温室滴灌施肥智能化控制系统的管路结构及其控制方法

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技术领域\n本发明涉及一种灌溉施肥的控制装置，特别是涉及一种温室滴灌施肥 智能化控制系统的管路结构及其控制方法。\n背景技术\n滴灌施肥智能化控制技术是设施农业蔬菜、花卉生产的关键技术，目 前我国该项技术设备主要依靠进口，进口设备价格昂贵，维修不便，很难 大面积推广。因此，目前我国设施农业(温室、大棚)蔬菜、花卉等作物 的灌溉和营养液施肥主要采用人工控制，灌溉的科学性、实效性差，费工 费时，水肥浪费严重，作物产量低、品质差。人工配制营养液，劳动强度 高、工作效率低，不适宜规模化生产。\n发明内容\n本发明所要解决的技术问题是，提供一种可对现代农业规模化温室蔬 菜、花卉生产的灌溉、施肥进行自动控制的温室滴灌施肥智能化控制系统 的管路结构及其控制方法。\n本发明所采用的技术方案是：一种温室滴灌施肥智能化控制系统的管 路结构，包括有供水管路、供肥管路、混肥管路以及滴灌、施肥管路，其 中供水管路分别连接供肥管路、混肥管路以及滴灌、施肥管路，供肥管路 还与混肥管路相连接，混肥管路又与滴灌、施肥管路相连接。\n一种温室滴灌施肥智能化控制系统的控制方法，是由如下步骤完成的：\n(1)进行模拟量数据采集和系统参数设定；\n(2)判断是否采用人工干预灌溉施肥程序，是则启动和执行人工干预 灌溉施肥程序；\n(3)若判断结果为否，则继续判断是否采用定时定量灌溉施肥程序， 是则启动定时定量灌溉施肥程序；\n(4)若判断结果为否，则继续判断是否采用条件控制灌溉施肥程序， 是则启动条件控制灌溉施肥程序。若判断结果为否，则进入过滤器反冲洗阶 段的判断过程；\n(5)当定时定量灌溉施肥程序或条件控制灌溉施肥程序执行过程中， 判断是否执行人工干预灌溉施肥程序，是则中断、保护现场，启动并执行人 工干预灌溉施肥程序；不是则进入反冲洗阶段的判断过程；\n(6)在灌溉施肥程序执行过程中，判断是否执行过滤器反冲洗，若判 断结果为否，则保持系统当前运行状态，是则中断、保护现场，执行过滤器 反冲洗程序；反冲洗结束后逐级恢复现场；\n(7)检测参数是否超过报警限值，否，则保持系统当前运行状态，是 则进行声光报警；\n(8)判断泵、阀、水表、运行是否异常，是则系统停止运行，结束全 部程序，否，则保持系统当前运行状态。\n本控制系统功能强大，灌溉时可根据作物需水量大小实现灌溉的人工干 预、定时定量、条件控制三种自动控制和计量。当营养液施肥时，系统可 根据作物所需的营养液浓度、酸碱度自动的将高浓度的母液与水进行智能 化混合配制、营养液pH、Ec的精量调节和灌溉施肥的自动控制与计量。本 系统还具有过滤器自动与手动反冲洗控制功能，信息查询打印功能，系统 的故障报警及安全保护功能。解决了现代农业规模化温室蔬菜、花卉生产 的灌溉、施肥自动控制的关键技术问题，为提高作物的产量和品质提供了 保证。本系统采用触摸屏和PLC控制技术，完全汉化的操作界面，性能可 靠、操作简便、价格低廉，主要应用在现代化温室、规模化日光温室、大 棚蔬菜、花卉等高产值经济作物灌溉、施肥的智能化控制。\n附图说明\n图1是滴灌施肥智能化控制系统管路的框架结构图；\n图2是滴灌施肥智能化控制系统管路结构示意图；\n图3是可编程控制器与上位机及触摸屏的连接示意图；\n图4a、图4b是图1中的水泵和施肥泵的控制结构图；\n图5是本发明的滴灌施肥智能化控制系统的控制方法流程图；\n图6人工干预灌溉施肥的控制方法流程图；\n图7是定时定量灌溉施肥的控制方法流程图；\n图8是条件控制灌溉施肥的控制方法流程图；\n图9灌溉控制方法流程图；\n图10是施肥控制方法流程图；\n图11过滤器反冲洗方法流程图；\n图12文丘里注肥器结构示意图。\n具体实施方式\n下面结合附图给出具体实施例，进一步说明本发明是如何实现的。\n如图1所示，温室滴灌施肥智能化控制系统的管路结构，包括有供水 管路1、供肥管路2、混肥管路3以及滴灌、施肥管路4，其中供水管路1 分别连接供肥管路2、混肥管路3以及滴灌、施肥管路4，供肥管路2还与 混肥管路3相连接，混肥管路3又与滴灌、施肥管路4相连接。\n如图2所示，所述的供水管路1是由水池5、球阀18、水泵6、反冲洗 过滤器7依次串联连接构成，其中反冲洗过滤器7还并联连接有差压开关 21。反冲洗过滤器采用天津市水利科学研究所研制的，其专利申请号为： 02293523.1的反冲洗过滤器；水泵的型号为：KGL50/100-1.1/2；差压开关 21的型号为：CY-1。\n所述的供肥管路2是由数个肥液桶10及每个肥液桶10上设置的与供 水管路1相连的球阀22、与混肥管路3相连的混肥阀19构成。\n所述的混肥管路3是由混肥桶12、球阀25、施肥泵15、稳压阀14、 PH/EC监测仪13、文丘里注肥器11依次串联连接，其中文丘里注肥器11 还通过混肥阀19与各肥液桶相连接、通过球阀12连到混肥桶12的入口处； 在混肥桶12中设有液位传感器24。pH/EC监测仪13采用天津市水利科学 研究所研制的，型号为EP-1型；施肥泵15的型号为：CR16-30；液位传感 器24的型号为：MPM416；文丘里注肥器11如图12所示，其尺寸选用 ″。\n所述的滴灌、施肥管路4是由通过水表8与供水管路1相连的灌溉主 阀门16、与施肥泵15相连的施肥主阀门23共同连接到田间电磁阀21。电 磁阀21的型号为：210-1.5”-G-Z，210-2”-G-Z。\n如图3所示，本系统上位机采用触摸屏，下位机采用PLC控制器。计 算机控制的模入量19路，开入量3路，开出量36路。其中触摸屏型号为： NT631C-STl51-EV2，PLC控制器型号为：C200HG。图中PC上位机采用计算 机。\n如图4a、图4b所示，图1中的水泵6和施肥泵15的控制是由如下结 构实现的：主回路是由空气开关Q1的上口接380V电源，下接接触器KM1的 主触点，接触器KM1的主触点通过热继电器FA1与电机接线端子连接；控制 回路分为自动控制回路和手动控制回路，手动控制回路是由转换开关SA1上 口通过保险RD1接220V电源，转换开关SA1下口与停止开关SB11连接，停止 开关SB11又与启动开关SB12、接触器KM1的辅助触点、接触器KM1的线圈、热 继电器FA1触点串联连接到零线N上；自动控制回路是由计算机启动中间继 电器ZJ1，中间继电器ZJ1的常开触点上端与转换开关SA1连接，下端与主接 触器KM1线圈、热继电器FA1触点串联连接到零线N上；电源指示灯HL11并 联在电源两端，水泵启停灯HL12并联在主接触器KM1线圈两端。\n此结构为两套，一套连接的泵是1.1KM的水泵，一套连接的是3KM的 施肥泵。\n上述结构中的空气开关型号为：DZ47-60/3D、10A；接触器型号为： LR18-32、6A；热继电器型号为：LR1-D09308，2.5A～4A(水泵用)、 LR1-D09308，5.5A～8A(施肥泵用)；中间继电器型号为：HH52P；换开关型号 为：PBC-D2；\n其工作原理是：打开空气开关，将转换开关打在自动位置，启动泵时， 计算机启动中间继电器，中间继电器常开触点闭合，接触器线圈带电，触 点吸合，泵启动。一旦出现过流，热继电器动作，其触点断开，接触器线 圈失电，其触点断开，泵停止运行。关泵时，计算机关闭中间继电器，其 线圈失电，触点断开，接触器线圈失电，其触点断开，泵的工作停止。当 需要手动时，打开空气开关，将转换开关打在手动位置，通过配电柜上的 启动、停止按钮控制泵的开启和停止，启动时，按启动按钮，接触器线圈 带电，辅助触点吸合并自动保持，主触点闭合，启动泵；关泵时，按停止 按钮，接触器线圈失电触点断开，关闭泵。\n如图5所示，本发明的温室滴灌施肥智能化控制系统的控制方法，是 由如下步骤完成的：\n(1)进行模拟量数据采集和系统参数设定；\n(2)判断是否采用人工干预灌溉施肥程序，是则启动和执行人工干预 灌溉施肥程序；\n(3)若判断结果为否，则继续判断是否采用定时定量灌溉施肥程序， 是则启动定时定量灌溉施肥程序；\n(4)若判断结果为否，则继续判断是否采用条件控制灌溉施肥程序， 是则启动条件控制灌溉施肥程序。若判断结果为否，则进入过滤器反冲洗阶 段的判断过程；\n(5)当定时定量灌溉施肥程序或条件控制灌溉施肥程序执行过程中， 判断是否执行人工干预灌溉施肥程序，是则中断、保护现场，启动并执行人 工干预灌溉施肥程序；不是则进入反冲洗阶段的判断过程；\n(6)在灌溉施肥程序执行过程中，判断是否执行过滤器反冲洗，若判 断结果为否，则保持系统当前运行状态，是则中断、保护现场，执行过滤器 反冲洗程序；反冲洗结束后逐级恢复现场；\n(7)检测参数是否超过报警限值，否，则保持系统当前运行状态，是 则进行声光报警；\n(8)判断泵、阀、水表、运行是否异常，是则系统停止运行，结束全 部程序，否，则保持系统当前运行状态。\n如图6所示，所述的人工干预灌溉施肥是由如下步骤完成的：\n(1)进入人工干预设置画面，分别输入i＝1～12阀门组的灌水量(M) 和施肥配方(K)，设置完毕，启动人工干预灌溉施肥程序；\n(2)判断i＝1阀门组的各灌水量和施肥配方是否不等于零，是则执行 施肥控制程序；\n(3)判断结果为否，则继续进行判断i＝1阀门组的灌水量是否不等于 零和施肥配方是否等于零，是则执行灌溉控制程序，不是则进入下一阀门 组；\n(4)施肥控制程序和灌溉控制程序中任一个程序执行过程中，都要判 断是否需要暂停，不需要则继续执行原程序，需要则输入暂停时间；按暂 停键，中断当前工作，保护现场；当暂停时间到，恢复系统中断前工作状 态；\n(5)判断下一阀门组是否为最后一组阀门，不是则返回到第二步重复 上述过程进行；是则结束此程序。\n其人工干预灌溉施肥控制是：人工干预灌溉施肥程序最多控制12个阀 组(24个阀门)。按照人工干预灌溉施肥设置画面输入每个阀门组的有关 灌施参数：即灌水量(M)或灌水时间、施肥配方(K)，当灌溉时施肥配方K ＝0，当施肥时施肥配方K≠0，如果既不灌溉也不施肥，则参数全部置0。 计算机根据灌施参数是否为零来判断需要灌施的阀门组数量以及每一阀门 组是灌溉还是施肥，然后调用阀门组灌溉或施肥控制程序进行工作。在系 统工作过程中，如果需要暂停，则输入暂停时间，点击暂停键，系统停止 运行，当暂停时间到，系统重新启动，恢复中断前的工作，12个阀门组全 部执行完，人工干预灌溉施肥控制结束。\n如图7所示，所述的定时定量灌溉施肥是由如下步骤完成的：\n(1)进入定时定量设置画面，并输入i＝1～12阀门组灌溉起始日期( D始)，结束日期(D结)，轮灌周期(T)，灌水量(M)，施肥配方(K)， 以及每天需要多次灌溉时，输入n＝1～5次灌溉的开始时间；选定第n次灌 溉的阀门组；\n(2)判断第n次灌溉的时间是否等于零，是则转到下次灌溉，不是则 继续判断；\n(3)判断第n次灌溉的时间是否等于设定的时间，不是则等待，是则 继续判断；\n(4)判断第i阀门组的灌溉日期是否在设定的起始和结束日期之内， 是否达到轮灌周期，不是则判断下一个阀门组，是则继续判断；\n(5)判断本次灌溉第i阀门组是否被选定，不是则判断下一阀门组， 是则继续判断；\n(6)判断第i阀门组的灌水量和施肥配方是否不等于零，是则执行施 肥控制程序；判断结果为否，则继续进行判断第i阀门组的灌水量是否不 等于零和施肥配方是否等于零，是则执行灌溉控制程序，不是则进入下一 阀门组；\n(7)第i阀门组的施肥控制程序和灌溉控制程序中任一个程序执行完 毕后，都要进入下一个阀门组，然后判断一组阀门组是否全部执行完一次 灌施程序，是则进入下一次灌施程序，不是则返回到第三步骤继续进行；\n(8)在进行下一次灌施程序之前，先判断是否已完成设定的灌施次数， 完成则全部结束程序，未完成则返回到第二步骤重复进行；\n其定时定量灌溉施肥控制原理是：定时定量灌溉施肥控制程序最多控 制12个阀组，按照定时定量灌溉施肥设置画面输入每个阀门组控制参数： 如一个月内的灌溉起始日期(D始)、结束日期(D结)，轮灌周期(T)、 施肥配方(K)，如果一天内需要多次灌溉(最多不超过5次)，分别输入 每次灌溉施肥的灌溉开始时间及每次灌溉控制的阀门组号。计算机根据参 数设置情况自动执行每个阀门组的灌溉施肥控制。\n如图8所述，所述的条件控制灌溉施肥是由如下步骤完成的：\n(1)进入条件控制灌溉施肥设置画面，输入各土壤水势传感器控制土 壤含水量的上限值P上限和下限值P下限以及施肥配方K；选定各传感器控制的 阀门组；\n(2)循环判断各传感器控制的阀门组田间土壤含水量是否小于等于所 设的下限值(Pi≤Pi下限)，直到某一传感器检测的土壤含水量小于等于所设 的下限值；\n(3)判断该传感器控制的阀门组施肥配方是否等于零，不是则执行施 肥控制程序；是则执行灌溉控制程序；\n(4)当达到土壤含水量上限时，结束该传感器控制的阀门组的灌溉施 肥程序，并返回继续判断。\n其条件控制灌溉施肥控制原理是：条件控制灌溉施肥是利用土壤水势传 感器通过实时监测土壤水势大小来判断是否需要灌溉，系统最多安装4路 土壤水势传感器，每个传感器控制的阀门组自行设定。当某个水势传感器 的水势达到下限设定值时，系统自动启动该传感器控制的阀门组进行灌溉 或施肥，当土壤水势等于上限设定值时，停止灌溉。\n如图9所示，所述的灌溉控制是由如下步骤完成：\n(1)打开田间控制阀、打开灌溉主阀门，延时启动水泵；\n(2)判断灌水量是否等于设定的灌水量，或土壤含水量是否大于设定 的上限值；不是则继续灌溉，是则进入下一步；\n(3)判断是否有等待灌溉的阀门，有则先打开等待的阀门，再关闭运 行完的阀门，返回到第二步骤重新判断；\n(4)没有等待灌溉的阀门，则关闭水泵，关闭灌溉主阀门，关闭田间 控制阀，结束灌溉程序。\n其灌溉控制原理是：灌溉控制有人工干预、定时定量和条件控制三种 控制方式，不论采用那一种控制方式，当某个阀组执行灌溉运行时，计算 机系统首先打开田间阀门和灌溉主阀门，然后启动水泵，水经过自冲洗过 滤器过滤后进行灌溉，并通过水表进行灌水量计量。当正在运行的阀门达 到设定的灌水条件时，如果还有阀门在等待灌溉，则按照先开后关的原则， 先打开下一组阀门，再关闭上一组阀门；如果没有阀门在等待灌溉，则灌 溉结束，先关闭水泵，再关闭灌溉主阀门和田间阀。\n如图10所示，所述的施肥控制是由如下步骤完成的：\n(1)首先判断混肥桶内液位是否小于等于设定的最低液位1，不是则 报警，是则进入下一步；\n(2)打开注水阀，启动水泵向混肥桶内注水；\n(3)判断混肥桶内液位是否大于等于设定的中间液位2，不是则继续 进行第二步，是则打开混肥阀，启动施肥泵；\n(4)检测pH、Ec值；\n(5)进入pH、Ec调节控制阶段；\n(6)在pH、Ec调节控制阶段结束后，判断混肥桶液位是否大于最高 的液位，不是则进入第7步；是则进入第10步；\n(7)打开施肥主阀门和田间阀门开始施肥；\n(8)判断是否达到设定施肥量，不是则返回到第5步继续进行，是则 关闭水泵和注水阀；\n(9)判断混肥桶液位是否达到设定最低值，不是则保持原运行状态， 是则关闭施肥泵、施肥阀、田间阀，结束全部步骤；\n(10)在第6步的判断中，当混肥桶液位达到设定最高值时，关闭水 泵、注水阀、施肥阀；进入pH、Ec调节控制阶段；\n(11)pH、Ec调节控制阶段结束后关闭混肥阀，打开施肥阀；\n(12)判断混肥桶液位是否达到设定中间值，不是则保持原运行状态， 是则启动水泵、打开注水阀和混肥阀后返回到第4步继续进行。\n其中：pH、Ec调节控制阶段是由如下步骤完成的：\n(1)判断检测到的营养液浓度Ec是否小于等于设定的Ec值减去0.5？ 或检测到的营养液浓度Ec是否大于等于设定的Ec值加上0.5？是则关闭施 肥阀，停止向田间施肥，进入下一步，不是则直接进入下一步；\n(2)调节各加肥阀的占空比，t开＝72m/q+k(EC设-EC测)L，t关＝T -t开；；\n(3)判断检测到的pH值是否小于等于设定的pH值减去1.0？或是否 大于等于设定的pH值加上1.0？是则关闭施肥阀进入下一步，不是则直接 进入下一步；\n(4)调节加酸阀的占空比，t(n+1)开＝t(n)开+k(pH设-pH测)L，t关 ＝T-t开；；\n(5)继续判断pH或Ec值是否达到允许值?\n即：EC设-0.2≤EC测≤EC设+0.2    pH设-0.4≤pH测≤pH设+0.4 不是则返回第1步重新进行。\n其施肥控制原理是：营养液施肥控制也分为人工干预、定时定量和条 件控制三种控制方式。当作物需要营养液施肥时，计算机系统首先根据作 物需要的营养液浓度(Ec)和酸碱度(pH)将水和肥料母液在混肥桶内进行自 动混合，当满足pH、Ec的精度要求时，自动进行施肥灌溉。其控制过程是 当混肥桶内液位小于等于1时，打开注水阀，启动水泵向混肥桶内注水， 并自动计量注水量，当水位达到2时，启动施肥泵和混肥阀，水流通过施 肥泵、稳压阀、文丘里注肥器返回到混肥桶中，形成循环。稳压阀给文丘 里注肥器提供一个恒定的工作压力。\n肥液桶(A/B)内的高浓度肥料母液和酸桶(C)中的酸液在文丘里注肥器 吸力的作用下，被吸入管路并进入混肥桶与水混合。吸入量的大小是通过计 算机自动调节混肥阀的开关频率来控制的，在试验基础上建立混肥阀开关频 率和控制周期的数学模型，混肥过程中计算机实时监测营养液的pH、Ec值， 并与设定值进行比较，根据偏差大小，按照数学模型进行加肥量、加酸量的 智能化调节控制。当混肥桶内液位没有到3且营养液pH、Ec值已达到精度 要求，则打开田间阀和施肥主阀门，进行施肥灌溉，此时，注水、混肥和营 养液灌溉同时进行。如果混肥桶内液位达到3了，pH、Ec还未达到精度要 求，关闭水泵，停止向混肥桶内注水，继续进行加肥加酸的调节控制，直至 达到pH、Ec精度要求，此时关闭混肥阀，打开施肥主阀门和田间阀进行灌 溉，随着灌溉进行，混肥桶内液位不断下降，当下降到2时，再次启动水 泵向混肥桶内加水，同时启动混肥阀向混肥桶内加肥加酸，继续进行营养液 配制。\n当达到施肥量要求时，关闭水泵、注水阀、混肥阀，当桶内液位下降 到1时，关闭施肥泵、施肥主阀门和田间阀，混肥、施肥灌溉过程结束。\n如图11所示，所述的过滤器反冲洗是由如下步骤完成的：\n(1)进入过滤器反冲洗画面；输入过滤器个数；输入单个过滤器反冲 洗时间；\n(2)判断过滤器进出口差压值是否大于等于设定的差压值，是则进入 反冲洗过程；\n(3)判断结果为否，则继续判断是否执行手动反冲洗，是则进入反冲 洗过程；不是，则保持原工作状态；\n(4)在反冲洗过程中首先打开反冲洗阀1，启动水泵冲洗过滤器1；\n(5)打开反冲洗阀2，关闭反冲阀1，冲洗过滤器2；\n(6)关闭反冲洗阀2，关闭水泵恢复原工作状态；结束冲洗过程。\n其过滤器反冲洗的控制原理是：过滤器反冲洗有自动和手动2种控制 方式。自动冲洗是根据过滤器两端的差压来控制的，当差压值达到设定值 时，差压开关给计算机一个开入信号，计算机立即中断当前的工作，并根 据设定的冲洗时间和过滤器数量逐一进行自动冲洗，冲洗完毕恢复到原来 的工作状态。计算机手动冲洗是通过启动手动冲洗键来实现，冲洗过程与 自动冲洗相同。