基于泵注肥法智能配施肥机设计与应用

郑雪松王晓旭张传伟马涛涛王宝杰田连波

(1.中化化肥有限公司，北京 100031；2.中化(烟台)作物营养有限公司，山东 烟台 265500；3.安丘市农业技术推广中心，山东 安丘 262100)

引言

水肥一体化是实现化肥、农药用量零增长，利用率达到40%以上的最佳手段[1,2]；也是规模种植主体降本增效、实现稳定收益的最直接抓手[3,4]。《农村水利水电工作年度报告》指出，2019年我国新增、恢复具备水肥一体化技术应用条件耕地面积为84666.67hm2、改善189.6万hm2。《新型农业经营主体和服务主体高质量发展规划(2020—2022年)》指出，2022年全国预期发展家庭农场100万家，其中各级示范家庭农场10万家。水肥一体化技术已经在我国得到了较大范围的应用实践，且随着市场规模发展进一步成为农业一号技术[5,6]。

施肥设备是水肥一体化应用的核心装置，影响整个项目灌溉施肥质量[7,8]。受农业种植规模、项目建设成本、信息化不均衡发展、经济发展水平等因素影响，重力自压式施肥、压差式施肥、文丘里施肥、泵注肥和文丘里组式全自动施肥在我国均有应用场景[9]。根据作物灌溉施肥指标或阈值设定肥料配比程序，采用模糊控制器控制电动阀开启时间长短，通过EC传感器控制文丘里或施肥泵施肥，满足不同农作物需肥要求，是全自动施肥机设计原理。但由于所用肥料种类、种植者素质、水肥习惯传承，这种施肥机仅在高端农业种植或头部企业使用。注肥泵法依靠管道内部的水压或者使用外部动力驱使肥液注入管道[10]，施肥过程中肥料溶液浓度随施肥时间始终保持恒定，属于比例施肥。不过，我国水动力注肥泵尚在研发中，不能满足农业生产需要；而机械驱动注肥泵流量稳定、自动化控制性能好、对使用者学历素质水平要求不高，在我国经济发展中等偏上的规模种植区普遍应用。

因此，参考中国水溶肥特性，运用自动化控制、远程通讯等技术，研发一款模拟传统施肥习惯，满足普遍规模农场高工效、可远程终端控制、简单易操作要求，基于注肥泵法的全自动配施肥机非常必要。

1 全自动泵注肥配施肥机设计思路

通过合理布置管道[11]、编写PLC程序控制泵和电动阀门[12]，将称肥、溶解、稀释、施肥甚至肥料装卸等传统步骤自动化。根据设置的灌水施肥面积，能够将所需大、中、微量元素水溶肥及有机水溶肥桶混，形成稀释母液，并将母液按比例添加到灌溉水中的全自动配施肥机应是普遍规模种植农场的水肥管理的必要工具。

1.1 适宜液体水溶肥的全自动配施肥机

营养元素作为溶质溶解于水中成为溶液，或借助悬浮剂作用悬浮于水中成为悬浮液，即为液体水溶肥[13]。液体水溶肥可以直接通过滴灌及喷灌系统施用，具有肥料利用率高、施肥准确度高、均匀性好、自动化程度高但施肥成本低等优点[14]。不同于以色列及其他农业发达国家，按照中国农业行业标准要求，大量元素水溶肥含量必须大于50%或者500g·L-1。使得市场上常见大量元素液体水溶肥密度和粘度等显著不同于水。作物所需营养也不局限于氮、磷、钾等矿物元素，还需要有机质如氨基酸、小分子碳化合物、腐植酸等。全自动配施肥机应满足规模种植农场常用液体水溶肥施用，既能够施大量元素水溶肥，又能够施用含氨基酸、腐植酸水溶肥或有机水溶肥。

1.2 全自动泵注肥配施肥机的功能设计

规模种植家庭农场一般种植不止一种作物。不同作物对营养需求规律不同，需要氮磷钾不同配比的肥料。全自动配施肥机应能按一定比例将大量元素水溶肥和其它肥料桶混、注入到灌溉管网，满足不同作物需求，即具有配肥和施肥功能。为降低使用成本，规模种植农场还会采购吨桶装的液体水溶肥；但吨桶装液体水溶肥在农业现场装卸困难。全自动配施肥机应能将运输车上的肥料转移至贮肥桶，即具有卸肥功能。

1.3 传统施肥方法步骤模拟

规模种植农场在施用水溶肥前，会根据作物生长状态、按照定量施肥的原则，确定本次施肥的用量。固定品规的液体水溶肥并不能满足单次施用计量要求。使用者通常会通过称量获取肥料，为避免化学反应，称取不同类型的液体肥桶混前还应注入一定量的清水。为了让液体肥更均匀的注入灌溉管网中，使用者还会二次稀释称取好的液体肥，形成更大体积或重量的稀释母液。搅拌稀释母液形成更加均匀的作物营养溶液后，按一定流速将稀释母液注入灌溉管网完成施肥。全自动配施肥机的工作步骤可以设定为称量、桶混、稀释、搅拌及施肥。

1.4 全自动泵注肥配施肥机的管路布置

配合全自动泵注肥配施肥机使用的还有液体水溶肥存贮桶、称重桶和稀释桶。拟将稀释、搅拌、施肥和卸肥共用一套动力装置，从而达到高性价比设计要求。只用一套动力装置，完成称量、桶混、稀释、搅拌及施肥步骤，实现卸肥、配肥和施肥功能，需要合理设计管路和阀门位置。全自动泵注肥配施肥机内部管路应连接液体水溶肥存贮桶、称重桶、稀释桶及灌溉管道，设计图见图1。

1.5 电器控制系统设计

全自动泵注肥配施肥机控制系统由可编程控制器和电器控制系统组成。电器控制系统包括接触器、热继电器、中间继电器、熔断器、直流电源、称重仪表、通讯模块等。SIMATIC S7-200 SMART可编程控制器，其新颖的信号版设计可扩展通信端口、数字量通道、模拟量通道；可集成3路高速脉冲输出，频率高达100kHz，支持PWM/PTO输出方式以及多种运动模式；能够与触摸屏、变频器整合，提供高性价比小型自动化解决方案，满足人机交互、控制、驱动等功能需求。

选择GRM530 PLC无线通讯模块实现PLC远程监控和维护功能，如可实现触摸屏远程下载、PLC远程调试、组态软件远程监控、电脑网页、手机App监控(当前数据和历史数据、历史报警)。采用4G、短信、语音等通讯非透明传输方式，实现多包并发采集，智能数据压缩等算法，可降低50%以上流量。

1.6 操作界面设计

操作界面分为欢迎页、称重、稀释、搅拌、施肥、卸肥、总工艺、权限及警报界面。称重界面可以设置所需肥料重量，点击“一键加肥”后按先加水再加肥顺序完成相应量肥料桶混；也可以点击各肥按钮手动添加相应肥料。肥料稀释界面可以设置需要稀释的桶混肥料重量、稀释加水的时间。点击“稀释自动”时，全自动泵注肥配施肥机先把桶混肥输送到稀释桶中，再添加预定时间的水进行稀释。在肥料搅拌界面中可以设置搅拌时间，点按搅拌自动时，全自动泵注肥配施肥机可以将稀释桶中的肥液从底部抽出并流向顶部，通过自循环实现搅拌功能。设置施肥界面施肥时间后，点按“一键施肥”即可将稀释桶中的肥液输送到灌溉主管中。

总工艺界面中点击定时画面可以设置施肥时间段，即启动灌水并到达预设时间时启动或关闭施肥。以上步骤也可在完成各界面参数设定，点按总工艺界面的程序启动，全自动配施肥机会按照称重、稀释、搅拌、施肥的步骤连续完成。

当运输吨桶液体水溶肥车辆到达后，可以将连接全自动配施肥机卸肥口的软管置于车上吨桶内，再点按相应贮肥桶卸肥阀门或卸肥自动阀门，即可将运输车上的肥料转移至贮肥桶中。

2 全自动泵注肥配施肥机设计参数与样机

2.1 灌溉施肥参数

施肥通道：≤5(通道可关闭，含补肥通道)；称重系统：0～1000kg；称重桶容积：500L(可拓展)；稀释桶容积：1000L(可拓展)；控制触发模式：支持时间逻辑、人机交互触发、内部程序触发等模式；施肥泵可选(默认)：功率0.75kW；最大扬程/吸程：45m/9.8m；最大流量3.7m3·h-1。

2.2 全自动泵注肥配施肥机整体结构

机身由不锈钢组成，全部采用防水设计，外型美观。称重桶容积为500L，带盖。稀释桶容积为1000L，带盖。

3 全自动泵注肥配施肥机推广鉴定评价

采用生产查定与用户调查相结合的方法进行。2018年6月20—28日，对样机进行生产查定，作业时间为18.05h，试验地点为中化(烟台)作物营养有限公司，试验内容为灌水施肥。试验结果表明，有效度为100%。共调查了潍坊市、烟台市、日照市、滨州市等4个地区10个用户，可靠性用户满意度为100%。生产查定期间和可靠性用户调查中，均未发生导致机具功能完全丧失、造成人身伤亡的致命故障；也未发生主要零部件或重要组成(如水泵中的泵壳、轴承座、轴等结构件、过滤装置、施肥装置等)的损坏，导致功能严重下降、难以正常作业的严重故障。该产品结构可靠、功能严谨符合设计要求。

适用性评价采用选点试验与用户调查相结合的方法进行。评价内容包括安装的密封性、系统流量、压力、灌溉施肥等作业性能，各项试验结果符合设计要求。随机抽取了潍坊市、烟台市、日照市、滨州市等4个地区10个用户进行了问卷式调查，内容包括产品的使用情况、适用性等，用户满意度为100%。

4 结论

全自动泵注肥配施肥机是一套高性价比的精确配施肥装置。能够根据测土配方结果、作物不同生长阶段营养需求，将高氮型、高磷型、高钾型单质或复合液体水溶肥等基础肥品种按一定比例混配，形成任意营养配比母液，满足现代农业种植园区所有作物任意阶段的营养需求；能够将营养母液定量或者定比例施入田间管网。所选用的基础肥既可以为大量元素清液型，也可以为含腐植酸或氨基酸液体水溶肥。

全自动泵注肥配施肥机是一个完全模块化的配施肥装置，具有二次稀释功能，适用于不同含量的液体肥。既有配肥，又有卸肥、施肥功能；既可以通过现场界面操作，也可通过手机、电脑App远程操控，通过远程控制，一人同时控制多台设备，提高劳动效率，更节省人工。