一體化灌溉施肥機電氣控制系統優化研究

姜先鋒

(江蘇省如皋中等專業學校，江蘇 南通 226500)

0 引言

近年來，我國的灌溉技術和施肥技術不斷向智能化方向延伸，經查閱文獻了解到，國內外專家學者從單一的灌溉或施肥研究已經轉變為混合研究。一體化灌溉施肥技術作為近年來新提出的作物培育方法，在國外已得到了不同作物的應用，國內的一體化融合技術正在發展，離成熟階段有一定差距。例如，某高校選擇針對單一的施肥機進行精確定量控制，而水分灌溉并未實現一體化。為此，針對一體化灌溉施肥機的電氣控制系統進行優化研究(作業外形圖見圖1)，以期達到在水肥高效配合利用、節省水資源的同時，使得肥料效能得到最大的發揮。

圖1 一體化灌溉施肥機作業外形圖Fig.1 Contour diagram of the integrated irrigation fertilizing machine

1 整機結構及原理

一體化灌溉施肥機的作業原理表征為：通過科學合理地將水分、肥料和助溶液等按照一定比例混合在一起，達到最佳的混合濃度，在各機械部件的相互配合下，一次性同步完成施肥與灌溉的農田作業，從而保證農作物生長的需求。表1為擬設計的一體化灌溉施肥機主要技術參數。

表1 一體化灌溉施肥機主要技術參數設計Table 1 Main technical parameter design of the integrated irrigation fertilizing machine

一體化的灌溉施肥機主要包括提供動力的馬達(電動機)、混合機構、排肥執行裝置、槽輪、調節閥及儲存水分肥料混合液的箱體等構件，工作原理如圖2所示。設計達標的整機需保證進行灌溉施肥作業的穩定性、防震動性和耕深一致性，擬采用電力調控實現精確傳動。

1.馬達 2.排肥轉軸 3.儲箱 4.阻塞套 5.槽輪 6.馬達 7.傳感器 8.調節閥 9.GPS定位裝置 10.控制器 11.轉換器 12.伺服比例閥圖2 一體化灌溉施肥機原理簡圖

Fig.2 Schematic principle diagram of integrated irrigation fertilizing machine

2 關鍵部件分析

2.1 電氣裝置

為保證灌溉與施肥的均勻性，對整機的調節模塊進行電路優化改進，如圖3所示。圖3中：PC10與PC11共同控制水分比例調節電機的轉動方向，PC12和PB12控制EC調節電機的轉動方向；當控制同一電機的單片機信號同時輸出電平，比例調節電機電源接通+24V，處于停止狀態；當控制同一電機的單片機信號輸出不同電平信號，比例調節電機運轉。此調節電路調節電機轉向的同時可以實時調整閥門的開度大小決定水管流量，從而保證合適的水肥比例，使得灌溉施肥智能化。

單個模塊優化后，一體化灌溉施肥機形成了電氣自動控制優化系統，如圖4所示。在電源模塊為整機提供電源的條件下，通過傳感檢測模塊對水分肥料混合液進行參數捕獲，經A/D轉換、定時裝置共同配合，傳至CPU 控制環節；監控中心通過核心算法控制模型運算后將數據傳出，經功率驅動電路達到各個控制閥執行環節，進行一體化作業。

圖3 一體化灌溉施肥機調節模塊控制電路圖Fig.3 Circuit diagram of the control module of the integrated irrigation fertilizing machine

圖4 一體化灌溉施肥機電氣自動控制系統優化簡圖Fig.4 Optimization diagram of the electrical automatic control system on the integrated irrigation fertilizing machine

2.2 控制系統

根據一體化灌溉施肥的作業需求，通過PLC進行動作程序控制，即首先對采集到的模擬量信息進行處理，同時確定動作閥門和灌溉施肥泵體的狀態，依照程序判定將信號傳遞至相鄰設備執行相應動作，完成一體化的灌溉施肥作業。

針對作業環境，對數據采集與周邊環境的匹配進行管理模塊設計，具體設計組成如圖5所示。主要設計優化為傳感器測量與報警處理兩大功能模塊：報警模塊參照通用的報警機理與程序，進行區域類型劃分和硬件布線；針對傳感器測量模塊，一方面應注意傳感器安裝的位置準確性、采集時間的及時有效性均會不同程度影響一體式灌溉施肥的智能控制效果，另一方面應根據灌溉施肥作業土壤的含水率進行電氣自動控制系統參數調節。

圖5 一體化灌溉施肥機數據管理模塊設計組成圖Fig.5 Design composition of data management module of the integrated irrigation fertilizer application

從一體機的整體電氣自動控制設計講，控制接口模塊起到關鍵的智能監測作用(見圖6)，一系列傳感裝置經智能網絡傳輸與通訊，到達控制接口，由其發出信號至灌溉控制器，使肥料、農藥、水分按比例進行混合，最終經由排肥管路噴出。部分控制程序代碼如下：

#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);

}

…

…

圖6 一體灌溉施肥機灌溉智能監測簡圖Fig.6 Schematic diagram of the irrigation intelligent monitoring of the integrated irrigation fertilizing machine

3 灌溉施肥試驗

3.1 試驗條件與方法

在上述改進理論的基礎上，進行灌溉施肥試驗，試驗設備與儀器如表2所示。給定試驗條件如下：

1)保持電氣控制的脈沖調節的平穩過渡；

2)確保排肥灌溉的均勻一致性程度控制在要求范圍內；

3)排肥裝置與調速系統協調作業；

4)選取試驗地土壤作物條件具有代表性，保證不影響試驗對比效果。

表2 用于灌溉施肥試驗的主要儀器設備Table 2 Main instrument and equipment used for irrigation fertilization test

續表2

3.2 試驗分析

灌溉施肥試驗中水分肥料混合液的流體運動符合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分別在三維坐標軸上的流速分量；

μ—動力粘度系數(Pa·s)；

fx—所受質量力在x坐標軸上的分量；

fy—所受質量力在x坐標軸上的分量；

fz—所受質量力在x坐標軸上的分量。

試驗主要控制指標表征為電導率EC、酸堿度pH和肥液濃度C等，通過自動控制和調節灌溉流量，記錄濃度數據，形成濃度對比曲線，如圖7所示。由圖7可知：計算機理論獲得的濃度與灌溉試驗獲得的濃度在經初期運行后進入正常的設定目標濃度狀態，且二者吻合較好，試驗可行。

1.計算機獲得曲線 2.灌溉試驗獲得曲線 3.參照目標濃度圖7 一體化灌溉施肥機肥液濃度對比曲線Fig.7 Contrast curve of the fertilizer concentration of the integrated irrigation fertilizing machine

經整理得到如表3所示的一體化灌溉施肥機主要性能指標對比。從表3中可知：經電氣裝置及智能控制系統優化后的一體機改善效果明顯，從資源利用方面講，水分得到有效利用，利用效率由之前的67%提高至89%，有利于環保與可持續發展理念的推行，肥料利用效率從優化前的79%提高至92%；從作業效率方面講，同等條件下，同樣作業面積的田地灌溉施肥作業時間較優化前縮短60%左右，大大提高了整機作業效率，優化見有成效。

表3 一體化灌溉施肥機主要性能指標優化試驗數據Table 3 Optimization test data of main performance index of the integrated irrigation fertilizing machine

4 結論

1)利用水肥一體化思想并結合現代計算機控制技術，對一體化灌溉施肥機進行電氣自動控制系統優化研究，基于PLC和PID調節理論進行模塊化改進，通過電氣硬件設置選型與軟件程序改善，包含給定動力與調節比例控制與補償等，兩大模塊之間協調動作，完成施肥灌溉作業。

2)優化改進試驗表明：整機的電氣控制系統運行良好，水資源利用率與肥料利用率得到明顯提升，合適比例的水分、肥料、基底液的混合經灌溉施肥后可達到同等效果，有利于農用機具不斷向資源最大化及環保友好化方向發展。