多通道比例施肥机设计与试验

谢永生，纪学伟

(大禹节水集团股份有限公司，甘肃 酒泉 735000)

我国农田有效灌溉面积达6 800 万hm2，居世界首位。喷灌、微灌等高效节水灌溉面积达0.22 亿hm2，高效节水农业发展进入快车道。长期以来，灌溉施肥方式粗放、水肥耦合效应不足、肥料利用率偏低已成为我国农业高质量发展的瓶颈[1-3]。水肥一体化技术以其水肥同施、控制精准、自动化程度高及管理便捷等优点成为我国高效节水农业发展的重要新技术[4, 5]，而实现水肥一体化的关键技术装备之一是灌溉施肥装置。与目前应用比较广泛的压差式施肥罐、文丘里施肥器及比例注肥泵等相比，比例施肥机是将泵送系统、控制系统、检测系统及肥液储存混合系统等功能模块高度集成的现代化、精准化、智能化的施肥设备[6]。

目前，以色列、荷兰等国外比例施肥机技术已十分成熟，但因其价格高昂难以满足我国市场需求[7]。国内对比例施肥机的研发起步相对较晚，但也开发出多种类的灌溉施肥产品，基本能够实现对肥液EC/pH的实时监测和控制，但仍存在性能参数(主要是施肥系统的稳定性和均匀性)差异较大、自动化程度不一等突出问题，施肥系统稳定性和均匀性有待提高[8]。因此，本文针对比例施肥机稳定性和均匀性，以流量控制、压力控制、EC/pH控制精度和浓度调节响应时间为主要指标，研制开发一款多通道比例施肥机，达到标准一致，稳定性和均匀性优良，安装使用便捷。

1 整机结构与工作原理设计

1.1 整机结构

多通道比例施肥机由泵送系统、控制系统、检测系统、肥液储存混合系统及其他扩展模块组成。施肥机整体框架采用铝合金型材制作，结构轻盈，机械强度好。默认设置4路母液通道(可扩展)，其中3路为加肥通道、1路为加酸通道。多通道比例施肥机整体结构如图1所示。

图1 多通道比例施肥机组成结构图

1.2 技术参数

多通道比例施肥机可用于大田、温室、农牧场等各种作物的精准灌溉施肥，尤其是对于控制灌溉面积较大的人工草场，施肥效果更加。该装备的主要技术参数如表1所示。

表1 主要技术参数表

1.3 工作原理

以肥液储存混合系统及其他各组件为依托，按照系统设定的水肥比例，通过控制系统接收检测系统发送的水肥信息并实时反馈，对泵送系统工作时长进行精准调节控制，实现水肥及各母液的在线自动混配和泵送，达到肥液精准施放的目的。

2 系统部件设计

2.1 泵送系统设计

泵送系统主要由吸肥泵、注肥泵组成，其中吸肥泵采用微型自吸泵，泵前端装有小型过滤器，后端装有流量计和止逆阀；注肥泵采用不锈钢多级离心泵，因其高能效特性，对注入压力和流量均有可靠保障；双泵协同工作能够保证施肥所需的流量和压力，较传统“文丘里+电磁阀”的吸肥方式具有受压力、流量波动影响小、肥料供给量大、抗堵塞性强、系统压力零损耗、运行稳定等优势。

2.2 检测系统设计

检测系统核心部件是EC/pH传感器(置于检测室)，创新采用探入式微管取样器设计，既能保证检测肥液的更新速率，又能有效避免因流速和压力波动对检测结果的影响；检测时通过取样器上开设的采样孔在灌溉系统主管道上提取样液，并通过小管引入检测室进行EC/pH检测，并将检测数据传输至控制系统，检测后的样液最终流入混肥桶(见图2)。

图2 探入式微管取样器结构示意图

2.3 肥液储存混合系统设计

肥液储存混合系统包括4组母液桶(3组肥液桶、1组酸液桶)和1组混肥桶。母液桶为水肥混配、储存容器，设有机械搅拌装置，标配母液桶容积为1 000 L；混肥桶为各母液配比、混合容器，依靠水流回路产生冲力实现拌和，标配混肥桶容积为1 000 L，并可根据实际需求进行其他容积的选配；各桶均安装液位传感器，实时控制桶内液量。

2.4 控制系统设计

本施肥机采用PLC控制，由控制器、人机交互机、无线通信模块、云端服务器等几部分组成，包括自动和手动两种工作模式(可随意切换)。自动控制主要通过EC/pH传感器采集肥液EC和pH数据并将其转化为4～20 mA电流信号传给控制中心，经过数据分析运算决策并发送给泵送系统，通过调节吸肥泵、注肥泵工作时长进行施肥量的调节；手动控制主要通过旋转加液通道上的阀门来调节施肥量；控制系统最多可控制8路母液通道，单路流量可达30 L/min，能够满足不同灌溉规模用户的施肥需求；施肥机还装有LED触控屏作为人机交互界面，方便用户操作和使用(见图3)。

图3 控制系统结构图

2.5 软件界面

控制系统软件界面的首页为操作主窗口，是多通道比例施肥机的组态画面，属于控制系统和用户之间进行信息交换的媒介。主要包括启动、停止、环境、灌溉设置、施肥管理、过滤设置等可操作模块，同时显示工作状态、工作模式、联网状态等信息及流量、压力、水温、EC、pH值及运行时间等运行参数。

在灌溉、施肥、过滤等参数设置界面，能够进行灌溉施肥等参数设置并保存，系统将按照设置完成保存后的参数运行。

3 性能试验

3.1 系统压力、流量相应测试

将施肥机接入滴灌系统首部枢纽，位于过滤器组后端，施肥机进水管与注肥管均连接到滴灌系统出水主管上，形成闭合回路。在注肥管末端(即靠近滴灌系统主管道处)安装精密压力表和水表，测定注肥管压力和流量。施肥机系统中流量设施为3.6 m3/h，压力分别设置为0.2、0.3、0.4 MPa。施肥机启动即开始，每隔1 s记录精密压力表读数。图4为不同设置压力下注肥管末端的压力响应曲线，由图4可以看出，各设置压力下，施肥机开机2 s后，注肥管末端压力均开始上升，且压力响应时间随设置压力的增大而变长。施肥机设置压力为0.2、0.3和0.4 MPa时，注肥管末端压力达到稳定状态的时间分别为9、11和14 s，各压力达到稳态后波动幅度较小。可见，施肥机系统压力控制较好。

图4 压力响应曲线

施肥机设置压力调整为0.3 MPa，流量分别设置为1.8、3.6、5.4、7.2 m3/h。施肥机启动即开始，每隔1 s记录精密水表读数。图5为不同设置流量下注肥管末端的流量响应曲线，由图5可以看出，各设置流量下，施肥机开机1 s后，注肥管末端流量均开始上升，且流量响应时间随设置流量的增大而变长。施肥机设置流量为1.8、3.6、5.4和7.2 m3/h时，注肥管末端流量达到稳定状态的时间分别为7、9、11和12 s，各流量达到稳态后波动幅度较小。可见，施肥机系统流量控制也较为稳定。

图5 流量响应曲线

3.2 EC/pH响应测试

在注肥管末端安装EC计(分辨率0.01 mS/cm)和pH计(精度±0.01 )，分别进行EC/pH响应测试，测定施肥机的控制精度(即误差)和浓度调节响应时间。试验中，施肥机系统设置压力为0.3 MPa，流量设置为3.6 m3/h。首先，以中量元素水溶肥(800倍稀释)为试材，在施肥机上分别将EC值设为0.5～3.0 mS/cm，每0.5 mS/cm分为一档，通过EC计分别测试注肥管末端实际EC值；再以腐殖酸液体肥(600倍稀释)为试材，在施肥机上分别将pH值设为5.5～6.5(作物生长适宜范围)，每0.2分为一档，通过pH计分别测试注肥管末端实际pH值。

如表2所示，测试范围内，施肥机EC控制精度在3.0%～6.0%内小幅度波动，浓度调节响应时间106～118 s；pH控制精度在-0.09～0.08内小幅度波动，浓度调节响应时间也在106～118 s范围内；EC/pH控制精度和浓度调节响应时间均达到了较为先进水平。可见，该施肥机EC/pH控制性能较优，能够满足大田及温室水肥一体化需求。

表2 EC/pH响应测试表

4 结 论

(1)多通道比例施肥机采用PLC控制，适用性、耐候性和耐久性均较强，控制系统最多可扩展至8路母液通道，能够满足大田、温室等不同灌溉规模用户的施肥需求。

(2)采用“吸肥泵+注肥泵”双泵协同工作的泵送系统设计，该施肥机启动后，注肥的压力、流量能够在很短时间就达到稳定状态，且受灌溉系统主管道水流压力、流量变化波动影响较小，运行稳定，注肥均匀。

(3)检测系统创新采用了探入式微管取样器设计，EC控制精度<8%，pH控制精度为±0.1，EC/pH调节响应时间<120 s，实现了水肥调节精准、响应快速的全自动比例施肥的目标。