浅析水肥机肥料浓度的不同模式控制_姜利昭.pdf
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1、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(20
2、23)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
3、(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、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
5、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
6、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
7、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
8、/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)
9、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(A
10、C/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
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