浅析水肥机肥料浓度的不同模式控制_姜利昭.pdf

第1期机电技术机电技术浅析水肥机肥料浓度的不同模式控制浅析水肥机肥料浓度的不同模式控制*姜利昭郑 珍（福建省机械科学研究院，福建 福州 350005）摘要水肥机是利用水肥一体化技术形成的设备，其可按照一定的要求对农作物进行施肥灌溉，核心技术是施肥浓度的控制。文章通过集4种不同模式控制水肥浓度的水肥一体化灌溉设备综合试验装置，在吸肥结构、电气控制系统、软件设计、试验数据等方面进行了说明、分析、对比，提出了不同应用场景应采取不同控制模式的建议。关键词水肥机；文丘里管；电导率；控制模式；电磁阀；电动阀；微型直流泵；变频器中图分类号：TN86；TM912文献标识码：A文章编号：1672-4801（2023）01-039-05DOI：10.19508/ki.1672-4801.2023.01.011*福建省科技计划项目（2021R1004003）作者简介：姜利昭（1974），男，高级工程师，研究方向为电气自动化及电器。水肥机是利用水肥一体化技术形成的设备，其将灌溉和施肥融为一体，改变了传统的土壤施肥技术模式，即抽水加压系统配合施肥桶进行水肥混合，再通过施肥管道加压系统将水肥输送给农作物，可控制灌溉水、肥料浓度，达到实现定量、节约施肥的效果。水肥机的的核心技术是如何控制灌溉水量和施肥浓度，特别是施肥浓度的控制，而实现这些控制有不同的控制模式，本文针对以上需求设计了水肥一体化灌溉设备综合试验装置（如图1）。如图1所示，灌溉水量通过调节供水泵转速（变频器）控制即可，而施肥浓度需通过水肥机控制。在试验装置中，肥料先放入肥料桶并搅拌均匀，连接水肥机的文丘里管喉口，利用文丘里管原理1，将肥料液体吸入灌溉管中。在施肥控制过程中，本文设计了4种不同模式控制施肥浓度，即电磁阀控制、电动阀控制、微型直流泵控制、变频器控制，下文将对水肥一体化灌溉设备的吸肥结构、电气控制系统、软件设计以及各种控制模式在设备上的应用进行分析说明。1吸肥结构吸肥是基于文丘里施肥器原理，即利用文丘里管进出口压差产生的喉口负压来吸取肥料液体。要控制施肥浓度，其实就是控制吸肥量，一般情况下，单位时间吸肥量大小与肥料浓度呈正向比。4种肥料浓度的不同控制模式是指执行控制吸肥量的器件不同，如图2所示为相应的结构图。电磁阀控制模式：打开肥料液体进口1的通水肥机肥料桶肥料桶肥料桶肥料桶过滤器补水管排水管变径三通DN110*50DN100流量计三通DN110阀门DN110电磁阀50*16供水泵排气阀测压口测压口试验底座75513002700液面底阀80020006502002001100测压口200200DN25流量计DN25电动阀测压口9300测压口图图1 1水肥一体化灌溉设备综合试验装置水肥一体化灌溉设备综合试验装置392023年1月机电技术机电技术道，即打开对应的手动调节阀5和手动开关9，工作时，施肥泵12打开，通过对对应的电磁阀7开、关状态的控制来控制吸肥量。电动阀控制模式：打开肥料液体进口2的通道，即打开对应的手动调节阀5和手动开关9，工作时，施肥泵12打开，通过调节电动阀8的开度来控制吸肥量。微型直流泵控制模式：打开肥料液体进口3的通道，即打开对应的手动调节阀5和手动开关9，工作时，施肥泵12和对应的电磁阀7打开，通过调节微型直流泵11的转速来控制吸肥量。变频器控制模式：打开肥料液体进口3的通道，即打开对应的手动调节阀5和手动开关9，工作时，施肥泵12和对应的电磁阀7打开，通过调节变频器的工作频率改变施肥泵12的转速来控制吸肥量。123456789101112图图2 2吸肥不同模式结构图吸肥不同模式结构图1.电磁阀控制模式肥料液体进口；2.电动阀控制模式肥料液体进口；3.微型直流泵控制模式肥料液体进口；4.变频器控制模式肥料液体进口；5.手动调节阀（4路）；6.灌溉管；7.电磁阀；8.电动阀；9.手动开关（4路）；10.文丘里管（4路）；11.微型直流泵；12.施肥泵2电气控制系统电气系统的硬件电路见图3，主要由以下部分组成：PLC控制单元；各管道的压力、流量、EC/PH等数据采集系统；肥料液体吸肥控制系统；肥料桶搅拌及其它电气辅助系统等。电气系统的核心单元采取PLC技术，具体型号为西门子的PLC S7-200（CPU ST40），是一款高性价比小型PLC产品。输入管脚I0.0作为微型直流泵转速测量脉冲信号输入端，转速值等于30脉冲数；输出管脚作为各管道电磁阀开关、搅拌机启停、施肥泵启停等控制输出端；与PLC组合的A/D模块（EM AE04）和EC/PH传感仪表连接，可直接读取管道的肥料浓度参数；与PLC组合的D/A模块（EM AQ04）和电动阀及微型直流泵相关控制端连接，可控制电动阀、微型直流泵的工作状态；PLC的通讯接口和巡检仪及变频器连接，通过通讯（RS485）获得各管道的压力、流量数据及控制变频器的相关工作参数；PLC的通讯接口和触摸屏连接，通过通讯（以太网）可实现人机交互界面；PLC自带PID控制功能亦应用于吸肥量控制系统中。数据采集系统主要由压力传感器、流量传感器、EC/PH传感器及相关仪表组成。压力、流量传感器采用电流输入型（420 mA）和巡检仪连接，通过巡检仪参数设置可显示出相关数据，巡检仪再与PLC单元连接（RS485通讯接口），PLC单元通过通讯即可获得各管道的压力、流量参数。EC/PH传感器和文丘里管的上流量传感器也是电流型，与A/D模块（EM AE04）连接，PLC单元可快速读取相关参数，提高了吸肥量自动控制过程的实时性。水肥机在水肥混合灌溉过程中，肥料浓度是以水电导率来体现的，这是由于水电导率是水体物理性状指标之一，间接表征水中溶解盐的含量。EC/PH 传感器是测量管道中的水电导率的传感器。本控制系统工作过程为：先设置所需的 EC（水电导率）值，运行时，PLC通过EC/PH传感器实时获得的管道水电导率值，将两者比较得出差值，经过PLC单元的PID控制算法算出输出参数值，输出值再通过电磁阀或电动阀或微型直流泵或变频器执行控制即可实现电导率控制。电磁阀控制模式输出值是占空比参数，如输出值为0.6，则在1个周期内40%的时间是关闭电磁阀的，60%的时间是打开电磁阀的；电动阀控制模式输出值是开度参数，如输出值为0.3，则电动阀开度值为30%；微型直流泵控制模式输出值是05 V的控制电压值，输出值直接控制微型直流泵的控制电压；变频器控制模式输出值是频率值，可通过通讯直接更改变频器的工作频率。其它辅助电气控制系统含有搅拌电机控制、电源变换（AC/DC、AC/AC）、急停控制系统等。肥料桶刚加或久置肥料时，一般需先通过搅拌均匀后方可使用，有利于系统肥料浓度的控制；AC220转换DC24 V电源供给PLC、触摸屏、巡检仪、直流泵、传感器等使用，AC220转换AC24 V电源供给电磁阀使用，也供给急停开关和指示灯使用；其它的还包括为了采样数据稳定采取的滤波电路、外壳接地保护等等。3软件设计流程图编程软件为 STEP7-MicroWIN SMART，支持Windows 7（10），编写的程序通过编译形成的代码40第1期从以太网接口下载到PLC，设置PLC为运行状态，则PLC即可运行相关软件。程序采取PLC梯形图方式编程，主程序流程图如图4所示。主程序 数据块参数预置 初始化:时基、端口上电参数值设置 调用数据采集子程序 调用频率输出子程序 调用端口输出子程序 调用 PID 控制子程序 中断设置、打开 图图4 4主程序流程图主程序流程图4试验过程先打开灌溉泵电源进水，并根据实际需要通过连接供水泵的变频器调节灌溉水量、压力等，当水量稳定后，按不同的控制模式打开相应的肥料液体进口通道；打开施肥泵电源，使施肥泵工作于50 Hz状态，观察文丘里管的喉口压力，若不是负压，则需更换施肥泵；根据不同模式控制，打开相应控制界面，试验不同模式控制过程，并记录相关数据及分析。1）电磁阀控制模式。图4是对应的界面，进入界面后，先将开关置于手动状态，设置最短开关时间（保护电磁阀）及EC设定值（图例值为2.0 ms/cm）；再打开施肥泵的电源（施肥泵右边开关呈绿色），设置和其连接的变频器工作于50 Hz；最后将开关置于自动状态。自动控制过程为PID自动控制过程，根据PID参数调节口诀2，依次整定出周期、比例、积分、微分等参数，但电磁阀的电气特性限制了其工作频率，综合占空比调节范围及性价比考虑，建议周期不少于 1.5 s，最短开关时间不少于0.2 s。图 4 中下部分的曲线是 EC 设定不同值（1.03.0 ms/cm间，也是农户常用的范围）时，自动控制过程对应灌溉管中EC值的控制变化，可以看出，使用电磁阀控制EC值时，EC值达到控制范围的时间大约为 13 min，波动范围为0.15 ms/cm左右，基本可以满足用户需求，但受制于最短开关时间、最小周期等影响，EC值的波动范围较大。图图4 4电磁阀控制界面电磁阀控制界面图图3 3电气控制硬件图电气控制硬件图姜利昭 等：浅析水肥机肥料浓度的不同模式控制412023年1月机电技术机电技术2）电动阀控制模式。图5是对应的控制界面，进入界面后，先将开关置于手动状态，设置电动阀的开度为0%及EC设定值（图例值为1.2 ms/cm）；再打开施肥泵的电源（施肥泵右边开关呈绿色），设置和其连接的变频器工作于50 Hz；当施肥泵工作稳定后，设置电动阀开度区间为15%80%并观察相应的吸肥量大小变化，若变化范围较小则可相应地调节施肥泵的工作区间以及图2的手动调节阀5的开度来满足电动阀开度调节吸肥量大小功能；最后将开关置于自动状态。自动控制过程为PID自动控制过程，参数调节过程同前文一致，但电动阀的结构存在调节过程长（即1个完整的调节过程需要20 s）和回调滞后（23 s）等问题，因此在编程及参数调节过程中要充分予以考虑。图5中下部分的曲线是 EC设定不同值（1.02.0 ms/cm）时，自动控制过程对应灌溉管中EC值的控制变化，可以看出，使用电动阀控制EC值时，EC值达到控制范围的时间大约为 35 min，波动范围为0.1 ms/cm左右，基本可以满足用户需求，但受制于电动阀自身结构影响、肥料桶高度等外围因素变化对电动阀开度和流量关系的影响，存在反应较慢、调节时间较长等问题。图图5 5电动阀控制界面电动阀控制界面3）微型直流泵控制模式。图6是对应的控制界面，进入界面后，先将开关置于手动状态，打开2#电磁阀，设置直流泵控制电压为0 V及EC设定值（图例值为 2.5 ms/cm）；再打开施肥泵的电源（施肥泵右边开关呈绿色），设置和其连接的变频器工作于50 Hz；当施肥泵工作稳定后观察相应的吸肥量大小和文丘里管喉口的压力值，调节变频器的工作频率，慢慢观察，使得文丘里管正好处于吸肥状态，并记录及保持当前的工作频率；最后将开关置于自动状态。自动控制过程为PID自动控制过程，参数调节过程同前文一致，直流泵的转速是由外围输入电压控制，响应时间相对较快，与前文所述两种控制方式有区别。图6中下部分的曲线是EC设定不同值（1.53.0 ms/cm）时，自动控制过程对应灌溉管中EC值的控制变化，可以看出，使用电动阀控制EC值时，EC值达到控制范围的时间大约为 12 min，波动范围为0.1 ms/cm 左右，基本可以满足用户需求，但受制于施肥泵工作状态及肥料桶液体水位的影响，存在无法改变、调节EC值问题，实用性有所欠缺。图图6 6微型直流泵控制界面微型直流泵控制界面4）变频器控制模式。该模式将施肥泵连接变频器，施肥泵的工作频率由变频器控制，图7是对应的控制界面，进入界面后，先将开关置于手动状态，打开1#、4#电磁阀，设置EC设定值（图例值为1.0 ms/cm）；再打开施肥泵的电源（施肥泵右边开关呈绿色），设置和其连接的变频器工作于50 Hz；最后把开关置于自动状态。自动控制过程为PID自动控制过程，参数调节过程同前文一致，施肥泵的工作频率由变频器直接决定，响应时间也相对较快。图 7 中下部分的曲线是 EC 设定不同值（1.03.5 ms/cm）时，自动控制过程对应灌溉管中EC值的控制变化，可以看出，使用电动阀控制EC值时，EC值达到控制范围的时间大约为0.51.5 min，波动范围为0.1 ms/cm左右，可以满足用户需求，响应时间快、调节精度高是该控制方式的特点，是图图7 7变频器控制界面变频器控制界面（下转第54页）422023年1月机电技术机电技术参考文献：1 李家书.气动技术的应用J.液压气动与密封，2006（4）：6-10.2 丁晓东.气动技术在电子设备上的应用J.流体传动与控制，2007（5）：31-33.XYnmnmABC90图图8 8计算模型计算模型少一个气缸以及相应的控制组件；3）工件脱落次数从日均20次下降为0，降低了产品报废率、质量风险以及设备维护频次和成本。4工件90旋转方式的比较分析通过对三种工件90旋转方式进行分析，得出它们的优缺点，如表1所示。从表1可以看出旋转抓取机构在成本、空间、可靠性和适用范围上更有优势。5结束语工件 90旋转抓取机构具有结构简单、成本低、空间小、适用范围广和可靠性高的特点。尤其适用于塑料件的生产线，能够减少工件的抓取次数或接口过渡次数，从而减少塑料屑的产生，提高产品的实物质量。表表1 1三种工件三种工件9090 旋转方式分析旋转方式分析成本占用空间可靠性适用范围单爪旋转方式4个气动元件，中间过渡弹压机构或压紧装置小低，工件易脱落滑道、流水线双爪旋转方式4个气动元件，过渡负压系统或过渡压紧装置大一般，旋转时工件可能脱落滑道、流水线和载具旋转抓取机构3个气动元件小高，工件不会脱落滑道、流水线和载具参考文献：1 王海军.文丘里管射流装置的结构及工作原理J.西南科技大学学报，2004（2）：41-44.2 佚名.设置PID参数口诀J.自动化信息，2009（7）：77.一种比较理想的控制模式，但因需增加变频器，成本也相对较高。5结论从4种不同模式控制的曲线图可以看出，对于一般的水肥灌溉农艺要求，4种不同控制模式基本上均可满足要求，但它们又有各自不同的特点：电磁阀控制模式使用的器件价格最便宜，但由于其为开关型控制，结构限制了其频率不可能太高，水肥浓度曲线波段较大；电动阀控制模式可较为精确地控制水肥浓度，但存在价格较高、调节时间较长的现象；微型直流泵控制模式控制响应时间快，精度也较高，但存在外围因素影响大、直流泵需定制设计等问题；变频器控制模式控制响应时间快、精度高，但需增加一台变频器，也增加了不少成本。综合以上特点，若是一般的大面积水肥灌溉或对水肥浓度均匀性要求不高的应用场景，采取电磁阀控制模式较好；若是对水肥浓度均匀性要求较高、灌溉时间较短（大棚无土栽培）的应用场景，可采用变频器控制模式，当此应用的市场需求较大时，可考虑将变频器功能嵌入至施肥泵中，以此制造出的变频施肥泵设备也将大幅降低设备成本，以促进此控制模式的推广。（上接第42页）54