓿分枝数与苜蓿的产量关系极其密切，单株分枝数能反应植株个体分枝能力和生长健壮的程度，个体生长健壮、分枝增多，相应的生物量就高。从表2可以看出，不同施肥处理紫花苜蓿各级分枝数存在差异。其中，T2（注肥器施肥）＞T1（压差式施肥）＞CK（不施肥）。

产量是衡量草地生产性能的主要指标，也是衡量苜蓿经济价值的重要指标。苜蓿的产量是指单位面积上苜蓿通过光合作用生产的地上部分各种器官生物量的总和。由表3可知，在不同施肥处理下苜蓿产量有不同程度的提高。其中，T2（注肥器施肥）＞T1（压差式施肥）＞CK（不施肥）。

五、结 论

结合我国水肥一体化灌溉技术发展的现状及实际使用需求，设计了一套大流量自动注肥器。大流量自动注肥器主要由称重部分、检测部分、混肥部分和执行部分等组成。该研究中液位计和荷重传感器采集的信息传给控制器，控制器经过数据分析运算发送动作指令给变频器，变频器通过变频改变施肥泵的转速，从而改变施肥量。实际运用证明，该系统运行稳定、操作方便、耐用性强、施肥浓度稳定，相比于传统的压差式施肥，施肥浓度稳定性和肥量利用率明显提高。