基于泵注肥法智能配施肥機設計與應用

鄭雪松王曉旭張傳偉馬濤濤王寶杰田連波

(1.中化化肥有限公司，北京 100031；2.中化(煙臺)作物營養(yǎng)有限公司，山東 煙臺 265500；3.安丘市農(nóng)業(yè)技術推廣中心，山東 安丘 262100)

引言

水肥一體化是實現(xiàn)化肥、農(nóng)藥用量零增長，利用率達到40%以上的最佳手段[1,2]；也是規(guī)模種植主體降本增效、實現(xiàn)穩(wěn)定收益的最直接抓手[3,4]。《農(nóng)村水利水電工作年度報告》指出，2019年我國新增、恢復具備水肥一體化技術應用條件耕地面積為84666.67hm2、改善189.6萬hm2。《新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體和服務主體高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃(2020—2022年)》指出，2022年全國預期發(fā)展家庭農(nóng)場100萬家，其中各級示范家庭農(nóng)場10萬家。水肥一體化技術已經(jīng)在我國得到了較大范圍的應用實踐，且隨著市場規(guī)模發(fā)展進一步成為農(nóng)業(yè)一號技術[5,6]。

施肥設備是水肥一體化應用的核心裝置，影響整個項目灌溉施肥質(zhì)量[7,8]。受農(nóng)業(yè)種植規(guī)模、項目建設成本、信息化不均衡發(fā)展、經(jīng)濟發(fā)展水平等因素影響，重力自壓式施肥、壓差式施肥、文丘里施肥、泵注肥和文丘里組式全自動施肥在我國均有應用場景[9]。根據(jù)作物灌溉施肥指標或閾值設定肥料配比程序，采用模糊控制器控制電動閥開啟時間長短，通過EC傳感器控制文丘里或施肥泵施肥，滿足不同農(nóng)作物需肥要求，是全自動施肥機設計原理。但由于所用肥料種類、種植者素質(zhì)、水肥習慣傳承，這種施肥機僅在高端農(nóng)業(yè)種植或頭部企業(yè)使用。注肥泵法依靠管道內(nèi)部的水壓或者使用外部動力驅(qū)使肥液注入管道[10]，施肥過程中肥料溶液濃度隨施肥時間始終保持恒定，屬于比例施肥。不過，我國水動力注肥泵尚在研發(fā)中，不能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要；而機械驅(qū)動注肥泵流量穩(wěn)定、自動化控制性能好、對使用者學歷素質(zhì)水平要求不高，在我國經(jīng)濟發(fā)展中等偏上的規(guī)模種植區(qū)普遍應用。

因此，參考中國水溶肥特性，運用自動化控制、遠程通訊等技術，研發(fā)一款模擬傳統(tǒng)施肥習慣，滿足普遍規(guī)模農(nóng)場高工效、可遠程終端控制、簡單易操作要求，基于注肥泵法的全自動配施肥機非常必要。

1 全自動泵注肥配施肥機設計思路

通過合理布置管道[11]、編寫PLC程序控制泵和電動閥門[12]，將稱肥、溶解、稀釋、施肥甚至肥料裝卸等傳統(tǒng)步驟自動化。根據(jù)設置的灌水施肥面積，能夠?qū)⑺璐蟆⒅小⑽⒘吭厮芊始坝袡C水溶肥桶混，形成稀釋母液，并將母液按比例添加到灌溉水中的全自動配施肥機應是普遍規(guī)模種植農(nóng)場的水肥管理的必要工具。

1.1 適宜液體水溶肥的全自動配施肥機

營養(yǎng)元素作為溶質(zhì)溶解于水中成為溶液，或借助懸浮劑作用懸浮于水中成為懸浮液，即為液體水溶肥[13]。液體水溶肥可以直接通過滴灌及噴灌系統(tǒng)施用，具有肥料利用率高、施肥準確度高、均勻性好、自動化程度高但施肥成本低等優(yōu)點[14]。不同于以色列及其他農(nóng)業(yè)發(fā)達國家，按照中國農(nóng)業(yè)行業(yè)標準要求，大量元素水溶肥含量必須大于50%或者500g·L-1。使得市場上常見大量元素液體水溶肥密度和粘度等顯著不同于水。作物所需營養(yǎng)也不局限于氮、磷、鉀等礦物元素，還需要有機質(zhì)如氨基酸、小分子碳化合物、腐植酸等。全自動配施肥機應滿足規(guī)模種植農(nóng)場常用液體水溶肥施用，既能夠施大量元素水溶肥，又能夠施用含氨基酸、腐植酸水溶肥或有機水溶肥。

1.2 全自動泵注肥配施肥機的功能設計

規(guī)模種植家庭農(nóng)場一般種植不止一種作物。不同作物對營養(yǎng)需求規(guī)律不同，需要氮磷鉀不同配比的肥料。全自動配施肥機應能按一定比例將大量元素水溶肥和其它肥料桶混、注入到灌溉管網(wǎng)，滿足不同作物需求，即具有配肥和施肥功能。為降低使用成本，規(guī)模種植農(nóng)場還會采購噸桶裝的液體水溶肥；但噸桶裝液體水溶肥在農(nóng)業(yè)現(xiàn)場裝卸困難。全自動配施肥機應能將運輸車上的肥料轉(zhuǎn)移至貯肥桶，即具有卸肥功能。

1.3 傳統(tǒng)施肥方法步驟模擬

規(guī)模種植農(nóng)場在施用水溶肥前，會根據(jù)作物生長狀態(tài)、按照定量施肥的原則，確定本次施肥的用量。固定品規(guī)的液體水溶肥并不能滿足單次施用計量要求。使用者通常會通過稱量獲取肥料，為避免化學反應，稱取不同類型的液體肥桶混前還應注入一定量的清水。為了讓液體肥更均勻的注入灌溉管網(wǎng)中，使用者還會二次稀釋稱取好的液體肥，形成更大體積或重量的稀釋母液。攪拌稀釋母液形成更加均勻的作物營養(yǎng)溶液后，按一定流速將稀釋母液注入灌溉管網(wǎng)完成施肥。全自動配施肥機的工作步驟可以設定為稱量、桶混、稀釋、攪拌及施肥。

1.4 全自動泵注肥配施肥機的管路布置

配合全自動泵注肥配施肥機使用的還有液體水溶肥存貯桶、稱重桶和稀釋桶。擬將稀釋、攪拌、施肥和卸肥共用一套動力裝置，從而達到高性價比設計要求。只用一套動力裝置，完成稱量、桶混、稀釋、攪拌及施肥步驟，實現(xiàn)卸肥、配肥和施肥功能，需要合理設計管路和閥門位置。全自動泵注肥配施肥機內(nèi)部管路應連接液體水溶肥存貯桶、稱重桶、稀釋桶及灌溉管道，設計圖見圖1。

1.5 電器控制系統(tǒng)設計

全自動泵注肥配施肥機控制系統(tǒng)由可編程控制器和電器控制系統(tǒng)組成。電器控制系統(tǒng)包括接觸器、熱繼電器、中間繼電器、熔斷器、直流電源、稱重儀表、通訊模塊等。SIMATIC S7-200 SMART可編程控制器，其新穎的信號版設計可擴展通信端口、數(shù)字量通道、模擬量通道；可集成3路高速脈沖輸出，頻率高達100kHz，支持PWM/PTO輸出方式以及多種運動模式；能夠與觸摸屏、變頻器整合，提供高性價比小型自動化解決方案，滿足人機交互、控制、驅(qū)動等功能需求。

選擇GRM530 PLC無線通訊模塊實現(xiàn)PLC遠程監(jiān)控和維護功能，如可實現(xiàn)觸摸屏遠程下載、PLC遠程調(diào)試、組態(tài)軟件遠程監(jiān)控、電腦網(wǎng)頁、手機App監(jiān)控(當前數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)、歷史報警)。采用4G、短信、語音等通訊非透明傳輸方式，實現(xiàn)多包并發(fā)采集，智能數(shù)據(jù)壓縮等算法，可降低50%以上流量。

1.6 操作界面設計

操作界面分為歡迎頁、稱重、稀釋、攪拌、施肥、卸肥、總工藝、權限及警報界面。稱重界面可以設置所需肥料重量，點擊“一鍵加肥”后按先加水再加肥順序完成相應量肥料桶混；也可以點擊各肥按鈕手動添加相應肥料。肥料稀釋界面可以設置需要稀釋的桶混肥料重量、稀釋加水的時間。點擊“稀釋自動”時，全自動泵注肥配施肥機先把桶混肥輸送到稀釋桶中，再添加預定時間的水進行稀釋。在肥料攪拌界面中可以設置攪拌時間，點按攪拌自動時，全自動泵注肥配施肥機可以將稀釋桶中的肥液從底部抽出并流向頂部，通過自循環(huán)實現(xiàn)攪拌功能。設置施肥界面施肥時間后，點按“一鍵施肥”即可將稀釋桶中的肥液輸送到灌溉主管中。

總工藝界面中點擊定時畫面可以設置施肥時間段，即啟動灌水并到達預設時間時啟動或關閉施肥。以上步驟也可在完成各界面參數(shù)設定，點按總工藝界面的程序啟動，全自動配施肥機會按照稱重、稀釋、攪拌、施肥的步驟連續(xù)完成。

當運輸噸桶液體水溶肥車輛到達后，可以將連接全自動配施肥機卸肥口的軟管置于車上噸桶內(nèi)，再點按相應貯肥桶卸肥閥門或卸肥自動閥門，即可將運輸車上的肥料轉(zhuǎn)移至貯肥桶中。

2 全自動泵注肥配施肥機設計參數(shù)與樣機

2.1 灌溉施肥參數(shù)

施肥通道：≤5(通道可關閉，含補肥通道)；稱重系統(tǒng)：0～1000kg；稱重桶容積：500L(可拓展)；稀釋桶容積：1000L(可拓展)；控制觸發(fā)模式：支持時間邏輯、人機交互觸發(fā)、內(nèi)部程序觸發(fā)等模式；施肥泵可選(默認)：功率0.75kW；最大揚程/吸程：45m/9.8m；最大流量3.7m3·h-1。

2.2 全自動泵注肥配施肥機整體結(jié)構(gòu)

機身由不銹鋼組成，全部采用防水設計，外型美觀。稱重桶容積為500L，帶蓋。稀釋桶容積為1000L，帶蓋。

3 全自動泵注肥配施肥機推廣鑒定評價

采用生產(chǎn)查定與用戶調(diào)查相結(jié)合的方法進行。2018年6月20—28日，對樣機進行生產(chǎn)查定，作業(yè)時間為18.05h，試驗地點為中化(煙臺)作物營養(yǎng)有限公司，試驗內(nèi)容為灌水施肥。試驗結(jié)果表明，有效度為100%。共調(diào)查了濰坊市、煙臺市、日照市、濱州市等4個地區(qū)10個用戶，可靠性用戶滿意度為100%。生產(chǎn)查定期間和可靠性用戶調(diào)查中，均未發(fā)生導致機具功能完全喪失、造成人身傷亡的致命故障；也未發(fā)生主要零部件或重要組成(如水泵中的泵殼、軸承座、軸等結(jié)構(gòu)件、過濾裝置、施肥裝置等)的損壞，導致功能嚴重下降、難以正常作業(yè)的嚴重故障。該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可靠、功能嚴謹符合設計要求。

適用性評價采用選點試驗與用戶調(diào)查相結(jié)合的方法進行。評價內(nèi)容包括安裝的密封性、系統(tǒng)流量、壓力、灌溉施肥等作業(yè)性能，各項試驗結(jié)果符合設計要求。隨機抽取了濰坊市、煙臺市、日照市、濱州市等4個地區(qū)10個用戶進行了問卷式調(diào)查，內(nèi)容包括產(chǎn)品的使用情況、適用性等，用戶滿意度為100%。

4 結(jié)論

全自動泵注肥配施肥機是一套高性價比的精確配施肥裝置。能夠根據(jù)測土配方結(jié)果、作物不同生長階段營養(yǎng)需求，將高氮型、高磷型、高鉀型單質(zhì)或復合液體水溶肥等基礎肥品種按一定比例混配，形成任意營養(yǎng)配比母液，滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植園區(qū)所有作物任意階段的營養(yǎng)需求；能夠?qū)I養(yǎng)母液定量或者定比例施入田間管網(wǎng)。所選用的基礎肥既可以為大量元素清液型，也可以為含腐植酸或氨基酸液體水溶肥。

全自動泵注肥配施肥機是一個完全模塊化的配施肥裝置，具有二次稀釋功能，適用于不同含量的液體肥。既有配肥，又有卸肥、施肥功能；既可以通過現(xiàn)場界面操作，也可通過手機、電腦App遠程操控，通過遠程控制，一人同時控制多臺設備，提高勞動效率，更節(jié)省人工。