果园水肥一体化系统设计
摘 要
传统的农田，大多采用大水漫灌式进行浇灌，造成了水资源的大量浪费，并且对农作物的根部产生一定影响。同时，不合理的肥料施用量会对土壤造成破坏，不利于植株的生长。因此，设计水肥一体化智能系统具有非常重要的意义。
本文以果树种植示范园为样本进行了水肥一体化系统的方案设计。构建了水泵灌溉、水肥比例配制环节及电磁阀控制滴灌节点三大部分。通过安装的传感器获取果园环境参数、灌溉用量等信息，根据基于果园需水和需肥的灌溉模型，控制水泵的功率、水肥配比及各管道电动调节球阀的开度，从而实现对果树的滴灌。该系统从实际需求出发，既节约了系统开发成本，又满足了节水需求，同时提高了管理的智能化程度，具有一定的推广应用价值。
关键词：果园，灌溉系统，施肥机，水肥一体化
Integrated System Sign of Orchard Water Cost
Abstract
The traditional farmland is mostly irrigated by flood irrigation, which causes a large amount of waste of water resources and has a certain effect on the roots of crops. At the same time, unreasonable fertilizer application will damage the soil, which is not conducive to plant growth. Therefore, it is of great significance to design the integrated intelligent system of water and fertilizer.
In this paper, an integrated system of water and fertilizer have designed with the fruit tree planting demonstration garden as the sample.Water pump irrigation, proportion of water,fertilizer and solenoid valve control drip irrigation node be constructed.Through the sensor installed to obtain the orchard environmental parameters, irrigation amount and other information, Based on the irrigation model of orchard water demand and fertilizer demand, the power of water pump, the ratio of water and fertilizer and the opening of ball valve are controlled,and the drip irrigation of fruit tree is realized.The system not only saves the cost of system development, but also meets the demand of water saving. It also improves the intelligence of management, and has a certain value of popularization and application.
Keywords: orchard，irrigation system，fertilizer distributor，integration of water and fertilizer
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题背景与意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 本文的主要研究内容 3
第二章 果园水肥一体化总体方案设计 4
2.1 水肥一体化功能需求 4
2.2 水肥一体化系统的基本组成 4
2.3 水管网的布置 4
2.3.1 布置原则 5
2.3.2 布置形式 5
第三章 灌溉系统的相关设计 7
3.1 水泵 7
3.1.1 水泵流量的确定 7
3.1.2 确定水泵扬程 7
3.1.3 水泵的选型方案 8
3.1.4 水泵电机的选型 8
3.2 灌溉系统水管网设计 9
3.2.1三种管道流量的计算 9
3.2.2水管网水流压力计算 10
3.3 灌溉系统中的阀门 10
3.3.1 止回阀的选择及工作原理 10
3.3.2 电动调节球阀 12
3.3.3 电动调节球阀的选型和工作原理 12
3.3.5 截止阀的选用原则 14
3.3.6 截止阀的选型 14
3.3.7 截止阀工作原理 15
3.4 压力表的选型原则 16
3.4.1 压力表精度等级的确定 16
3.4.2 压力表灵敏度的选择 17
3.4.3 压力表外形尺寸的选择 17
3.5 过滤系统的设计 18
3.5.1 过滤设备的选择原则 18
3.5.2 过滤器的选型 18
第四章 施肥机的设计 20
4.1 比例施肥机的结构设计 20
4.2 施肥机工作原理 21
4.3 比例施肥机相关参数 21
4.4 施肥机电子设备及其他构件 21
4.5 比例施肥机的控制 21
4.6 施肥机的控制功能设计 22
4.6.1 流量控制方案的选择 22
4.6.2 流量比值控制系统的工作原理 23
4.6.3 流量比值系统的控制流程 24
4.7 施肥机控制柜的相关设计 24
4.7.1 控制箱中的输入输出元件及功能 25
4.7.2 控制电路的设计 25
4.7.3 施肥PLC通信程序 27
4.7.4 控制柜的操作流程 28
第五章 总结 30
参考文献 31
谢 辞 32
第一章 绪论
1.1 课题背景与意义
随着我国淡水资源的日益缺乏，农业化肥污染的日益严重，以及人们生活水平质量的日益提高，对于节约型、可持续性发展农业的要求也越来越严格，再加上肥料利用率较低已经成为我国农业发展较慢的问题之一，所以通过对水肥增产效应的利用对我国农业的快速发展具有重大意义，而水肥一体化技术是发展节约性、高效性的农业的重要技术，因此，水肥一体化就成为农业高效发展的选择[1]。
水肥一体化的含义就是把灌溉和施肥结合成一个整体的农业技术，是将能溶性的固态或者液态肥料灌溉水混合在一起，依靠管道系统提供水肥混合物，使水和肥融合后，通过管道以及滴头形成滴灌，最后按比例输送给植物。该技术最大的优势在于它施肥的效率极高，效果明显，与传统固态肥颗粒施加在土壤表面而导致肥力流失相比，水肥一体化可将液体肥直接施加到植物根部吸收的更加迅速，有效减少了肥料挥发和流失。同时，使用水肥一体化无需单独花时间灌水施肥，并且其精确施肥的特性具有省水省肥的作用，这样就大大减少了人工成本以及工时。因此，实施水肥一体化技术对农业的高效发展具有重要的意义。
在果树区中，该技术可以令果树根系快速吸取必要的养分，这对果树在恶劣的气候条件下良好生长具有很大的帮助，可以使得果树提前结出果实。灌溉和施肥是果树种植的重要培养措施，通常情况下灌溉与施肥是分别进行，这经常使农户种植成本变高。因此，最好的措施是二者同时进行，果树的根系一边吸水，一边吸肥，就能够大大提高肥料的利用率[2]。果园水肥一体化必须依靠作物需水规律和土地的情况来设计供水的系统，定制输水灌溉制度。并按照果树养分需要、果实收成目标和土壤结构来确立施肥形式，正确实行水肥联合灌溉。该技术通常是通过联合灌溉系统来实行智能化控制。系统由网络监控平台、数据采集终端、监控视频、水肥一体机、过滤系统、阀门、水管网等组成。在开始工作前，将专用肥料溶解于肥料容器中，先令灌溉系统运行10至20分钟，当果树区的喷头正常喷水后，启动注肥泵向进水管中添加有机肥，同时注意注肥泵压力要大于抽水机出水压力，控制加肥速率，肥料添加完毕后，灌溉系统要继续运行半个小时以上，达到洗刷管道的目的，并使得肥料全部浇注在果园土壤中，下渗到指定的深度。通过实践证明，果树种植采用水肥一体化技术，可将肥料利用率提升将近一半以上，增大产量10%-15%，大大的提升了产值。因此，果园水肥一体化对果树的生长以及产量具有重要的意义。
1.2 国内外研究现状
实现自动化的灌溉管理，创建完整的灌溉管理自动调节系统是一些发达国家发展高效的农业的唯一目标和实现途径。目前，美国、英国、法国等国家都已经建立了先进的农业灌溉控制系统，系统不但能够对农田的生长情况、环境信息、灌区内的水情等进行全天候的监测，还能够根据作物的生长规律，对作物是否需要用水灌溉、何时灌溉、灌溉的量应该是多少进行了科学的、准确的预测。同时，灌溉区域都建立了水资源调整中心，这样不仅能够及时的得知天气状况、水源水位、水源质量等信息，还能针对水流的位置、输送水情况、各阀门的水流量等以此来调整整体的灌溉工作。另外，灌区内所有的墒情信息均可传输至远程监控中心，监控中心根据灌区内的墒情信息，对灌溉区做出相应的控制和管理，有利于辅助灌溉决策的制定和实施，使得农作物的灌溉工作效率大大提高[3]。
我国农业灌溉模式还是相对落后的，漫灌、畦灌等灌溉方式在农村依旧屡见不鲜，农业用水十分浪费。相对于发达国家，国内在节水灌溉技术的宣传上还存在着不小的差距。直到90年代中后期，水肥一体化技术终于受到重视，全国开始推荐水肥一体化，高效节水农业种植面积也逐年增长，这让我国在节水灌溉上获得了较大的进步。在现有的产品中最有代表性的有中国农业机械亿研究院联合多家单位研制的2000型温室自动灌溉施肥系统，该产品可以实现手动控制和自动控制等模式，能够根据需要来变通利用，并且在大连，北京等地已经投入使用，效果显著，然而其成本较高，仅限于温室内作物。上海邦伯现代农业技术有限公司与上海大学数字农业中心合作，经过长时间的设计与实践，研究出了可以采用先进的节水灌溉和施肥技术，并根据土壤养分以及作物种类，将肥料与水混合在一起定时、定量地输送到植物根部，以此来实现灌溉与施肥的目标[4]。山东盛大节水科技有限公司在2017年推出一种全自动化灌溉水肥一体机，该机器能够借助水路压力系统，将可溶性肥料按照土壤养分含量和农作物种类的需肥规律，按照一定比例将肥液与灌溉水配兑，通过可控管道系统供水、供肥，使水肥相融后，通过管道和滴头形成滴灌，浸润作物根系发育生长区域。该机器不仅仅成本低廉，而且功能齐全且实用，灌溉效率更高，最值得注意的是该机器可以使用物联网电脑和手机APP远程控制。根据以上几点可知，中国的节水灌溉和水肥一体化虽然初见成效，然而在宣传过程中与发达国家存在着不小的差距，而农业是国民经济的基础，未来我国定会加大投入力度，应该能够预想到农业水肥一体化会产生更大范围的宣传与普及。同时，节水灌溉设备和肥料的相互配合是该技术的重中之重，水肥一体化的推广过程也会使得二者合作力度加大。
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