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山地果园水肥一体化控制系统设计及应用研究

2020-08-25 689 上传者：管理员

摘要：为解决目前山地果园灌溉成本高、肥效低、浪费严重等问题,构建了一套果园水肥一体化滴灌系统,主要包括数据采集系统、控制中心、灌溉施肥系统,可自动完成母液配制、水肥循环、水肥灌溉及清水灌溉等过程。该系统以PLC为主控制器,以人机交互界面协同的方式控制作业,各传感器与PLC建立MODBUS协议并进行数据交换,保证作业过程中数据的实时监控。在水肥灌溉试验中,3个区域同一支管上不同滴头的平均水量为1.253、1.297、1.172L,同一滴头每5min出水量的平均值分别为0.626、0.659、0.616L,施肥过程中的水肥配比与目标值相比误差不超过5%,能够满足精准施肥要求。

关键词：
山地
控制系统
果园
水肥一体化
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灌溉是农作物生长过程的重要环节。据相关数据统计,我国农业用水占总用水量的70%左右,且主要为灌溉用水,而灌溉用水水资源利用率不到60%[1]。由于落后的灌溉设施和粗放的管理制度,灌溉用水浪费严重,作物施水量不均。目前,灌溉大多采用引流方式将灌溉水引入农田中进行灌溉,造成了大量水资源浪费,极大地限制了农业的发展[2]。另一方面,化肥作为农业生产资料是提高农作物产量和质量的保障,对于解决其不合理施用所带来的环境污染问题也面临着巨大的挑战[3,4]。

水肥一体化是把灌溉和施肥融为一体的施肥技术[5,6,7],具有节水节肥、方便管理、提高产品质量等特点,被发达国家广泛应用[8,9,10]。与传统的水肥灌溉相比,肥料利用率提高了30%～50%[11,12]。水果是我国南方丘陵地区重要的经济产物,果树种植因其独特的气候和地质条件受到制约,大量研究表明,在丘陵山区使用设施滴灌技术的节水增产效果更加理想,配合液体施肥能够显著提高用肥效率[13,14]。

在常见的灌溉施肥系统中,水肥灌溉控制大多局限于平地的温室大棚使用,作业面积较小,在工作环境复杂的果园灌溉系统中稳定性没有保障。为此,设计了一套适用于山地果园自动化灌溉系统,旨在解决传统灌溉施肥模式中劳动强度大、成本高、管理麻烦及水肥利用率低等问题。

1、灌溉系统结构与控制原理

1.1 灌溉系统结构

水肥一体化灌溉系统的主要任务是通过管道送水对田间作物进行灌溉施肥,分为母液配制、水肥循环、水肥灌溉及清水灌溉4个环节。依据作业流程,设计本灌溉系统结构,如图1所示。

1.2 控制原理

果园水肥一体化控制系统由数据采集系统、控制中心和灌溉施肥系统3部分组成,各模块之间由RS485组网进行数据传送,如图2所示。电源模块将进电电源转换成匹配电压为各模块供电。控制中心主要由人机交互界面、PLC和变频器组成,用户通过交互界面设置灌溉作业所需参数传输至PLC储存完成灌溉前的准备工作,将启停信号和输出信息传递给变频器组控制水泵运转吸水吸肥,控制首部系统内电磁阀的开启和关闭,无线收发器发送田间待灌区域电磁阀开阀命令。数据采集系统完成管道内肥液和清水的流量、压力值的测定,实时反馈至控制中心处理。灌溉水肥系统以输送水肥管道网络为基础,管内水压达到设定压力值后机械开关打开,田间终端节点控制器上电,发送开阀请求,泵站收到请求后发送开阀指令,开启待灌区电磁阀实施灌溉施肥作业。

图1水肥一体化灌溉系统结构图

1.水池2.真空泵3.手动总阀4.吸水离心泵5.引水电磁阀6.泄压阀7.止回阀8.砂石过滤器9.网筛过滤器10.主管流量计11.主管压力表12.灌溉总阀13.田间电磁阀14.注水电磁阀15.吸肥电磁阀16.肥管压力表17.肥管流量计18.网筛过滤器19.循环电磁阀20.肥管止回阀21.吸肥泵22.混肥池

图2控制系统总体结构

2、控制系统硬件设计

PLC输入和输出端子及定义如表1所示。

其中,X0～X3主要用于外部手自动切换、真空泵的启停和系统急停,Y0～Y7用于使用定时器输出一个脉宽为20～500ms的正负脉冲,驱动继电器实现脉冲电磁阀的开启和关闭,AD0和AD1接收压力传感器反馈信号的模拟量,DA0输出一个0～10V电压来控制变频器频率,RS485+和RS485-与流量计和变频器组网通信,RS232建立PLC与人机界面HMI通信。PLC接线图如图3所示。

3、控制系统软件设计

3.1 控制系统人机交互软件设计

在水肥灌溉系统中应用人机交互界面,可减少传统物理控制按钮,显示屏组态可与PLC进行数据交换,具有掉电记忆功能,在田间较复杂的环境下能够可靠工作。本控制系统采用基于Linux系统的SamkoonSK系列触摸屏,交互界面主要包括用户登录、参数设置、任务操作及数据监控4部分。作业操作内容包括肥池注水、肥液搅拌、水肥灌溉和清水灌溉,作业项目启动后,可监控各管实时流量、所施清水和肥液总量、运行时间和水肥比例。当数据出现异常时报警器报警,显示报警内容且自动急停,保存当前数据。紧急情况下可手动置位急停按钮,所有设备立即停止,保存数据,如图4所示。

图3PLC端子接线图

图4操作及数据监控界面

3.2 母液配制子系统软件设计

母液配制系统首先对用户在人机交互界面输入并保存的参数进行计算,得到混肥池中所需的水量;点击“肥池注水”按钮后,按照“101”的顺序打开相应的电磁阀,再启动变频器电机控制水泵运转抽取清水;启动命令发送后,变频器发送状态信号给PLC判断电机是否启动,流量计记录累计流量值,当注水量达到设定值时注水结束;发送水泵停止信号直至水泵完全停止后,关闭电磁阀,注水结束。

3.3 水肥灌溉与清洗子系统软件设计

水肥灌溉系统根据预先设定的母液比例和水肥比例进行控制。进行水肥灌溉时,无线传输模块发送开阀命令开启田间电磁阀,田间LoRa终端控制器回传开启信息,阀门开启后启动主水泵并判断是否开启,抽取清水至主管道并计时;计时结束后,启动吸肥泵从混肥池中抽取母液与清水混合,水肥配比系统根据流量计反馈的流量信号计算水肥比例并调整吸肥泵转速使其趋于设定值;当注入主水管的母液累计量达到设定值时吸肥泵停止,待完全停止后关闭电磁阀,主水泵继续运行至设定时间,清洗管道及滴头的残余肥渣,清洗完毕后主水泵停止。

3.4 报警系统子程序软件设计

在任何作业情况下,流量计和压力传感器均会实时对管内信息进行采集并传回PLC进行监控,当工况改变导致流量、压力值不在预先的设定范围内并保持一定的时间后,系统会立即停止泵组运行并发出报警。设定管内压力最大值为0.5MPa,当系统运行时压力传感器检测到管内压力小于0.5MPa时。无报警响应;当管内压力大于0.5MPa时,系统所有电机水泵立即停止,人机界面发出报警响铃并显示“压力报警”信息。预先设定各个灌区流量范围后,当系统运行时流量传感器检测到管内流量在设定范围内时,无报警响应;当管内流量保持5s在设定范围外时,系统所有电机水泵立即停止,人机界面发出报警响铃并显示“流量报警”信息。

4、水肥一体化控制系统运行测试

4.1 试验平台搭建

2018年10月搭建水肥一体化灌溉系统,经系统调试和田间区域划分后,进行水肥灌溉试验。首部系统是灌溉系统的中心,主要由水源和蓄水池、灌溉管网、过滤器、控制柜、执行机构及传感器等组成,如图5所示。

4.2 试验内容及结果分析

4.2.1 滴头水量试验

为了验证田间滴头出水的均匀性,在水肥灌溉期间分别测量A区、B区和C区3个区域滴头出水情况。

图5水肥一体化灌溉系统中心

1)同一支管不同滴头滴水量。

分别对3个灌区同一支管不同滴头滴水量进行采样,每个区样本数为12个,测量滴水时间10min。分别记录同一支管各个滴头的滴水量,3个区同一支管不同滴头10min内滴水总量情况如表2所示。由表2可知:3个区同一支管不同滴头在相同的时间内滴水量平均值分别为1.253、1.297、1.172L,各个滴头水量比较均匀。其中,A区滴头水量最大值为1.402L,最小值为0.863L;B区滴头水量最大值为1.538L,最小值为1.115L;C区滴头水量最大值为1.612L,最小值为0.430L。根据实际的灌溉作业情况进行分析,不同滴头产生水量过低的原因可能是滴头堵塞,滴头水量过大的原因可能是滴头补偿垫片损坏或滴管破裂。

2)同一滴头的不同时间滴水量。

各个区随机选取1个滴头进行滴水量测量,在同一滴头的不同时间范围内测量滴头流水情况,取0～5、5～10、10～15、15～20、20～25min内的滴头滴水量,分别编号为1～5,如表3所示。由表3可以看出:3个灌区同一滴头每5min滴水量的平均值分别为0.626、0.659、0.616L,每个滴头在不同时间内出水均匀。同一滴头间不同时间段滴水量的差异的原因可能是吸水离心泵存在气蚀现象,吸水时带入少量空气进入管道引起流量偏差,导致实际流量偏小;首部恒压是一个动态平衡的过程,压力的微小波动可导致吸水流量轻微变化。

4.2.2 水肥配比测试

在水肥灌溉中施肥比例尤为重要,浓度过高会导致作物烧苗,过低会使土壤养分流失。在水肥配比试验中,使用水肥一体化系统对B区进行施肥,分别将母液水肥质量比例设置为50∶1,水肥比例设置为500∶1进行测试。待清水灌溉15min使管内水压及流量稳定后,每隔10s采样一次,共采样10次,水肥配比试验结果如表4所示。试验结果表明:在水肥配比试验中误差均小于5%,符合设计要求。

5、结论

针对国内山地果园水肥灌溉浪费严重、劳动效率低下及管理复杂等问题,设计了一套山地果园水肥一体化灌溉系统,旨在为丘陵地区山地果园管理提供有效可行的灌溉方案。试验结果表明:灌溉系统出水均匀稳定,水肥比例误差绝对值小于5%,水肥比比较均匀,能够满足水肥配比要求。

参考文献：

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