多回流式變量噴藥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

成都市農(nóng)林科學(xué)院 曹亮

引言

多回流式變量噴藥控制系統(tǒng)能夠根據(jù)噴藥機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)完成對(duì)比例控制閥的調(diào)節(jié)，并通過(guò)改變回流口的開(kāi)度來(lái)控制噴藥量，從而使噴藥機(jī)完成變量噴藥，提升噴藥機(jī)噴藥時(shí)的穩(wěn)定性與控制精準(zhǔn)度。因此，有必要對(duì)多回流式變量噴藥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

1 設(shè)計(jì)多回流式變量噴藥控制系統(tǒng)的重要性

我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)作物在種植過(guò)程中非常容易受到病蟲(chóng)害的影響，導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)值下降。就目前而言，我國(guó)農(nóng)作物防治病蟲(chóng)害的主要手段依然是農(nóng)藥的噴灑，農(nóng)藥噴灑質(zhì)量能夠直接影響到農(nóng)作物的產(chǎn)值。據(jù)有關(guān)資料表明，我國(guó)的農(nóng)業(yè)種植可以通過(guò)農(nóng)藥每年挽回約20%的產(chǎn)量。但是由于我國(guó)農(nóng)藥噴灑設(shè)備發(fā)展落后，因此我國(guó)農(nóng)藥利用率相對(duì)偏低，這也成為制約我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的一道障礙。

現(xiàn)如今，精準(zhǔn)施藥技術(shù)獲得了各個(gè)國(guó)家的重視，美國(guó)以及日本等一系列國(guó)家都在精準(zhǔn)施藥技術(shù)中進(jìn)行了非常多的研究。而我國(guó)也因?yàn)閲?guó)家政府對(duì)農(nóng)機(jī)的補(bǔ)貼提升而在精準(zhǔn)施藥技術(shù)上有了很大進(jìn)步，大型農(nóng)藥噴灑設(shè)備也在逐漸普及，但是我國(guó)大型噴藥設(shè)備的控制方式相對(duì)比較單一，噴藥量往往需要經(jīng)過(guò)手動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此無(wú)論是噴藥效率還是噴藥質(zhì)量都有非常大的發(fā)展空間。我國(guó)的噴藥設(shè)備大多都會(huì)通過(guò)改變噴藥量的方式來(lái)進(jìn)行變量噴藥，比如藥液注入式、脈寬調(diào)制式等，其中脈寬調(diào)制式在實(shí)際噴藥過(guò)程中會(huì)通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖的占空比來(lái)完成對(duì)電磁閥的開(kāi)啟與關(guān)閉，使噴藥量發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)變量噴藥，但是脈沖調(diào)制在實(shí)際運(yùn)用中仍有一定缺陷，因?yàn)槠淇刂茋娝幜康姆绞叫枰寚婎^對(duì)應(yīng)不同的電磁閥，而大型噴藥設(shè)備的機(jī)幅寬度都在12米以上，噴頭數(shù)量非常多，所以這種控制方式在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中具有較高的成本，很難在大型噴藥機(jī)中普及。因此多回流式變量噴藥控制系統(tǒng)一經(jīng)提出就得到了很多關(guān)注，通過(guò)這種方式能夠在控制成本的同時(shí)實(shí)現(xiàn)變量噴藥，提升噴藥質(zhì)量。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

多回流式變量噴藥控制系統(tǒng)是在3WP-1200 型噴藥機(jī)的基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)而成的，噴藥機(jī)中原控制裝置主閥以及比例控制閥還有開(kāi)關(guān)控制閥都屬于手動(dòng)控制閥，因此在進(jìn)行噴藥時(shí)無(wú)法完成自動(dòng)調(diào)節(jié)，只能通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)的形式來(lái)進(jìn)行噴藥量的控制。而經(jīng)過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)出的多回流式變量噴藥控制系統(tǒng)則是由比例控制閥、5 路開(kāi)關(guān)控制閥等一系列閥門(mén)組成，在實(shí)際工作中可以根據(jù)噴藥機(jī)的行進(jìn)情況來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整噴藥量，在保證噴藥質(zhì)量的同時(shí)提升噴藥效率。

2.2 控制原理

多回流式變量噴藥控制系統(tǒng)的工作原理為：在噴藥機(jī)正式噴藥之前將拖拉機(jī)的后輸出軸與噴藥機(jī)的隔膜泵進(jìn)行連接，然后在觸摸屏中輸入噴頭數(shù)量以及噴藥量等參數(shù)。通常噴頭之間的間隔為500mm，所以通過(guò)結(jié)合噴頭數(shù)量就能夠判斷出噴藥幅寬。在正式開(kāi)始噴藥時(shí)，需要同時(shí)將噴藥控制系統(tǒng)與拖拉機(jī)后輸出軸一同啟動(dòng)，并通過(guò)對(duì)拖拉機(jī)的行進(jìn)速度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，將得出的行進(jìn)參數(shù)與提前設(shè)定好的噴頭數(shù)量以及噴藥量相結(jié)合得出相應(yīng)的數(shù)值，然后將該數(shù)值與監(jiān)測(cè)到的實(shí)際流量進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)PID 閉環(huán)控制算法來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，對(duì)回路流量的控制能夠影響主路流量，只要能夠保證實(shí)際流量與理論流量一致，就能夠達(dá)到準(zhǔn)確改變噴藥量的目的[1]。

在控制系統(tǒng)中，通過(guò)速度傳感器能夠確保拖拉機(jī)行進(jìn)速度達(dá)到設(shè)定值時(shí)才可以進(jìn)行噴藥，這樣能夠控制噴藥機(jī)在地頭轉(zhuǎn)彎時(shí)不噴藥，以免出現(xiàn)藥液浪費(fèi)的現(xiàn)象。而安全閥能夠在水管壓力超出警戒時(shí)將多余的藥液排出，防止噴藥過(guò)程中出現(xiàn)水管爆裂的情況。所以在噴藥開(kāi)始前必須通過(guò)手動(dòng)進(jìn)行壓力調(diào)整，保證壓力的合理性。噴藥機(jī)中的主閥要通過(guò)PLC 處理器進(jìn)行控制，主閥打開(kāi)時(shí)，其穿過(guò)安全閥的閥芯就會(huì)將噴藥主路口堵住，這時(shí)的安全閥內(nèi)部會(huì)打開(kāi)回流口使藥液回流至藥箱當(dāng)中，停止噴藥。主閥關(guān)閉時(shí)噴藥主路口則會(huì)開(kāi)啟，此時(shí)安全閥中的回流口則會(huì)關(guān)閉，這時(shí)的安全閥將會(huì)起到保壓的效果。所以通過(guò)PLC 控制主閥開(kāi)關(guān)能夠完成對(duì)噴藥量的控制。

3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

變量噴藥控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)將PLC 作為控制核心，其主要由控制器、檢測(cè)傳感器、報(bào)警模塊等零部件組成，控制系統(tǒng)可以通過(guò)對(duì)流量、速度以及壓力等參數(shù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并將信息傳遞給控制器進(jìn)行處理，控制器則會(huì)發(fā)送指令來(lái)完成對(duì)不同閥門(mén)的控制，從而實(shí)現(xiàn)變量噴藥。

3.1 控制器選型

控制器可以選擇西門(mén)子S7-200PLC，CPU 型號(hào)為224CN，能夠連接拓展模塊7 個(gè)，還帶有PID 控制器，能夠很好地滿(mǎn)足多回流式變量噴藥控制系統(tǒng)的需求[2]。

3.2 轉(zhuǎn)換模塊的選擇

控制系統(tǒng)壓力、液位傳感器輸出電壓、電流信號(hào)都屬于模擬信號(hào)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量之后才能夠?qū)⑵鋫鬏數(shù)絇LC 進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理。在控制系統(tǒng)中，比例控制閥則屬于電流信號(hào)控制，所以系統(tǒng)需要將數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)進(jìn)行輸出。所以轉(zhuǎn)換模塊可以選用EM235，這種模塊帶有4 路模擬量輸入以及1 路模擬量輸出，但是因?yàn)榇四K在輸入端無(wú)法同時(shí)設(shè)置量程以及分辨率，所以在模塊輸入端同時(shí)具備電壓、電流信號(hào)時(shí)要準(zhǔn)備多個(gè)轉(zhuǎn)換模塊。

3.3 電源模塊、觸摸屏選擇

PLC 以及傳感器等元件可以選用24V 的直流電壓來(lái)保證供電效率，而且拖拉機(jī)的車(chē)載電源為12VDC 或者是24VDC，如果車(chē)載電源并不是24VDC 就需要通過(guò)升壓模塊進(jìn)行升級(jí)?？刂葡到y(tǒng)在運(yùn)行之前需要對(duì)噴藥機(jī)的噴嘴數(shù)量以及噴藥量、啟動(dòng)噴藥時(shí)的最低行進(jìn)速度等參數(shù)進(jìn)行提前設(shè)定，而且噴藥流量、壓力等參數(shù)還會(huì)通過(guò)觸摸屏顯示出來(lái)，需要保證觸摸屏能夠達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)。

4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 參數(shù)檢測(cè)原理

控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)對(duì)作業(yè)時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而PLC 則會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，并向各閥門(mén)發(fā)出控制指令，以此來(lái)控制執(zhí)行元件的動(dòng)作情況。

4.1.1 速度檢測(cè)

通過(guò)在拖拉機(jī)的地輪軸上安裝多個(gè)磁鋼，并在磁鋼上方安裝速度傳感器能夠完成對(duì)拖拉機(jī)行進(jìn)速度的檢測(cè)，因?yàn)椴煌配撛诮?jīng)過(guò)傳感器時(shí)，PLC 能夠?qū)崟r(shí)接收相應(yīng)的脈沖信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理能夠得出行進(jìn)速度[3]。

4.1.2 模擬量的采集、檢測(cè)

控制系統(tǒng)中的輸出信號(hào)即為模擬量的傳感器，其中模擬量會(huì)通過(guò)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。PLC 通過(guò)對(duì)數(shù)字量進(jìn)行處理就可以得到模擬量的對(duì)應(yīng)檢測(cè)值，而通過(guò)液位傳感器的檢測(cè)值則可以得到噴藥機(jī)當(dāng)前的剩余液位高度。

4.2 PID 控制方法

通過(guò)PID 控制能夠調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中的流量，即PLC 可以通過(guò)流量傳感器將管道內(nèi)的當(dāng)前流量反饋到控制器中，接收到實(shí)際流量的控制器則會(huì)將其與理論流量進(jìn)行比較并產(chǎn)生二者之間的偏差信號(hào)，PLD 計(jì)算偏差信號(hào)之后能夠得出控制量，通過(guò)對(duì)比例控制閥開(kāi)口度進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)保證實(shí)際流量與理論流量一致，從而完成噴藥量閉環(huán)控制，這種控制方法能夠保證流量控制的準(zhǔn)確性。

4.3 主程序設(shè)計(jì)

多回流式變量噴藥控制系統(tǒng)的軟件需要能夠完成流量、速度等參數(shù)的采集以及PID 調(diào)節(jié)流量等功能，只有這樣才能保證控制系統(tǒng)得以順利地進(jìn)行?？刂葡到y(tǒng)啟動(dòng)之后需要進(jìn)行自檢初始化，然后進(jìn)行液位的采集，如果藥箱中的液位低于警戒線，則會(huì)出現(xiàn)警報(bào)，液位正常時(shí)方能輸入各項(xiàng)作業(yè)參數(shù)。在噴藥開(kāi)關(guān)打開(kāi)后，比例調(diào)節(jié)閥完全開(kāi)啟，此時(shí)藥液會(huì)回流，并進(jìn)行速度采集。當(dāng)行進(jìn)速度大于設(shè)定值后，就要通過(guò)比例控制閥的開(kāi)口度調(diào)節(jié)噴藥量，當(dāng)噴藥開(kāi)關(guān)關(guān)閉后則會(huì)停止噴藥。除此之外，該系統(tǒng)依然留有手動(dòng)模式，而且在自動(dòng)模式下依然可以通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)比例控制閥來(lái)實(shí)現(xiàn)局部噴藥量的控制[4]。

5 試驗(yàn)分析

5.1 試驗(yàn)條件

多回流式變量噴藥控制系統(tǒng)的試驗(yàn)包括流量控制、噴藥量控制以及液位標(biāo)定試驗(yàn)，該噴藥機(jī)為背負(fù)式，其藥箱的額定容量為1200L、噴幅22M、噴頭44 個(gè)，試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)水來(lái)代替藥液。

5.1.1 液位標(biāo)定試驗(yàn)

因?yàn)樗幭湫螤畈灰?guī)則，所以為了保證能夠精準(zhǔn)地檢測(cè)出藥液的剩余高度，需要保證能夠在不同液位下得出藥液剩余量。液位標(biāo)定試驗(yàn)分為以下幾個(gè)步驟：第一，將未加水的噴藥機(jī)進(jìn)行稱(chēng)量，并讀取其質(zhì)量。第二，在噴藥機(jī)中注水，每增加100kg，都要通過(guò)液位傳感器記錄一次液位，每一次記錄需要測(cè)量三次以上，保證測(cè)量精確性。第三，噴藥機(jī)加水量達(dá)到1300L 時(shí)測(cè)量結(jié)束，通過(guò)測(cè)量后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)藥箱達(dá)到100L 時(shí)，測(cè)量得出的最大擬合誤差為12%，而當(dāng)溶劑大于100L 時(shí)，其最大擬合誤差則會(huì)明顯下降，此時(shí)誤差≤3.7%，由于藥液溶劑檢測(cè)精確度的要求并不高，所以該誤差符合要求。

5.1.2 變量噴藥試驗(yàn)

（1）流量控制試驗(yàn)

PLC 運(yùn)行時(shí)能夠接受脈沖信號(hào)，在試驗(yàn)時(shí)需要在手動(dòng)模式下進(jìn)行，試驗(yàn)方式如下：第一，后輸出軸轉(zhuǎn)速調(diào)整到540r/min。第二，打開(kāi)噴藥系統(tǒng)并調(diào)節(jié)流量，保證噴藥壓力在200～500kPa。第三，將目標(biāo)流量設(shè)置為65、85、105L/min，在不同流量下分別接取五個(gè)噴嘴噴出的水時(shí)間為兩分鐘。第四，計(jì)算實(shí)際流量并將測(cè)量流量與檢測(cè)流量進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)試驗(yàn)?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)單個(gè)噴頭的誤差小于4.3%，能夠滿(mǎn)足誤差小于6%的要求。

5.2 噴藥量控制試驗(yàn)

在噴藥量試驗(yàn)開(kāi)始之前，需要提前注水并測(cè)量質(zhì)量，直到藥箱內(nèi)部水量達(dá)到1200kg 為止。在噴藥結(jié)束之后，試驗(yàn)人員可以通過(guò)觸摸屏來(lái)得到已噴面積數(shù)據(jù)，此時(shí)能夠計(jì)算出實(shí)際噴藥量。試驗(yàn)過(guò)程中為了防止管內(nèi)壓力過(guò)大，所以安全閥壓力設(shè)置為600kPa，因此噴藥速度必須得到保障，由于噴藥壓力過(guò)小時(shí)霧化效果較差，所以選定試驗(yàn)速度為4～8km/h。通過(guò)試驗(yàn)?zāi)軌虻贸鲂羞M(jìn)速度提升能夠提升噴藥量，而且恒速試驗(yàn)實(shí)際噴藥量與設(shè)定值相差不超過(guò)5%，變速試驗(yàn)實(shí)際噴藥量與設(shè)定值相差不超過(guò)5.8%，該控制精度符合要求。

6 結(jié)語(yǔ)

總之，多回流式變量噴藥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常重要，能夠在提升噴藥效率的同時(shí)增加噴藥質(zhì)量。相信隨著更多人關(guān)注到多回流式變量噴藥控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一定會(huì)變得更加完善。