CN107466572B

CN107466572B - 一种智能水肥一体机

Info

Publication number: CN107466572B
Application number: CN201710798845.3A
Authority: CN
Inventors: 辛世杰; 邹良磊; 曹世训; 种道忠; 孙书臣; 李辉; 王豹; 崔远永
Original assignee: Shandong Shenwo Agricultural Technology Co ltd
Current assignee: Shandong Shenwo Agricultural Technology Co ltd
Priority date: 2017-09-07
Filing date: 2017-09-07
Publication date: 2020-09-22
Anticipated expiration: 2037-09-07
Also published as: CN107466572A

Abstract

本发明公开了一种智能水肥一体机，包括配电柜、主水泵、若干注肥泵、若干进肥电磁阀、若干电磁流量计、若干肥料支管和一个肥料主管；肥料支管的下端分别通过注肥泵连接至吸肥口；吸肥口上均设有肥料过滤器；且吸肥口上分别设有进肥电磁阀；肥料支管上分别设有电磁流量计；肥料支管的另一端均连接至肥料主管；肥料主管的下端连接至肥水混合管路，肥水混合管路的右端设有进水口，肥水混合管路的左端连接至静态混合器，静态混合器的左端连接有出水口。该智能水肥一体机设计合理，结构紧凑，操作简单，灵敏度高，控制精度高，可以实现四种肥料同时精准加入，达到加肥量稳定，系统智能。

Description

一种智能水肥一体机

技术领域

本发明涉及智能设备技术领域，具体是一种智能水肥一体机。

背景技术

灌溉施肥是指将含有肥料的溶液，通过施肥装置注入到滴灌系统中，随着滴灌水一起对农作物进行施肥的一种先进施肥方式，它的优点是施肥均匀，定位准确、简便。灌溉施肥系统可以稳定而高精度的控制灌溉水量、施肥量、施肥时间和肥液灌溉浓度等参数，从而提高水肥的利用率，有效地减轻施肥对土壤和环境的污染。水溶性肥料的施用方法十分简便，它可以随着灌溉系统，包括喷灌、滴灌等方式进行灌溉时施肥，既节约了水，又节约了肥料，而且还节约了劳动力，这在劳动力成本日益高涨的今天使用水溶性肥料的效益是显而易见的。

在现有的施肥机中，普遍存在集成度低、操作繁琐、灵敏度低、控制精度不高的缺点。在EC、流量自动控制方面，有的采用文丘里配合高频电磁阀，这种控制方式的控制效果不够精确；有的采用变频器控制定量泵的转速达到控制肥料溶液流量的目的，采用这种控制方式，EC、流量控制也不是特别精确，并且定量泵的成本也比较高。因此，本发明提供一种智能水肥一体机。

本发明中的专业术语解释：

1）电磁流量计：根据导电流体通过外加磁场感生的电动势来测量流量的一种装置。

2）EC：溶液电导率。

3）PLC：可编程的逻辑控制器。

4）高频电磁阀：一种可以调节流量的电磁阀。

5）电涌保护器：一种用于线路过电压的保护装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种智能水肥一体机，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种智能水肥一体机，包括配电柜、主水泵、若干注肥泵、若干进肥电磁阀、若干电磁流量计、若干肥料支管和一个肥料主管；所述配电柜内部设有PLC控制器，配电柜上设有人机交互界面、急停按钮和水井启动开关，主水泵、注肥泵、进肥电磁阀、电磁流量计、人机交互界面和急停按钮均电性连接至PLC控制器；肥料支管的下端分别通过注肥泵连接至吸肥口；吸肥口上均设有肥料过滤器；且吸肥口上分别设有进肥电磁阀；肥料支管上分别设有电磁流量计；肥料支管的另一端均连接至肥料主管；肥料主管上设有排气阀；肥料主管的下端连接至肥水混合管路，肥水混合管路的右端设有进水口，进水口上设有手阀，肥水混合管路的左端连接至静态混合器，静态混合器的左端连接有出水口，出水口上设有压力传感器，所述肥水混合管路上设有主水泵；所述出水口上连接有取样管路，取样管路连接到测量管路，测量管路通过回流管路连接至肥水混合管路。EC传感器和pH传感器安装在测量管路上。

作为本发明进一步的方案：还包括安装于田间的二十个灌溉区域电磁阀，灌溉区域电磁阀均连接至PLC控制器，出水口与二十个灌溉区域管道连接，二十个灌溉区域电磁阀分别设于二十个灌溉区域管道上。

作为本发明进一步的方案：所述注肥泵设有四个，所述进肥电磁阀设有四个，所述电磁流量计设有四个，所述肥料支管设有四个，所述注肥泵分别为一号注肥泵、二号注肥泵、三号注肥泵和四号注肥泵；所述进肥电磁阀分别为一号进肥电磁阀、二号进肥电磁阀、三号进肥电磁阀和四号进肥电磁阀；所述电磁流量计分别为一号电磁流量计、二号电磁流量计、三号电磁流量计和四号电磁流量计。

作为本发明进一步的方案：包括一个支架，所述支架包括水平支架和立方体框架，配电柜固定安装在支架的水平支架后端，中部立方体框架后端与配电柜前端贴合连接；一号注肥泵、二号注肥泵、三号注肥泵和四号注肥泵依次排列安装在支架的水平支架中部。

作为本发明进一步的方案：所述肥料主管呈“7”字形结构，肥料主管设于支架的立方体框架中，肥料主管高度高于立方体框架高度，四个肥料支管顶部位于立方体框架上方。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

该智能水肥一体机设计合理，结构紧凑，操作简单，灵敏度高，控制精度高，可以实现四种肥料同时精准加入，达到加肥量稳定，系统智能，控制界面简洁，造型独特美观；该水肥一体机可以应用于所有的农业灌溉施肥领域尤其适用于滴灌；水肥一体机配合滴灌可以实现节水节肥、减少土壤板结及作物病虫害；还可以避免因过度灌溉肥液渗入地下造成的地下水污染。

附图说明

图1为智能水肥一体机的结构示意图之一。

图2为智能水肥一体机的结构示意图之二。

图3为智能水肥一体机的结构示意图之三。

其中：1-人机交互界面；2-急停按钮；3-一号注肥泵；4-二号注肥泵；5-三号注肥泵；6-四号注肥泵；7-一号进肥电磁阀；8-二号进肥电磁阀；9-三号进肥电磁阀；10-四号进肥电磁阀；11-肥料过滤器；12-进水口；13-出水口；14-吸肥口；15-静态混合器；16- EC传感器；17-压力传感器；18-pH传感器；19-肥料支管；20-支架；21-手阀；22-配电柜；23-肥水混合管路；24-一号电磁流量计；25-二号电磁流量计；26-三号电磁流量计；27-四号电磁流量计；28-水井启动开关；29-主水泵；30-排气阀；31-肥料主管；32-取样管路；33-测量管路；34-回流管路。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

请参阅图1-3，一种智能水肥一体机，包括配电柜22、主水泵29、四个注肥泵、四个进肥电磁阀、四个电磁流量计、四个肥料支管19、一个支架20和一个肥料主管31；所述配电柜22内部设有PLC控制器，配电柜22上设有人机交互界面1、急停按钮2和水井启动开关28，主水泵29、注肥泵、进肥电磁阀、电磁流量计、人机交互界面1、和急停按钮2均电性连接至PLC控制器；人机交互界面1为触摸屏，可选用市场主流西门子触摸屏，用于把发送给机器的各种命令及机器现在所处的状态、传感器测量值显示在触摸屏上，通过触摸屏可以实现完美的人机交互，把系统运行的状态显示在面前；急停按钮2用于出现紧急情况时，快速切断控制回路电源，从而停止机器的运行；水井启动开关28用于当不需要启动施肥机时，通过此开关直接启动水井，进行灌溉；所述注肥泵分别为一号注肥泵3、二号注肥泵4、三号注肥泵5和四号注肥泵6；所述进肥电磁阀分别为一号进肥电磁阀7、二号进肥电磁阀8、三号进肥电磁阀9和四号进肥电磁阀10；进肥电磁阀由PLC控制器进行控制，通过进肥电磁阀的打开和关闭控制肥料管路的通断；所述电磁流量计分别为一号电磁流量计24、二号电磁流量计25、三号电磁流量计26和四号电磁流量计27；

所述支架20包括水平支架和立方体框架，配电柜22通过螺钉固定方式固定安装在支架20的水平支架后端，中部立方体框架后端与配电柜22前端贴合连接；一号注肥泵3、二号注肥泵4、三号注肥泵5和四号注肥泵6依次排列安装在支架20的水平支架中部，肥料支管19的下端分别通过注肥泵连接至吸肥口14，四个肥料支管19的下端分别通过一号注肥泵3、二号注肥泵4、三号注肥泵5、四号注肥泵6连接至四个吸肥口14；吸肥口14为肥料溶液的入口，通过吸肥口14依次进入肥料过滤器11、进肥电磁阀、注肥泵，到达肥料主管31；吸肥口14上均设有肥料过滤器11，肥料过滤器11用于把肥料中的杂质过滤掉，防止管路堵塞，在应用中需经常检查清洗，保证其畅通；且四个吸肥口14上分别设有一号进肥电磁阀7、二号进肥电磁阀8、三号进肥电磁阀9和四号进肥电磁阀10；四个肥料支管19上分别设有一号电磁流量计24、二号电磁流量计25、三号电磁流量计26和四号电磁流量计27；四个肥料支管19的另一端均连接至肥料主管31，肥料主管31为所有肥料的流通通道；肥料主管31上设有排气阀30，排气阀30用于排出管路聚集的气体；肥料主管31呈7字形结构，肥料主管31设于支架20的立方体框架中，肥料主管31高度高于立方体框架高度，四个肥料支管19顶部位于立方体框架上方；肥料主管31的下端连通连接至肥水混合管路23，肥水混合管路23的右端设有进水口12，进水口12上设有手阀21，肥水混合管路23的左端连接至静态混合器15，静态混合器15通过内部的旋转结构把肥料和水充分混合，静态混合器15的左端连接有出水口13，出水口13为混好的肥料溶液的出口，出水口13上设有压力传感器17，所述肥水混合管路23上设有主水泵29，主水泵29完成主水源的加压及水肥搅拌混合的作用；还包括EC传感器16和pH传感器18；所述出水口13上连接有取样管路32，取样管路32连接到测量管路33，测量管路33通过回流管路34连接至肥水混合管路23；EC传感器16和pH传感器18安装在测量管路33上；EC传感器16、pH传感器18和压力传感器17均连接至PLC控制器；

优选的，还包括安装于田间的二十个灌溉区域电磁阀，灌溉区域电磁阀均连接至PLC控制器，出水口13与二十个灌溉区域管道连接，二十个灌溉区域电磁阀分别设于二十个灌溉区域管道上，在每一个灌溉区域，可以设定每一个区域的浇灌时间及所加注肥料的种类；所述灌溉区域电磁阀有打开、关闭两种状态，在通过人机界面选择某个打开时，电磁阀会得电打开，但是当系统主水泵为自动运行状态时它会关闭，然后根据设定的时间从1区至20区轮流浇灌；系统中共有四个肥料罐，每一个浇灌区域都可以自由选择浇灌哪几种肥料，当相应的灌溉区域电磁阀打开时，肥料溶液电磁阀、注肥泵（在自动状态时）也会打开，从而在水中注入肥料溶液；

所述主水泵29共分为手动、定时、自动三种控制方式；在选择手动功能时，可以自由选择浇灌的区域，启动系统进行灌溉；当选择定时功能时，可以输入十二次灌溉的开始及停止时间；当选择自动功能时，设于土壤的温湿度传感器检测土壤温湿度信息，并传递至PLC控制器，PLC控制器根据土壤温湿度的设定数值与测量数据进行比较，当满足灌溉条件时，PLC控制器控制自动进行灌溉；在各个控制功能下可以设定每个区域的灌溉持续时间，到达设定时间后自动切换到下一个区域浇灌；

所述注肥泵有手动、自动两种控制方式，当选择手动时，当点击其启动按钮时注肥泵启动，点击停止按钮时注肥泵停止；当选择自动时，注肥泵会根据主水泵29的启停进行工作，当主水泵29在运行状态，且相应的区域有肥料选择时，注肥泵会自动启动；为了使管道中残留的肥料结晶体充分溶解到水中，避免管路上的滴头堵塞，注肥泵会通过接通延时定时器实现启动时间比主水泵29晚的功能；系统在停止状态时管路系统中不宜有肥料，即管路中只有清水没有肥料溶液的，所以注肥泵的停止时间比主水泵早，注肥泵的停止时间是根据系统运行需要总时间减去一定的数值，来实现它的提前停止。

肥料的流量控制实施方法：系统对在人机界面的设定值与电磁流量计的测量值进行比较，当它们存在差值时，系统会通过PID控制调节注肥泵的转速，从而调节实际流量的大小，使测量值在设定值的附近。

进水口、出水口和主水管路相串联，进出水口和主管路的连接是直通式的，减少了弯头带来的系统压力损失。如果所用弯头的内径和弯头中心的曲率半径是1:1的，则每个弯头的阻力系数是0.52(光滑内壁为0.22），损失压力H=阻力系数*该弯头后流速的平方/g的2倍，总的压力损失等于弯头个数的倍数，一般情况下粗略计算的话，一个90度弯头损失一米的扬程，所以在水管路中减少弯头的数量可以减少压力损失，节约能源。

本设备有完善的保护措施：（1）对注肥泵进行低液位保护，当其相应的肥料罐液位低时安装于肥料罐的液位开关时，液位开关给PLC一个开关量信号，系统自动停止相应的注肥泵泵。（2）系统压力双重保护，当系统压力突然增高到达设定值时由电接点压力表断开电路停止水泵系统运行，安全阀打开卸去系统过高压力，保护各种管件的安全。真空破坏阀（图中未标出），当系统停止时，在管道中会形成真空，严重时会巨大的负压会造成管道吸瘪，安装真空破坏阀后可以防止此情况的发生。（3）电气设施的保护。每一种需要接地的电气元件都进行接地处理，接地电阻要求小于4欧姆，在接线时要避免在接地线路中形成环路，产生电磁干扰；完善的接地系统及电涌保护器，保证人身及设备的安全。（4）现场电磁阀DC24V供电，当出现线路破损等情况时确保人身安全。（5）电磁流量计为螺纹安装方式，竖直安装在管路上，防止横向安装聚集气体对流量测量值的影响保证其稳定性。

本发明的工作原理是：主水泵开启后，可以开启注肥泵，肥料溶液通过吸肥口进入过滤器、吸肥电磁阀、进入肥料泵，然后通过肥料支管，到达电磁流量计、肥料主管，通过肥水混合管路，到达主水泵，然后到达静态混合器，然后由EC传感器测量它的电导率、压力传感器测量系统压力，由PH传感器测量溶液的PH值；通过出水口后，进入田间分区的区域电磁阀。在设备管路的最上端装有组合式排气阀。在一般情况下，水中约含2VOL%的溶解空气，在输水过程中，这些空气由水中不断地释放出来，聚集在管线的高点处，形成空气袋使输水变得困难，系统的输水能力可因此下降约5-15%。排出系统产生的气体、可以提高管道路使用效率及降低能耗。本系统对多个指标进行测量控制，可以测量土壤温度、土壤湿度、肥料流量、系统压力、系统EC值、系统PH值等系统信号，并对相应参数进行控制；通过变频调速实现精确的流量、EC、PH控制。电磁流量计、EC传感器、压力传感器、PH传感器等把测量的数据反馈到PLC控制系统，PLC根据测量值与系统设定值的差值调节注肥泵的转速，使测量值稳定在设定值的附近。在流量测量方面选用高精度的电磁流量计，通过PID控制肥料泵电机变频器的输出频率，来达到稳定调节流量的目的。为了达到稳定、智能的控制效果，该智能型水肥一体机的核心控制部件选用西门子公司高性能的Step7 系列PLC，保证控制系统的稳定性。

该智能水肥一体机设计合理，结构紧凑，操作简单，灵敏度高，控制精度高，可以实现四种肥料同时精准加入，达到加肥量稳定，系统智能，控制界面简洁，造型独特美观；该水肥一体机可以应用于所有的农业灌溉施肥领域尤其适用于滴灌；水肥一体机配合滴灌可以实现节水节肥、减少土壤板结及作物病虫害；还可以避免因过度灌溉肥液渗入地下造成的地下水污染。电磁流量计、EC传感器、压力传感器、PH传感器等把测量的数据反馈到PLC控制系统，PLC根据测量值与系统设定值的差值调节注肥泵的转速，使测量值稳定在设定值的附近。

在本智能水肥一体机的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”及“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。

Claims

1.一种智能水肥一体机，其特征在于，包括配电柜(22)、主水泵(29)、若干注肥泵、若干进肥电磁阀、若干电磁流量计、若干肥料支管(19)和一个肥料主管(31)；所述配电柜(22)内部设有PLC控制器，配电柜(22)上设有人机交互界面(1)、急停按钮(2)和水井启动开关(28)，主水泵(29)、注肥泵、进肥电磁阀、电磁流量计、人机交互界面(1)和急停按钮(2)均电性连接至PLC控制器；肥料支管(19)的下端分别通过注肥泵连接至吸肥口(14)；吸肥口(14)上均设有肥料过滤器(11)；且吸肥口(14)上分别设有进肥电磁阀；肥料支管(19)上分别设有电磁流量计；肥料支管(19)的另一端均连接至肥料主管(31)；肥料主管(31)上设有排气阀(30)；肥料主管(31)的下端连接至肥水混合管路(23)，肥水混合管路(23)的右端设有进水口(12)，进水口(12)上设有手阀(21)，肥水混合管路(23)的左端连接至静态混合器(15)，静态混合器(15)的左端连接有出水口(13)，出水口(13)上设有压力传感器(17)，所述肥水混合管路(23)前端设有主水泵(29)；所述出水口(13)上连接有取样管路(32)，取样管路(32)连接到测量管路(33)，测量管路(33)通过回流管路(34)连接至肥水混合管路(23)， EC传感器(16)和pH传感器(18)安装在测量管路(33)上；

还包括安装于田间的二十个灌溉区域电磁阀，灌溉区域电磁阀均连接至PLC控制器，出水口(13)与二十个灌溉区域管道连接，二十个灌溉区域电磁阀分别设于二十个灌溉区域管道上；

所述注肥泵设有四个，所述进肥电磁阀设有四个，所述电磁流量计设有四个，所述肥料支管(19)设有四个，所述注肥泵分别为一号注肥泵(3)、二号注肥泵(4)、三号注肥泵(5)和四号注肥泵(6)；所述进肥电磁阀分别为一号进肥电磁阀(7)、二号进肥电磁阀(8)、三号进肥电磁阀(9)和四号进肥电磁阀(10)；所述电磁流量计分别为一号电磁流量计(24)、二号电磁流量计(25)、三号电磁流量计(26)和四号电磁流量计(27)；

还包括一个支架(20)，所述支架(20)包括水平支架和立方体框架，配电柜(22)固定安装在支架(20)的水平支架后端，中部立方体框架后端与配电柜(22)前端贴合连接；一号注肥泵(3)、二号注肥泵(4)、三号注肥泵(5)和四号注肥泵(6)依次排列安装在支架(20)的水平支架中部；

所述肥料主管(31)呈“7”字形结构，肥料主管(31)设于支架(20)的立方体框架中，肥料主管(31)高度高于立方体框架高度，四个肥料支管(19)顶部位于立方体框架上方。