溫室基質(zhì)栽培水肥一體化施肥系統(tǒng)的構(gòu)建

黃語燕 劉善文 陳永快 劉現(xiàn) 鄭鴻藝 王濤

摘要：結(jié)合作物智能化施肥發(fā)展的需求，設(shè)計(jì)一個(gè)通過蠕動(dòng)泵吸取肥料母液，使肥液按設(shè)定比例與水混合成設(shè)置的濃度，并通過控制肥液的EC值、pH值和肥液進(jìn)入灌溉管道的灌溉時(shí)間來實(shí)現(xiàn)水肥一體化自動(dòng)施肥的系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)的水肥一體化施肥系統(tǒng)采用可編程控制器（PLC）作為控制器，觸摸屏作為監(jiān)控設(shè)備，能根據(jù)不同作物需求設(shè)置施肥、灌溉策略，且能夠?qū)崿F(xiàn)分區(qū)域灌溉，不同區(qū)域水肥參數(shù)可單獨(dú)設(shè)置，自動(dòng)完成水肥一體化灌溉。它能夠快速、精確地完成施肥，配好1桶150 L的肥液，約需90 s。將該系統(tǒng)運(yùn)用到溫室基質(zhì)水果黃瓜栽培中，利用回水系統(tǒng)，大約能節(jié)水19.4%，水果黃瓜平均產(chǎn)量為40 761 kg/hm2。

關(guān)鍵詞：水肥一體化;灌溉;自動(dòng)施肥;蠕動(dòng)泵;PLC

中圖分類號(hào)： S24文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2019）21-0278-04

收稿日期：2018-10-15

基金項(xiàng)目：福建省發(fā)改委五新項(xiàng)目（編號(hào)：[2015]489號(hào)、閩發(fā)改投資[2018]206號(hào)）;福建省科技廳公益專項(xiàng)（項(xiàng)目：2016R1015-2）;福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（編號(hào)：STIT2017-2-12）;福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院數(shù)字農(nóng)業(yè)科技服務(wù)團(tuán)隊(duì)（編號(hào)：kjfw22）;福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院院管A類項(xiàng)目（編號(hào)：A2017-36）;福州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：榕科[2017]347號(hào)）。

作者簡(jiǎn)介：黃語燕（1987—），女，福建福州人，碩士研究生，研究實(shí)習(xí)員，主要從事農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化研究。E-mail：644621043@qq.com。

通信作者：陳永快，碩士研究生，助理研究員，主要從事設(shè)施農(nóng)業(yè)研究。E-mail：86467897@qq.com。

我國(guó)植物施肥往往“大水大肥”，水肥施用方式為復(fù)合肥隨水沖施，導(dǎo)致養(yǎng)分投入比例不合理，水肥利用效率較低[1]。針對(duì)這些問題，有必要對(duì)水肥一體化營(yíng)養(yǎng)液灌溉技術(shù)進(jìn)行深入研究，開發(fā)出響應(yīng)快速、精度高的水肥一體化施肥系統(tǒng)。水肥一體化技術(shù)是在壓力作用下將肥料溶液注入灌溉管道，根據(jù)設(shè)定的灌溉參數(shù)和施肥參數(shù)，為作物提供其生長(zhǎng)發(fā)育所需的水分和養(yǎng)分，能有效地減少人力，提高水肥利用率，達(dá)到增產(chǎn)增收的效果[2-4]。

隨著水肥一體化技術(shù)的成熟，設(shè)施產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，如荷蘭、以色列等，均已經(jīng)普及推廣水肥一體化技術(shù)，并形成產(chǎn)品系列，如以色列NETAFIM公司研發(fā)的Netajet系列、Eldar-Shany公司研制的Frtimix系列，荷蘭PRIVA公司研發(fā)的Nutri-line系列等[5]。以色列在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用水肥一體化技術(shù)，節(jié)約了40%～60%的灌溉用水和30%～50%的肥料[6]。當(dāng)前，我國(guó)也已經(jīng)開展了水肥一體化技術(shù)引進(jìn)與研究，吸肥系統(tǒng)主要采用文丘里吸肥器，如李加念等設(shè)計(jì)了文丘里變量施肥裝置，并采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)調(diào)節(jié)施肥量[7];袁洪波等利用文丘里混合器設(shè)計(jì)了溫室水肥一體化營(yíng)養(yǎng)液調(diào)控系統(tǒng)[8];李友麗等利用文丘里混合器設(shè)計(jì)了有機(jī)栽培水肥一體化系統(tǒng)[9]。文丘里施肥裝置具有調(diào)節(jié)壓力范圍有限，對(duì)主管流量穩(wěn)定性要求較高，系統(tǒng)壓力損失大，且只能吸取液體等缺點(diǎn)[10]。

本研究所用系統(tǒng)采用蠕動(dòng)泵作為吸肥原件，相對(duì)于其他吸肥器件，蠕動(dòng)泵具有易于清洗和清潔，適用于液體、氣體、兩相流以及高黏流體，無密封件、無閥門，控制精度高，流量適應(yīng)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)能夠?qū)⒎室喊丛O(shè)定比例與水混合成設(shè)置的濃度，并借助灌溉管道和滴管、滴箭等設(shè)備施給植物，能夠執(zhí)行比較精確的施肥過程。該系統(tǒng)可應(yīng)用于大田作物栽培、溫室土壤栽培以及溫室無土基質(zhì)栽培模式。根據(jù)無土基質(zhì)栽培模式營(yíng)養(yǎng)液可回收的特點(diǎn)，本研究所用系統(tǒng)還另外設(shè)計(jì)了回液池、過濾器等營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)，將其應(yīng)用在溫室基質(zhì)栽培系統(tǒng)中，能有效地提高水肥利用率。

1水肥一體化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

如圖1所示，水肥一體化施肥系統(tǒng)主要由配肥系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)、營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)等三大部分組成。配肥系統(tǒng)主要包括蓄水池、進(jìn)水水泵、進(jìn)水電磁閥、混肥桶、混肥桶液位傳感器、母液桶、蠕動(dòng)泵、可溶性鹽濃度（EC）及pH值傳感器、肥液出水水泵等組成。灌溉系統(tǒng)借助灌溉管道和滴管、 滴箭等設(shè)備施水肥給植物，主要由灌溉總電磁閥、壓力表、流量表、灌溉管道、分區(qū)灌溉電磁閥、栽培區(qū)清水灌溉管道、清水灌溉電磁閥等組成。營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)主要由回收管道、回收池、浮球開關(guān)、回收池水泵、過濾器、紫外線消毒裝置等組成。

1.2系統(tǒng)工作原理

配肥系統(tǒng)是水肥一體化系統(tǒng)的核心，本系統(tǒng)中的混肥桶營(yíng)養(yǎng)液調(diào)控采用基于EC值和pH值的營(yíng)養(yǎng)液調(diào)控方式，是使肥料母液和水充分混合，并達(dá)到預(yù)設(shè)EC值、pH值的動(dòng)態(tài)過程。營(yíng)養(yǎng)液制備過程為：打開進(jìn)水電磁閥，使水注入到混肥桶中，與此同時(shí)，母液桶里的各種高濃度肥液由蠕動(dòng)泵注入到混肥桶中，肥液出水水泵從混肥桶抽出肥液到肥液回流支管后再回流至混肥桶，安裝在支管上的EC值、pH值傳感器檢測(cè)管道中的肥液濃度，并將檢測(cè)得到的濃度值反饋到控制系統(tǒng)與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)信號(hào)差值通過控制帶動(dòng)蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)施肥量。當(dāng)檢測(cè)到的EC值、pH值達(dá)到設(shè)定值時(shí)，打開灌溉總電磁閥和相應(yīng)的分區(qū)灌溉電磁閥，使配置完成的肥液進(jìn)入灌溉系統(tǒng)。營(yíng)養(yǎng)液的制備過程是一個(gè)實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)過程，即連續(xù)不斷地向混肥桶內(nèi)加入水和肥料母液，并在營(yíng)養(yǎng)液制備的同時(shí)，通過肥液出水水泵和開啟灌溉電磁閥向外提供制備完成的營(yíng)養(yǎng)液，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)制備、隨時(shí)灌溉。

灌溉系統(tǒng)采用分區(qū)灌溉方式，當(dāng)肥液配制完成時(shí)，按照系統(tǒng)設(shè)置的灌溉方式，控制分區(qū)各個(gè)電磁閥的開閉以及開閉的時(shí)間，肥液借助灌溉管道和滴箭、滴頭等設(shè)備施給植物。此外，當(dāng)植物只需要灌溉清水時(shí)，打開清水灌溉電磁閥和相應(yīng)的分區(qū)電磁閥完成清水灌溉。

在營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)中，當(dāng)液位到達(dá)一定高度時(shí)，回收池內(nèi)的回收液經(jīng)回收池水泵、過濾器及紫外線消毒后注入到混肥桶中，直到回收池液位達(dá)到一定的低液位。

2系統(tǒng)控制框圖及控制原理

2.1系統(tǒng)控制框圖

控制系統(tǒng)采用臺(tái)達(dá)DVP-ES2系列可編程控制器（PLC）作為控制器，維控LEVI777A作為人機(jī)交互界面觸摸屏。如圖2所示，設(shè)計(jì)模擬量輸入有EC值、pH值、液位、壓力、流量。EC值、pH值的變化控制蠕動(dòng)施肥泵的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，壓力如果超出管道承受范圍則暫停設(shè)備并報(bào)警。設(shè)計(jì)數(shù)字量輸出有清水灌溉電磁閥、進(jìn)水電磁閥、肥液出水水泵、灌溉總電磁閥、灌溉分區(qū)電磁閥、蠕動(dòng)泵、報(bào)警器等。

2.2系統(tǒng)控制內(nèi)容及原理

水肥一體化施肥系統(tǒng)的配肥系統(tǒng)必須完成2種控制，即各種母液配比控制和施肥量控制。采用可調(diào)速步進(jìn)電機(jī)控制蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速的方式，即可較準(zhǔn)確地控制施肥量和各通道的母液配比。由于混肥桶中的肥液混合具有在線性，因此肥液混合系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)、延遲和不確定等特性，系統(tǒng)的滯后和慣性較大，所以肥液混合系統(tǒng)采用模糊控制法進(jìn)行控制。系統(tǒng)采用負(fù)反饋閉環(huán)控制原理來實(shí)現(xiàn)模糊控制。首先，將輸入量、控制規(guī)則、決策以及判決等模塊均模糊化，輸入量模糊化后即對(duì)應(yīng)于一定等級(jí)的隸屬度。然后，制定輸入變量、輸出控制變量及其論域?qū)?yīng)不同等級(jí)模糊集中的各個(gè)語言變量的隸屬度。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得出，模糊控制規(guī)則是用語言變量形式表示的模糊條件語句，而起控制作用的模糊集則是以模糊規(guī)則為基礎(chǔ)的模糊決策。最后，用模糊判決方法得到輸出控制變量論域中的等級(jí)數(shù)，再經(jīng)過輸出精確化，輸出控制指令。

灌溉部分可設(shè)置定時(shí)灌溉、周期灌溉、手動(dòng)灌溉等3種灌溉方式。定時(shí)灌溉即指定在某一天的某段時(shí)間內(nèi)灌溉，在一天中設(shè)定6組開始灌溉時(shí)間，設(shè)定每段時(shí)間灌溉量，可以選擇灌溉的閥門號(hào)。周期灌溉即指定在一段時(shí)間內(nèi)的循環(huán)灌溉，設(shè)定周期灌溉時(shí)間段內(nèi)周期灌溉的灌溉時(shí)間和間隔時(shí)間，可以選擇灌溉的閥門號(hào)。手動(dòng)灌溉只需設(shè)定灌溉量，使用手動(dòng)灌溉按鈕開始和結(jié)束灌溉。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)配肥軟件設(shè)計(jì)

如圖3所示，開始配肥時(shí)，蠕動(dòng)泵以預(yù)先設(shè)定的流速將肥液注入混肥桶內(nèi)，同時(shí)將實(shí)時(shí)采集的EC值與設(shè)定值進(jìn)行比較，判斷是否該增加或減小蠕動(dòng)泵的流速，增加或減小肥料流速是通過改變帶動(dòng)蠕動(dòng)泵的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)的，即改變輸入步進(jìn)電機(jī)控制器信號(hào)的脈沖頻率，必要時(shí)還可隨時(shí)停止加入肥料。同理，實(shí)時(shí)測(cè)定營(yíng)養(yǎng)液的pH值，如果測(cè)得的pH值高于目標(biāo)值，開啟酸液蠕動(dòng)泵加入酸液，調(diào)整pH值。

3.2人機(jī)界面軟件設(shè)計(jì)

人機(jī)界面可以從PLC中實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并發(fā)出控制命令、監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)可生成報(bào)表、歷史數(shù)據(jù)庫等。HMI實(shí)現(xiàn)的主要功能有：（1）顯示功能。顯示測(cè)量值、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài);（2）參數(shù)設(shè)置功能。灌溉時(shí)間、灌溉量、配肥參數(shù)等的設(shè)置;（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，歷史數(shù)據(jù)庫自動(dòng)按設(shè)定頻率記錄數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ);（4）歷史數(shù)據(jù)查詢。按照時(shí)間段查詢歷史數(shù)據(jù);（5）實(shí)時(shí)曲線。將EC值、pH值、液位值用曲線的形式實(shí)時(shí)表示出來;（6）事件記錄。對(duì)用戶登陸退出、控制輸入輸出、數(shù)據(jù)上下限報(bào)警事件進(jìn)行記錄存儲(chǔ)。

4系統(tǒng)實(shí)物及測(cè)試

4.1系統(tǒng)試驗(yàn)

如圖4所示，試驗(yàn)在福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院示范農(nóng)場(chǎng)玻璃溫室中進(jìn)行。溫室長(zhǎng)64 m、寬55 m，占地面積0.352 hm2。大棚內(nèi)設(shè)有內(nèi)遮陽系統(tǒng)、外遮陽系統(tǒng)、濕簾、外風(fēng)機(jī)、頂開窗、噴霧等設(shè)備，并配套本水肥一體化施肥系統(tǒng)。

2018年5月19日在溫室內(nèi)定植夏之光水果黃瓜幼苗（5月2日播種），2018年8月3日采收完畢。采用基質(zhì)無土栽培方式進(jìn)行栽培，選擇條狀的椰糠基質(zhì)帶作為栽培基質(zhì)，一條基質(zhì)帶長(zhǎng)1 m，可定植4株作物。溫室內(nèi)全部種滿水果黃瓜，共定植8 870株。在種植期間對(duì)溫室內(nèi)的灌溉用水量、回收水量、產(chǎn)量等情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性及實(shí)用性。

4.2結(jié)果分析

經(jīng)測(cè)試，水肥一體化系統(tǒng)控制精度高，配好1桶150 L的肥液，約需90 s，EC值控制精度為±0.2 mS/cm，pH值控制精度為±0.2。

每周混肥桶灌溉出水量及回收池的回收水量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示，可以看出，混肥桶灌溉出水量合計(jì)為1 112.8 m3，回收池回水量合計(jì)為215.5 m3。經(jīng)計(jì)算，本研究所栽培溫室黃瓜整個(gè)生長(zhǎng)周期共需消耗水897.3 m3（混肥桶灌溉出水量-回水池回水量），利用回收系統(tǒng)，大約能節(jié)省灌溉出水量的19.4%。

由表2可知，溫室內(nèi)水果黃瓜總產(chǎn)量為14 349 kg，平均產(chǎn)量為40 764 kg/hm2，單株總產(chǎn)量為1.62 kg。

5結(jié)論

本研究所用水肥一體化灌溉系統(tǒng)由人機(jī)交互界面觸摸屏（HMI）、可編程控制器（PLC）、蠕動(dòng)泵、母液桶、混肥桶、傳感器、電磁閥、管件等組成，采用基于EC值和pH值的營(yíng)養(yǎng)液調(diào)控方式，能夠按照用戶設(shè)置的灌溉施肥方式，通過機(jī)器上的一套線性可調(diào)速蠕動(dòng)泵準(zhǔn)確地配置出符合配方設(shè)定比例要求的營(yíng)養(yǎng)液，并輸送到相應(yīng)灌溉分區(qū)，每個(gè)栽培分區(qū)水肥配方可獨(dú)立設(shè)置。經(jīng)測(cè)試，水肥一體化系統(tǒng)控制精度高，配好1桶150 L 的肥液，大概需要90 s，EC值控制精度為±0.2 mS/cm、pH值控制精度為±0.2。將該系統(tǒng)運(yùn)用到溫室基質(zhì)栽培區(qū)內(nèi)，利用回水系統(tǒng)，大約能節(jié)水19.4%，水果黃瓜平均產(chǎn)量為40 761 kg/hm2。本系統(tǒng)具有較廣的灌溉流量和灌溉壓力適應(yīng)范圍，能夠充分滿足大田作物栽培、溫室土壤栽培以及溫室無土基質(zhì)栽培等場(chǎng)合的灌溉施肥需要。

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