自動控制技術(shù)在噴桿噴霧機變量噴施作業(yè)中的應用

陳治瑀

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

噴桿噴霧機是大面積農(nóng)田植保作業(yè)的主力機型，具有工作效率高、可靠性好等優(yōu)點，被廣泛應用于玉米、小麥、水稻、大豆、棉花等病蟲害的防治工作中，隨著我國土地連片經(jīng)營面積的擴大，噴桿噴霧機所能發(fā)揮的作用也明顯提升。在噴桿噴霧機銷售量不斷提升的同時，由于我國農(nóng)機企業(yè)對于噴桿噴霧機的研究起步較晚，噴桿噴霧機的技術(shù)還相對落后，機械作業(yè)過程的整體自動化程度相對較低，噴霧質(zhì)量、噴施量、精確性等方面都有很大的提升空間。自動化技術(shù)作為農(nóng)業(yè)機械發(fā)展所必需的技術(shù)，將其應用到噴桿噴霧機的功能優(yōu)化中能有效提高植保作業(yè)質(zhì)量，有利于變量噴霧和精確噴霧理念的實現(xiàn)。

1 噴桿噴霧機技術(shù)研究情況

近年來，我國農(nóng)機研究人員在總結(jié)噴霧機應用質(zhì)量和問題的基礎(chǔ)上，結(jié)合國際先進技術(shù)對農(nóng)用噴桿噴霧機進行了大量的研究與改良工作，為噴桿噴霧機的技術(shù)提升奠定了堅實的基礎(chǔ)。鄧伏棟[1]等針對噴桿噴霧機受多種因素影響而產(chǎn)生的噴霧不均勻問題展開研究，證實了要提高農(nóng)藥利用率，應當保證噴桿距冠層的距離保持在一定的范圍內(nèi)，并設計了噴桿平衡和高度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，應用了一種噴桿自動平衡控制系統(tǒng)和高度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并對噴桿調(diào)整的液壓回路進行了設計，建立了液壓控制調(diào)整噴桿狀態(tài)的計算機模型；吳彥強[2]等研制了一款風幕式高地隙噴桿噴霧機，該機利用風幕系統(tǒng)風機馬達驅(qū)動風機產(chǎn)生高速氣流,經(jīng)風筒及風囊下方出風孔吹出,形成一道風幕，能有效隔絕或減弱自然風的影響，利用ANSYS Fluent軟件對風幕系統(tǒng)內(nèi)部速度場進行仿真分析，對風幕效果進行了優(yōu)化，利用該技術(shù)，在30～120 cm噴施高度霧滴漂移量可減少42.8%～83.0%，有效提高農(nóng)藥利用率；吳兆鑫[3]等針對噴桿噴霧機的噴桿動態(tài)特性進行了研究和優(yōu)化，建立了自走式噴桿噴霧機的鉸接式主動差速轉(zhuǎn)向模型，針對噴桿易發(fā)生變形導致噴霧沉積不均勻的問題進行了有限元分析，通過施加彈性拉索的方式有效抑制了噴桿彈性變形，有效提高了噴霧過程的穩(wěn)定性；白海超[4]等對水田噴桿噴霧機噴霧裝置進行了優(yōu)化設計，分析了影響噴霧質(zhì)量的主要因素，運用ANSYS Workbench軟件建立噴桿的有限元模型，開展了自由狀態(tài)下的模態(tài)分析，對噴藥架的型材與結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，有效降低了水田噴霧作業(yè)噴霧質(zhì)量變異系數(shù)。

2 噴桿噴霧機結(jié)構(gòu)特點與功能需求

2.1 主體結(jié)構(gòu)

根據(jù)機械結(jié)構(gòu)的不同，噴桿噴霧機主要包括自走式和懸掛式兩類，自走式噴桿噴霧機具有專用的底盤、動力和駕駛系統(tǒng)，而懸掛式噴桿噴霧機需要安裝于拖拉機上配套使用，對比來說自走式機型多為高地隙噴霧機，其底盤具有較高的離地間隙，能適應生產(chǎn)的中后期使用；懸掛式噴桿噴霧機受拖拉機底盤高度限制，多用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的前期和中期使用?？傮w而言，二者噴霧系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理大體相同，如圖1為噴桿噴霧機的主體結(jié)構(gòu)，主要的藥物噴施裝置包括噴桿機構(gòu)、輸液管路、藥液箱、水路閥、水泵等，噴桿能夠?qū)崿F(xiàn)升降和折疊，以適應不同的噴施需求[5]。

1.噴桿；2.懸掛連接機構(gòu)；3.水泵；4.水箱；5.混藥裝置及控制器；6.行走機構(gòu)；7.液壓油散熱器；8.液壓閥；9.噴桿調(diào)節(jié)機構(gòu)

2.2 功能需求

1)農(nóng)藥的自動混合需求。傳統(tǒng)的噴桿噴霧機噴施農(nóng)藥前需要人工進行混藥操作，這一過程不僅會因為人工操作不精確而導致農(nóng)藥配比不合理，還可能因為操作不當危害混藥人員的人身健康，因此，研究自動混藥功能十分必要[6]。

2)噴桿伸縮與升降控制。傳統(tǒng)噴桿噴霧機作業(yè)時，噴桿需要通過人工進行展開和固定，作業(yè)完成后再通過人工進行折疊，費時費力，同時噴藥高度的調(diào)整只能通過液壓控制配合人工觀察實施，缺乏控制過程的精確性，調(diào)整過程十分不便，需要通過自動控制技術(shù)實現(xiàn)噴桿伸縮與精確升降功能。

3)噴藥系統(tǒng)壓力控制。傳統(tǒng)的植保作業(yè)過程中，噴霧系統(tǒng)的工作壓力調(diào)整十分不便，通常只能根據(jù)噴施量匹配行駛速度以提高農(nóng)藥利用率，導致噴施過程過于粗放，噴施的合理性受駕駛速度影響較大，需要通過自動控制技術(shù)實現(xiàn)噴藥泵壓力的便捷調(diào)整。

4)變量噴藥與智能控制。針對大面積的農(nóng)田噴霧作業(yè)，傳統(tǒng)模式只能采用統(tǒng)一的噴施量進行作業(yè)，不能針對不同農(nóng)田區(qū)域的作物需求、病蟲害情況進行噴施量的合理調(diào)整，普遍存在農(nóng)藥浪費、作物藥害等問題，需利用自動化技術(shù)實現(xiàn)對噴施量的智能調(diào)整，能根據(jù)作物需求實施精確噴施。

5)線路規(guī)劃與行駛路線監(jiān)測。傳統(tǒng)的生產(chǎn)過程中，噴桿噴霧機的行駛主要依靠駕駛員根據(jù)田間標識主觀判斷行駛路線與行駛直線性，但由于噴桿噴霧機幅寬很大，行駛中很難保證線路的精準，容易出現(xiàn)重噴、漏噴，因此，需利用自動控制技術(shù)提供行駛路線，并指導噴霧機準確行駛[7]。

3 變量噴霧機自動化硬件應用

現(xiàn)階段，市場上具有變量噴霧技術(shù)特點的噴桿噴霧機相對較少，先進機型主要以進口設備和正在研發(fā)的機型為主，實際應用并不多。從噴桿噴霧機的自動控制和變量噴霧功能需求進行分析，通過自動控制技術(shù)實現(xiàn)變量噴霧作業(yè)需要應用以下硬件技術(shù)。首先，選擇合理的上位機可編程控制器作為變量噴霧系統(tǒng)程序主控制器，主要負責處理監(jiān)控數(shù)據(jù)并發(fā)出控制指令；其次，數(shù)據(jù)的輸入、輸出與功能擴展等功能通過下位機進行控制，下位機同樣通過可編程控制器進行控制，下位機的可編程控制器根據(jù)功能的不同通常為2～3個，下位機同時布置信息輸入接口、信息輸出接口、模擬量輸入(輸出)接口及數(shù)字擴展模塊和數(shù)字控制模塊；再次，功能實施的硬件包括壓力傳感器、流量傳感器、液位傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、液壓馬達、離心泵、操作按鈕、限位開關(guān)、電動閥、故障指示燈等組成。變量噴霧系統(tǒng)的硬件功能分布如圖2所示[8]。

圖2 變量噴霧系統(tǒng)的硬件功能分布

4 控制系統(tǒng)的運行邏輯

控制系統(tǒng)是變量噴藥合理實施的基礎(chǔ)保證，在噴霧幅寬確定的情況下，噴霧量的變化主要通過調(diào)整行駛速度、噴頭流量兩大參數(shù)來實現(xiàn)。在變量噴霧工作實施之前，工作人員應根據(jù)作物種類、病蟲害情況、作業(yè)天氣、農(nóng)藥種類等合理設計不同田間位置的噴霧需求量，并形成作業(yè)處方圖。噴霧作業(yè)時噴霧機按照處方圖的路線和噴霧量執(zhí)行噴藥作業(yè)，控制系統(tǒng)能夠根據(jù)噴桿噴霧機的行駛速度和噴頭流量計算出單位面積噴霧量，與預設方案的噴霧量進行對比后，調(diào)整噴頭位置的噴霧量，使其滿足預設方案要求。

噴霧量的控制主要從兩方面進行，一是通過控制系統(tǒng)管路中的電液比例閥，調(diào)整閥門開口的大小，從而精確控制噴頭位置的流量，并通過電液比例閥出口位置的流量傳感器監(jiān)測流量變化是否滿足系統(tǒng)要求，使流量的控制滿足閉環(huán)控制技術(shù)特征，確保流量控制的精確性；二是通過轉(zhuǎn)速傳感器監(jiān)測噴桿噴霧機的行駛速度，進而協(xié)調(diào)速度與噴頭流量之間的關(guān)系。

此外，自動控制系統(tǒng)還承擔以下控制功能：1)自動混藥功能，通過混藥電機和供水閥門、供藥閥門實現(xiàn)特定比例農(nóng)藥藥液的混合配制；2)電液控制功能，通過電控技術(shù)控制液壓系統(tǒng)，實現(xiàn)噴桿自動展開與關(guān)閉、噴桿高度自動調(diào)節(jié)，并利用傳感器技術(shù)驗證噴桿的展開情況和升起高度，確?？刂频木_性；3)內(nèi)置衛(wèi)星定位模塊，利用先進的差分定位技術(shù)實現(xiàn)高精度定位，監(jiān)測噴桿噴霧機行駛路線的合理性[9]。

5 結(jié)語

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，植保技術(shù)的合理應用十分重要，尤其在資源與環(huán)境問題成為社會關(guān)注熱點的新時代，變量噴霧技術(shù)作為精確農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用前景十分廣闊。但從我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實際來看，先進的噴霧機械占比仍不高，生產(chǎn)過程中的中小型噴桿噴霧機仍存在質(zhì)量低下、農(nóng)藥跑冒滴漏、故障頻發(fā)、噴霧質(zhì)量不合格等問題。因此，要真正提高變量噴霧技術(shù)的應用和普及程度，還應進一步提升基層噴桿噴霧機的整體應用水平，鼓勵農(nóng)民及時更新?lián)Q代農(nóng)機，保證先進的變量噴霧技術(shù)更快普及到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。