CN104472094B - 具有双营养液浓度输出及使用计量泵定量控制的单相随水施肥系统 - Google Patents
具有双营养液浓度输出及使用计量泵定量控制的单相随水施肥系统 Download PDFInfo
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Abstract
具有双营养液浓度输出及使用施肥泵定量控制的单相随水施肥系统，该系统包括原水灌溉系统、施肥系统、灌溉控制系统。过滤器a与原水泵之间设置有截止阀a；原水泵与截止阀b相连；截止阀b与单向阀连接的管路上设置有过滤器b、压力表、涡轮流量计；1号药桶与1号计量泵相连，1号计量泵与1号背压阀相连,1号搅拌泵接在1号药桶上；2号药桶与2号计量泵相连，2号计量泵与2号背压阀相连，2号搅拌泵连接在2号药桶上；所述施肥系统经由1号计量泵、2号计量泵连接到灌溉控制系统的PLC灌溉控制柜。原水泵、1号计量泵、2号计量泵均为单相电机。包含PH值和EC值传感器的检测模块安装在靠近灌溉区域的主管路上。
Description
技术领域
本发明属于灌溉农业领域，特别涉及一种随水施肥系统及其施肥控制装置。
背景技术
伴随我国设施农业的飞速发展，进行设施农业栽培的面积也越来越大，传统施肥及灌溉方式既繁琐又不利于节约水资源，这给能同时进行灌溉和施肥的随水施肥系统带来了机会，同时也提出了更高的要求。随水施肥系统将灌溉和施肥结合在一起，对水源和肥料进行充分利用，达到节约资源的同时提高作物产量，节约劳动力，提高效率。
目前随水施肥滴灌系统自动化程度不高，尤其对于需要同时施几种不同肥料的情况没有很好的解决方法，且控制系统不完善，远远未达到设施农业所需的控制要求，很难达到灌溉施肥过程的高度自动化控制。
发明内容
本发明的目的是解决现有随水施肥系统中存在的一些问题，提供一种自动化程度高、可操作性高，能够实现人机交互的具有双营养液浓度输出以及使用计量泵定量控制的随水施肥系统。能够实现同时施2种肥料/营养液，且定时定量精准灌溉，同时为了安全起见，还具有多种报警功能，这样就保证了使用的安全性，且操作简单，易上手。因农村电单相电应用较为广泛，所以本发明为单相随水施肥系统。没有变频器，由PLC直接控制计量泵。
为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案为具有双营养液浓度输出及使用计量泵定量控制的单相随水施肥系统，该系统包括原水灌溉系统、施肥系统、灌溉控制系统。
所述原水灌溉系统包括过滤器a1、截止阀a2、原水泵3、截止阀b4、过滤器b5、压力表7、涡轮流量计8、单向阀9、减压阀6、电磁阀18。
施肥系统包括1号药桶10、1号计量泵11、1号背压阀12、1号搅拌泵19、2号计量泵14、2号药桶13、2号背压阀15、2号搅拌泵20。
灌溉控制系统包括PLC灌溉控制柜16、触摸屏17、检测模块22。
所述原水灌溉系统、施肥系统组成该随水施肥优化控制灌溉系统的实体结构，具体而言，过滤器a1与原水泵3之间设置有截止阀a2；原水泵3与截止阀b4相连；截止阀b4与单向阀9连接的管路上设置有过滤器b5、压力表7、涡轮流量计8；单向阀9后面是出水管路紧接着施肥系统，1号药桶10与1号计量泵11相连，1号计量泵11与1号背压阀12相连,1号搅拌泵19接在1号药桶上；2号药桶13与2号计量泵14相连，2号计量泵14与2号背压阀15相连，2号搅拌泵20连接在2号药桶13上；所述施肥系统经由1号计量泵11、2号计量泵14连接到灌溉控制系统的PLC灌溉控制柜16。
通过触摸屏17上的按键实现对PLC灌溉控制柜16上的灌溉开关量控制，检测模块22包括PH值和EC值传感器。原水泵3、1号计量泵11、2号计量泵14均为单相电机。
包含PH值和EC值传感器的检测模块22安装在靠近灌溉区域的主管路上，以便能够精确的检测肥水中的PH值和EC值。将实时检测值传送给PLC控制程序，根据程序内部设定的PH值和EC值的设定值与检测值之间的偏差来控制营养液的注入量，在较短的时间内肥水的PH值和EC值的检测值与控制器的设定值之间能够达到允许偏差范围。
原水灌溉系统、施肥系统混合后的水肥混合液流出出水管，经过电磁阀18进入到后面的灌溉区中，进而对农作物进行灌溉。所述在灌溉区内，每组滴灌带支路上装有一个电磁阀18，各个支路为并联结构。
灌溉控制方式分为人工手动控制和定时定量的自动控制。在灌溉区内，每组滴灌带支路上装有一个电磁阀18。
多组分营养液随水施肥系统操作简单，能够根据灌溉要求自如地对控制系统进行设定，灌溉时间和营养液浓度等；可以同时添加几种营养液，然后通过PLC灌溉控制柜控制计量泵的营养液加注量，以实现营养液浓度精确控制的功能；能够实现自动定时定量完成灌溉，最多能够实现十二个计划，能够自由组合需要使用的计划组数；能够同时控制12组电磁阀，且对每个电磁阀都能够单独进灌溉时间和施肥比例的设定；系统具有水流开关报警和过流报警的功能；能够实现本次运行的历史数据查询。
附图说明
图1为具有双营养液浓度输出及使用计量泵定量控制的单相随水施肥系统水路图。
图2为控制系统功能模块划分图。
图3为系统主流程图。
图4为搅拌泵系统流程图
图5营养液配比控制方案
图中：1、过滤器a，2、截止阀a，3、原水泵，4、截止阀b，5、过滤器b，6、减压阀，7、压力表，8、涡轮流量计，9、单向阀，10、1号药桶，11、1号计量泵，12、1号背压阀，13、2号药桶，14、2号计量泵，15、2号背压阀，16、PLC灌溉控制柜，17、触摸屏，18、电磁阀，19、1号搅拌泵，20、2号搅拌泵，22、检测模块。
具体实施方式
如图1-4所示，具有双营养液浓度输出及使用计量泵定量控制的单相随水施肥系统，该系统包括原水灌溉系统、施肥系统、灌溉控制系统。
所述原水灌溉系统包括过滤器a1、截止阀a2、原水泵3、截止阀b4、过滤器b5、压力表7、涡轮流量计8、单向阀9、减压阀6、电磁阀18。
施肥系统包括1号药桶10、1号计量泵11、1号背压阀12、1号搅拌泵19、2号计量泵14、2号药桶13、2号背压阀15、2号搅拌泵20。
灌溉控制系统包括PLC灌溉控制柜16、触摸屏17、检测模块22。
所述原水灌溉系统、施肥系统组成该随水施肥优化控制灌溉系统的实体结构，具体而言，过滤器a1与原水泵3之间设置有截止阀a2；原水泵3与截止阀b4相连；截止阀b4与单向阀9连接的管路上设置有过滤器b5、压力表7、涡轮流量计8；单向阀9后面是出水管路紧接着施肥系统，1号药桶10与1号计量泵11相连，1号计量泵11与1号背压阀12相连,1号搅拌泵19接在1号药桶上；2号药桶13与2号计量泵14相连，2号计量泵14与2号背压阀15相连，2号搅拌泵20连接在2号药桶13上；所述施肥系统经由1号计量泵11、2号计量泵14连接到灌溉控制系统的PLC灌溉控制柜16。
通过触摸屏17上的按键实现对PLC灌溉控制柜16上的灌溉开关量控制，检测模块22包括PH值和EC值传感器。原水泵3、1号计量泵11、2号计量泵14均为单相电机。
包含PH值和EC值传感器的检测模块22安装在靠近灌溉区域的主管路上，以便能够精确的检测肥水中的PH值和EC值。将实时检测值传送给PLC控制程序，根据程序内部设定的PH值和EC值的设定值与检测值之间的偏差来控制营养液的注入量，在较短的时间内肥水的PH值和EC值的检测值与控制器的设定值之间能够达到允许偏差范围。
灌溉控制方式分为人工手动控制和定时定量的自动控制。在灌溉区内，每组滴灌带支路上装有一个电磁阀18。通过编程可以实现自动控制时，当某种农作物达到需要灌溉的时间时，则准时打开控制该组支路上的电磁阀。原水泵上电启动，向主管路内注水灌溉。同时通过涡轮流量计8检测主管路内原水的瞬时流量，这样就可以根据灌溉时间，计算出灌溉所用的原水量。PLC可以依据农作生长所需的营养液浓度和原水的注入量，计算出营养液的注入量，通过控制计量泵向主管路内注入营养液，这样就实现了对农作物的随水施肥的自动控制。灌溉时既可以每个电磁阀18依次灌溉，也可以将电磁阀18全部打开同时灌溉。无论采用哪种灌溉方式，只要灌溉结束时，先关闭原水泵3，再关闭电磁阀18。
灌溉控制系统PLC灌溉控制柜16选用西门子S1200系列控制柜，触摸屏17选用威纶(MT8100)系列。
PLC灌溉控制柜16控制计量泵，通过PLC灌溉控制柜16可以实现：1、控制灌溉时间；2、混合搅拌两种营养液；3、实现自动定时定量完成灌溉，最多能够实现12个计划，能够自由组合需要使用的计划组数；4、能够同时控制12组电磁阀，且对每个电磁阀都能够单独进灌溉时间和施肥比例的设定；5、系统具有水流开关报警和过流报警的功能；6、能够实现本次运行的历史数据查询。
人机交互部分主要是实现人与系统间的沟通，一般产品中会采用计算机或者触摸屏两种方式来实现。
触摸屏方式实现：首先在触摸屏配套的组态软件中完成组态画面的编写，将其与PLC程序中的变量进行对应，将编好的组态画面下载到触摸屏中，从而完成组态程序的编写。用户可以通过触摸屏上的输入来对系统进行控制，也可以根据触摸屏上的数值和指示灯的显示来监测设备的状态。为了画面的多样性以及成本价格的考虑，初步选定为威伦触摸屏。
计算机方式实现：由于PLC预留了以太网通讯端口，因此可以通过网络与计算机连接，操作和管理人员可以通过计算机实现对设备的监控。
系统能够实现最多运行12组计划。其中计划中能够设定计划开始的时间以及持续的时间，能够选定需要加入的营养液需要控制的计量泵编号以及需要开启的电磁阀编号。并且能够对每个电磁阀和计量泵进行单独设置。
搅拌泵部分的主要作用是搅拌肥水混合液，使其更加均匀。因此需要根据实际情况，进行手动开启。当需要进行搅拌时，手动开启，搅拌泵将在运行1小时后自动停止，如果运行期间有特殊情况或者已经满足需要，可以随时手动制动。定时控制：搅拌泵从启动开始运行1小时后自动停止，此部分需要用到系统中的定时器来实现。手动控制：如果中途需要停止，则有相应的开关断开，使得搅拌泵停止。如图4所示。
相序报警：相序报警部分是采用相序保护器，正常情况下，保护器接常闭触电，处于导通状态，当相序出错后，相序保护器自动接到常开触电，处于断开状态，这时PLC就能检测到此变化，从而产生相序报警；
原水泵过流报警：原水泵过流报警主要依靠热继电器来实现，当电流过大时，就会产生较大的热量，当热量达到一定程度时，继电器断开，从而产生了过流报警，也对原水泵进行了保护。
原水泵水流开关报警：在系统内部，会对原水泵的瞬时流量进行一个初步测量，如果瞬时流量的脉冲数在3-5s内低于一定的值，则认为原水泵没有水流，就会产生水流报警。
实施例
水源进入原水灌溉系统中首先经由过滤器a1进行初步过滤，通过截止阀a2进入原水泵3，再通过截止阀b4经过过滤器b5的进一步过滤，减压阀6使出口压力保持稳定的范围，由压力表7对管道水压进行测量；水流经压力表后进入到涡轮流量计8，以实现精准水肥浓度配比及定量灌溉，流量计后需要接入单向阀9，以保证水流方向，防止回流；营养液A经1号搅拌泵19搅拌后，由1号计量泵11从1号药桶10中取出相应量的营养液A，然后通过1号背压阀12进入到主水路管道中，以保持出水口处的压力一定，防止回流；如果需要同时灌溉两种营养液，可以通过2号计量泵14从2号药桶13中取出经过2号搅拌泵20搅拌好的营养液B，通过2号背压阀15进入到主水路管道中。混合后的水肥混合液流出出水管，经过电磁阀18进入到后面的灌溉区中，进而对农作物进行灌溉。营养液配比的调节主要依靠计量泵，每个计量泵通过一个PLC灌溉控制柜来调节转速，根据每种营养液所需浓度的不同，都会设置不同的频率上下限值，以防浓度过大或者过小。
原水管道通过过滤器和截止阀，由原水泵将水从水源处送入施肥系统；田间水路部分由电磁阀18和滴灌带组成，主要为出水部分，通过施肥系统控制电磁阀实现精准灌溉。
控制系统为PLC控制，能够同步北京时间适时启动12组计划。根据控制对象的不同，控制系统可以分成控制计量泵、搅拌泵、原水泵和电磁阀四个部分。通过控制搅拌泵，可以实现手动启动，也可以在需要时自动启动，最多运行一个小时；通过控制原水泵，可以实现手动切换备用原水泵，实时显示瞬时、累计流量，水流开关报警功能；通过控制电磁阀，可以同时对12组电磁阀进行控制，显示累计流量值，显示历史数据表，同时具有过流报警功能。
营养液配比功能主要是根据用户的设定，按照一定比例，自动进行水肥的配比，以便作物更好地成长。实际中，不同作物的营养液浓度会有不同的范围，在系统中会有一个页面，能够将用户的设定浓度输入到系统中；此外，系统支持选择多种营养液，且对每种的浓度进行分别的设定，具体实现方案如图5所示。
Claims (7)
1.具有双营养液浓度输出及使用计量泵定量控制的单相随水施肥系统，其特征在于：该系统包括原水灌溉系统、施肥系统、灌溉控制系统；
所述原水灌溉系统包括过滤器a(1)、截止阀a(2)、原水泵(3)、截止阀b(4)、过滤器b(5)、压力表(7)、涡轮流量计(8)、单向阀(9)、减压阀(6)、电磁阀(18)；
施肥系统包括1号药桶(10)、1号计量泵(11)、1号背压阀(12)、1号搅拌泵(19)、2号计量泵(14)、2号药桶(13)、2号背压阀(15)、2号搅拌泵(20)；
灌溉控制系统包括PLC灌溉控制柜(16)、触摸屏(17)、检测模块(22)；
所述原水灌溉系统、施肥系统组成该随水施肥优化控制灌溉系统的实体结构，具体而言，过滤器a(1)与原水泵(3)之间设置有截止阀a(2)；原水泵(3)与截止阀b(4)相连；截止阀b(4)与单向阀(9)连接的管路上设置有过滤器b(5)、压力表(7)、涡轮流量计(8)；单向阀(9)后面是出水管路紧接着施肥系统，(1)号药桶(10)与1号计量泵(11)相连，1号计量泵(11)与1号背压阀(12)相连,1号搅拌泵(19)接在1号药桶上；2号药桶(13)与2号计量泵(14)相连，2号计量泵(14)与2号背压阀(15)相连，2号搅拌泵(20)连接在2号药桶(13)上；所述施肥系统经由1号计量泵(11)、2号计量泵(14)连接到灌溉控制系统的PLC灌溉控制柜(16)；
通过触摸屏(17)上的按键实现对PLC灌溉控制柜(16)上的灌溉开关量控制，检测模块(22)包括PH值和EC值传感器；原水泵(3)、1号计量泵(11)、2号计量泵(14)均为单相电机；
包含PH值和EC值传感器的检测模块(22)安装在靠近灌溉区域的主管路上；
原水灌溉系统、施肥系统混合后的水肥混合液流出出水管，经过电磁阀(18)进入到后面的灌溉区中，进而对农作物进行灌溉；所述在灌溉区内，每组滴灌带支路上装有一个电磁阀(18)，各个支路为并联结构。
2.根据权利要求1所述的具有双营养液浓度输出及使用计量泵定量控制的单相随水施肥系统，其特征在于：通过编程能够实现自动控制，当某种农作物达到需要灌溉的时间时，则准时打开控制该组支路上的电磁阀；原水泵上电启动，向主管路内注水灌溉；同时通过涡轮流量计(8)检测主管路内原水的瞬时流量，这样就能够根据灌溉时间，计算出灌溉所用的原水量；PLC能够依据农作生长所需的营养液浓度和原水的注入量，计算出营养液的注入量，通过控制计量泵向主管路内注入营养液，这样就实现了对农作物的随水施肥的自动控制；灌溉时既能够每个电磁阀(18)依次灌溉，也能够将电磁阀(18)全部打开同时灌溉；无论采用哪种灌溉方式，只要灌溉结束时，先关闭原水泵(3)，再关闭电磁阀(18)。
3.根据权利要求1所述的具有双营养液浓度输出及使用计量泵定量控制的单相随水施肥系统，其特征在于：灌溉控制系统PLC灌溉控制柜(16)选用西门子S1200系列控制柜，触摸屏(17)选用威纶MT8100系列。
4.根据权利要求1所述的具有双营养液浓度输出及使用计量泵定量控制的单相随水施肥系统，其特征在于：搅拌泵的作用是搅拌肥水混合液，使其更加均匀；因此需要根据实际情况，进行手动开启；当需要进行搅拌时，手动开启，搅拌泵将在运行1小时后自动停止，如果运行期间有特殊情况或者已经满足需要，能够随时手动制动；定时控制：搅拌泵从启动开始运行1小时后自动停止，此部分需要用到系统中的定时器来实现；手动控制：如果中途需要停止，则有相应的开关断开，使得搅拌泵停止；
原水泵过流报警：原水泵过流报警主要依靠热继电器来实现，当电流过大时，就会产生较大的热量，当热量达到一定程度时，继电器断开，从而产生了过流报警，也对原水泵进行了保护；
原水泵水流开关报警：在系统内部，会对原水泵的瞬时流量进行一个初步测量，如果瞬时流量的脉冲数在3-5s内低于一定的值，则认为原水泵没有水流，就会产生水流报警。
5.根据权利要求1所述的具有双营养液浓度输出及使用计量泵定量控制的单相随水施肥系统，其特征在于：水源进入原水灌溉系统中首先经由过滤器a(1)进行初步过滤，通过截止阀a(2)进入原水泵(3)，再通过截止阀b(4)经过过滤器b(5)的进一步过滤，减压阀(6)使出口压力保持稳定的范围，由压力表(7)对管道水压进行测量；水流经压力表后进入到涡轮流量计(8)，以实现精准水肥浓度配比及定量灌溉，流量计后需要接入单向阀(9)，以保证水流方向，防止回流；营养液A经(1)号搅拌泵(19)搅拌后，由1号计量泵(11)从1号药桶(10)中取出相应量的营养液A，然后通过1号背压阀(12)进入到主水路管道中，以保持出水口处的压力一定，防止回流；如果需要同时灌溉两种营养液，能够通过2号计量泵(14)从2号药桶(13)中取出经过2号搅拌泵(20)搅拌好的营养液B，通过2号背压阀(15)进入到主水路管道中；混合后的水肥混合液流出出水管，经过电磁阀(18)进入到后面的灌溉区中，进而对农作物进行灌溉；营养液配比的调节主要依靠计量泵，每个计量泵通过一个PLC灌溉控制柜来调节转速，根据每种营养液所需浓度的不同，都会设置不同的频率上下限值。
6.根据权利要求1所述的具有双营养液浓度输出及使用计量泵定量控制的单相随水施肥系统，其特征在于：原水管道通过过滤器和截止阀，由原水泵将水从水源处送入施肥系统；田间水路部分由电磁阀(18)和滴灌带组成，主要为出水部分，通过施肥系统控制电磁阀实现精准灌溉。
7.根据权利要求1所述的具有双营养液浓度输出及使用计量泵定量控制的单相随水施肥系统，其特征在于：控制系统为PLC控制，能够同步北京时间适时启动12组计划；根据控制对象的不同，控制系统能够分成控制计量泵、搅拌泵、原水泵和电磁阀四个部分；通过控制搅拌泵，能够实现手动启动，也能够在需要时自动启动，最多运行一个小时；通过控制原水泵，能够实现手动切换备用原水泵，实时显示瞬时、累计流量，水流开关报警功能；通过控制电磁阀，能够同时对12组电磁阀进行控制，显示累计流量值，显示历史数据表，同时具有过流报警功能。
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