張東濱，鐘林憶,3，譚康偉，劉曉初

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510630；2.廣州市健坤網(wǎng)絡(luò)科技發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510630；3.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630；4.廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

0 引言

無(wú)土栽培是相對(duì)于傳統(tǒng)土壤種植的另一種栽培模式，早在上個(gè)世紀(jì)，荷蘭、日本、美國(guó)等國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始了無(wú)土栽培整套系統(tǒng)的研究和應(yīng)用[1]，在營(yíng)養(yǎng)液供給穩(wěn)定性方面，荷蘭Priva、Hortimax 等品牌的水肥一體機(jī)表現(xiàn)優(yōu)異，在我國(guó)高端智能生產(chǎn)溫室大棚中占據(jù)不少的份額[2]。我國(guó)的水肥一體機(jī)研究起步較晚，但發(fā)展迅速。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)水肥一體機(jī)的廠家與日俱增，開(kāi)發(fā)方式也各式各樣，有采用PLC 作為控制器的[3]，也有采用單片機(jī)作為控制器的[4]；有采用文丘里作為吸肥動(dòng)力的[5]，也有采用蠕動(dòng)泵作為吸肥動(dòng)力的[6]。

與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的水肥機(jī)質(zhì)量也良莠不齊，特別是在配肥過(guò)程中對(duì)EC 值的穩(wěn)定性控制方面表現(xiàn)較差[7]，在面對(duì)無(wú)土栽培、水培或者科研實(shí)驗(yàn)等對(duì)EC 值穩(wěn)定性要求嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)景，大部分國(guó)產(chǎn)水肥一體機(jī)無(wú)法滿足要求。袁洪波等[8]人設(shè)計(jì)與試驗(yàn)了溫室水肥一體化營(yíng)養(yǎng)液調(diào)控裝備，采用增量式PID算法和改進(jìn)Smith 預(yù)估器對(duì)營(yíng)養(yǎng)液的制備過(guò)程進(jìn)行控制，雖然一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)營(yíng)養(yǎng)液的精確調(diào)控，但未能深入研究分析影響水肥一體機(jī)EC 值穩(wěn)定性的因素。

本文設(shè)計(jì)了在線式水肥一體機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)分析，研究影響EC 值穩(wěn)定性的因素，并通過(guò)系統(tǒng)改進(jìn)實(shí)現(xiàn)EC 值的穩(wěn)定，該設(shè)備樣機(jī)目前應(yīng)用于廣東省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心。

1 在線式水肥一體機(jī)系統(tǒng)工作原理

本文設(shè)計(jì)的在線式水肥一體機(jī)系統(tǒng)工作原理如圖1 所示[9-12]，主要采用文丘里吸肥、混合水箱配肥的營(yíng)養(yǎng)液配置方式，水泵6 啟動(dòng)后，混合水箱3內(nèi)液位下降，清水通過(guò)水力浮球閥1 進(jìn)入混合水箱，水箱中的營(yíng)養(yǎng)液由水泵6 抽出后，大部分從水肥機(jī)出水口7 直接進(jìn)入灌溉系統(tǒng)，其余的營(yíng)養(yǎng)液通過(guò)EC/pH 傳感器監(jiān)測(cè)回路和文丘里吸肥器重新回到混合水箱內(nèi)，同時(shí)，水流在經(jīng)過(guò)文丘里吸肥器13 收縮口處時(shí)流速加快，根據(jù)伯努利原理，收縮口處產(chǎn)生負(fù)壓，把部分母液從母液桶10 中一起吸入混合水箱3，實(shí)現(xiàn)配肥，母液帶入的量由通道上的直通閥12 通過(guò)工控機(jī)8 利用PWM 脈沖寬度調(diào)制技術(shù)結(jié)合EC、pH 傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)控制。在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，水泵是一直工作的，營(yíng)養(yǎng)液的配置和灌溉是同時(shí)進(jìn)行的。

圖1 在線式水肥一體機(jī)系統(tǒng)工作原理

2 在線式水肥一體機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主要配件選型

設(shè)計(jì)水肥一體機(jī)混合水箱容積110 L，5 個(gè)吸肥通道，每個(gè)通道采用文丘里吸肥器吸肥，最大吸肥量500 L/H，每種作物采用“A 肥+B 肥+酸”的配方模式來(lái)配置營(yíng)養(yǎng)液；混合水箱采用下液位開(kāi)關(guān)和上液位浮球自動(dòng)控制桶內(nèi)液位；EC/pH 傳感器采用4～20 mA 信號(hào)傳輸，安裝于系統(tǒng)回路，用于監(jiān)測(cè)營(yíng)養(yǎng)液水質(zhì)，雙EC/pH 確保系統(tǒng)傳感器的準(zhǔn)確性；采用AC24V 高頻脈沖直通閥控制每個(gè)調(diào)配過(guò)程母液的吸入量；采用RK3288 開(kāi)發(fā)板作為水肥機(jī)控制器。

2.2 管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于在線式水肥一體機(jī)的工作原理決定了水肥的混合過(guò)程發(fā)生在水肥機(jī)的混合水箱內(nèi)，在重力和水泵吸力的影響下，水肥在進(jìn)入混合水箱交匯形成混合液后，自上而下相互融合流動(dòng)，最終經(jīng)水箱出水口處的水泵抽出。在這個(gè)過(guò)程中，無(wú)法確定桶內(nèi)何處是已經(jīng)混合均勻的營(yíng)養(yǎng)液，如果EC/pH 傳感器直接安裝于桶內(nèi)，容易受紊態(tài)水流和水中氣泡影響，造成EC 值數(shù)值隨機(jī)波動(dòng)。所以把EC/pH 傳感器安裝在水泵下游的回水管路上，并在水泵出水管路上安裝了排氣閥，排出管道中殘留的氣泡。同時(shí)在水泵出口處安裝壓力表以及持壓閥，用于保證水肥機(jī)上的文丘里吸肥器工作時(shí)有足夠的壓力。

2.3 配肥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在上文的管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，EC/pH 的安裝位置決定了水肥機(jī)在驅(qū)動(dòng)直通閥配肥后，配置的結(jié)果在被EC/pH 檢測(cè)到時(shí)并不是實(shí)時(shí)的，而是有一段滯后時(shí)間T，即EC/pH 檢測(cè)到的當(dāng)前水肥營(yíng)養(yǎng)液，實(shí)際上是T 時(shí)長(zhǎng)前水肥機(jī)驅(qū)動(dòng)直通閥流入桶內(nèi)的水肥。T 的大小和灌溉系統(tǒng)出水量以及水肥一體機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有關(guān)，不同水肥機(jī)以及相同水肥機(jī)在不同的灌溉系統(tǒng)中，表現(xiàn)出的滯后時(shí)間也不盡相同，通常在7～20 s。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，本文在水肥一體機(jī)的配肥控制系統(tǒng)上引入了位置式PID 算法，見(jiàn)式（1）

式中：

e（t）——EC 值設(shè)定值和當(dāng)前值的偏差；

u0——傳入的PWM 脈沖時(shí)間；

u（t）——最終輸出的脈沖時(shí)間。

由于水肥系統(tǒng)主要問(wèn)題在于滯后性，所以重點(diǎn)采用比例P 和微分D 進(jìn)行控制，P 用于調(diào)整步長(zhǎng)，D是偏差值的斜率，即偏差的變化速度，通過(guò)檢測(cè)偏差的變化速度，對(duì)系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)滯后做出反應(yīng)，同時(shí)在系統(tǒng)微幅震動(dòng)時(shí)加入積分抑制震動(dòng)，配肥邏輯見(jiàn)圖2。

圖2 PID 控制配肥邏輯圖

2.4 在線式水肥一體機(jī)裝配集成

根據(jù)主要配件選型、管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)、配肥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，裝配集成在線式水肥一體機(jī)。裝配集成后的在線式水肥一體機(jī)系統(tǒng)外觀如圖3 所示。

圖3 在線式水肥一體機(jī)系統(tǒng)

3 EC值穩(wěn)定性測(cè)試與分析

在線式水肥一體機(jī)裝配集成后的初次測(cè)試中，通過(guò)PID 整定，設(shè)置了PID 參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了良好的配肥效果，以閥門“東北區(qū)#6”所控制區(qū)域?yàn)槔?022 年4 月11 日總計(jì)進(jìn)行了10 次灌溉，EC 設(shè)定值為1.4 mS/cm，實(shí)測(cè)的平均EC 值為1.351 mS/cm，設(shè)定值和實(shí)測(cè)均值的偏差為0.05 mS/cm。具體每次灌溉時(shí)的EC 情況見(jiàn)表1。

表1 東北區(qū)#6 2022年4月11日EC統(tǒng)計(jì)表

但隨著系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行，在2022 年4 月25 日之后一個(gè)月的試運(yùn)行階段卻發(fā)現(xiàn)了EC 值異常頻繁的數(shù)據(jù)波動(dòng)，數(shù)據(jù)的異常波動(dòng)導(dǎo)致了PID 控制器由于讀取到異常數(shù)據(jù)而做出錯(cuò)誤的控制指令，進(jìn)而導(dǎo)致水肥機(jī)配肥穩(wěn)定性下降。由于在PID 算法的控制下，營(yíng)養(yǎng)液的EC 值不可能出現(xiàn)瞬間的上下波動(dòng)并瞬間復(fù)位的現(xiàn)象，故此現(xiàn)象屬于非正?，F(xiàn)象。為了分析此現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，調(diào)取2022 年4月25 日至5 月24 日一個(gè)月內(nèi)水肥機(jī)每個(gè)閥門工作時(shí)的水肥統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，獲取閥門每次灌溉時(shí)的EC值變化范圍，利用數(shù)據(jù)透視表對(duì)EC 最大值和最小值做篩選，統(tǒng)計(jì)灌溉時(shí)的EC 值數(shù)據(jù)跳動(dòng)情況。在本次測(cè)試中，由于EC 設(shè)定值不超過(guò)2.5 mS/cm，在正常的PID 控制下EC 最大值不超過(guò)5 mS/cm，故在穩(wěn)定狀態(tài)下，當(dāng)EC 值超過(guò)5 mS/cm，或者突然低于300 mS/cm 時(shí)，均視為異常跳動(dòng)，但由于清水本身的EC 值也接近300 mS/cm，故低于300 mS/cm的異常跳動(dòng)在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中很難被剔除。通過(guò)統(tǒng)計(jì)每次灌溉過(guò)程中監(jiān)測(cè)到的最大EC 值，發(fā)現(xiàn)在1 102 次灌溉 中，EC 值超過(guò)5 mS/cm 的概率 為31.76%，即跳動(dòng)率為31.76%，實(shí)際上如果考慮EC 值往低處的跳動(dòng)，跳動(dòng)率應(yīng)該大于31.76%，如表2 所示。

表2 各閥區(qū)最大EC值超過(guò)5 mS/cm的灌溉次數(shù)占比

為了進(jìn)一步研究數(shù)據(jù)跳動(dòng)發(fā)生的原因，分析了2022 年4 月25 日至2022 年5 月24 日這段時(shí)間內(nèi)，每天的數(shù)據(jù)跳動(dòng)情況，如圖4 所示。

圖4 每日最大EC 值超過(guò)5 mS/cm 的灌溉次數(shù)占比

從圖4 可以發(fā)現(xiàn)EC 值異常跳動(dòng)問(wèn)題在4 月底5月初顯得異常明顯，通過(guò)后臺(tái)警報(bào)數(shù)據(jù)（圖5）以及調(diào)研得知，園區(qū)在此期間增加了生產(chǎn)活動(dòng)導(dǎo)致用水需求變化，影響了水肥機(jī)的補(bǔ)水量，導(dǎo)致水肥機(jī)在此期間經(jīng)常處于低液位狀態(tài)，在補(bǔ)水過(guò)程中產(chǎn)生大量空氣，還觸發(fā)過(guò)液位報(bào)警。

圖5 后臺(tái)警報(bào)數(shù)據(jù)

為了解決水肥機(jī)混合水箱在低液位情況下水中產(chǎn)生的氣泡問(wèn)題，改進(jìn)了水肥機(jī)的進(jìn)水口、進(jìn)肥口以及出水口的設(shè)計(jì)。在原先的設(shè)計(jì)中，清水和母液在進(jìn)入混合水箱時(shí)，是從上往下直接沖擊液面的，這增加了混合效果，但也制造了大量的氣泡，在水箱由于補(bǔ)水速度慢導(dǎo)致液位較低的情況下，沖擊液面產(chǎn)生的氣泡容易被水泵吸入，造成傳感器數(shù)據(jù)跳動(dòng)。修改后的設(shè)計(jì)在進(jìn)水管和進(jìn)肥管進(jìn)入混合水箱后增加兩個(gè)90°彎頭，平滑了水肥進(jìn)入混合水箱的過(guò)程，同時(shí)在出水口的設(shè)計(jì)中，增加了一個(gè)段引水管和一個(gè)出口朝下的45°彎頭，這意味著降低了出水口的位置，減少吸入氣泡的可能。

在對(duì)水肥一體機(jī)的混合水箱進(jìn)行改造后，對(duì)水肥一體機(jī)生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中的配肥情況做了監(jiān)測(cè)，每天的數(shù)據(jù)跳動(dòng)情況如表3 和圖6 所示（由于當(dāng)時(shí)南區(qū)停止種植，所以南區(qū)沒(méi)有灌溉施肥數(shù)據(jù)）。

表3 各閥區(qū)最大EC值超過(guò)5 mS/cm的灌溉次數(shù)占比

圖6 每日最大EC 值超過(guò)5 mS/cm 的灌溉次數(shù)占比

從表3 和圖6 的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，改造后的系統(tǒng)灌溉178 次，EC 值超過(guò)5 mS/cm 的概率為5.32%，即跳動(dòng)率為5.32%，遠(yuǎn)小于原先的31.76%，EC 值數(shù)據(jù)跳動(dòng)情況明顯減少，但無(wú)法消除，原因是外部園區(qū)用水導(dǎo)致的補(bǔ)水水壓不穩(wěn)定問(wèn)題依然存在，但因氣泡導(dǎo)致EC 值數(shù)據(jù)跳動(dòng)的問(wèn)題已經(jīng)得到有效控制。最后統(tǒng)計(jì)了這段時(shí)間內(nèi)的EC 均值以及設(shè)定值并進(jìn)行對(duì)比，如表4 所示。

表4 EC均值和EC設(shè)定值各偏差范圍的灌溉次數(shù)占比

在篩除了部分剛啟動(dòng)就缺水的情況以及沒(méi)有添加配方的情況后，得出EC 均值和設(shè)定值差在0.1 mS/cm以內(nèi)的次數(shù)占比為87.64%，介于0.1～0.2 mS/cm 之間的次數(shù)占比為8.99%，介于0.2～0.3 mS/cm 之間的次數(shù)占比為3.37%。其中北區(qū)均值和設(shè)定值差在0.1 mS/cm 以內(nèi)的次數(shù)占比為100%，中區(qū)為74.42%，由表3 可知中區(qū)在灌溉時(shí)EC 跳動(dòng)率為8.51%，高于北區(qū)2.13%，相對(duì)于北區(qū)出現(xiàn)了更多次由水壓不穩(wěn)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)跳動(dòng)，這也導(dǎo)致了中區(qū)的均值偏差相比北區(qū)更大一些。

4 影響EC值穩(wěn)定性的因素總結(jié)

從以上的試驗(yàn)和分析表明，水肥一體機(jī)EC 值穩(wěn)定性和以下幾個(gè)因素有關(guān)。

1）PID 算法及參數(shù)整定。由于傳感器數(shù)據(jù)的滯后性，如果僅采用條件控制，在讀取到滯后的數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)將做出錯(cuò)誤的調(diào)整，導(dǎo)致EC 值最終處于上下波動(dòng)狀態(tài)。

2）水肥機(jī)管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。管路系統(tǒng)影響水肥混合效果，同時(shí)影響混合箱內(nèi)混合過(guò)程中氣泡的產(chǎn)生數(shù)量，以及最終被吸入水泵的氣泡數(shù)量，在混合的過(guò)程，應(yīng)盡量在混合箱上層產(chǎn)生紊流以增加混合效果，可通過(guò)隔檔物、進(jìn)水進(jìn)肥口設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，但同時(shí)需要減少混合過(guò)程產(chǎn)生的氣泡，保證混合箱下層的流態(tài)穩(wěn)定性。

3）水肥機(jī)上游水源的穩(wěn)定性。不穩(wěn)定的水源會(huì)導(dǎo)致補(bǔ)水量的隨機(jī)變化，增加PID 調(diào)節(jié)的難度，同時(shí)導(dǎo)致混合箱內(nèi)液面的高低變化，過(guò)低的液位會(huì)導(dǎo)致水箱上下層界限不分明，使得水泵吸入更多的氣泡，影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款在線式水肥一體機(jī)，并對(duì)其EC值穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試和分析，找到了影響EC 值穩(wěn)定性的3 個(gè)因素：PID 算法、管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)和供水水源的水壓穩(wěn)定性，并通過(guò)改進(jìn)實(shí)現(xiàn)在線式水肥一體機(jī)EC 值的穩(wěn)定。