基于藥液電導(dǎo)率特性的植保機(jī)械在線混藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)噴霧機(jī)械普遍采用人工預(yù)混藥方式，對(duì)作業(yè)人員危害大、配比誤差大、農(nóng)藥浪費(fèi)等問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于藥液電導(dǎo)率特性的在線混藥系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)即混即施和混藥比的精準(zhǔn)控制。選用草甘膦農(nóng)藥為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)標(biāo)定試驗(yàn)獲取草甘膦混藥比與電導(dǎo)率值之間的關(guān)系；選用可編程邏輯控制器（LK3 U-14）為控制單元，設(shè)計(jì)藥液濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明：草甘膦溶液混藥比和電導(dǎo)率呈線性比例關(guān)系，決定系數(shù)為0.998 5；系統(tǒng)混藥比相對(duì)誤差在±5%區(qū)間，混藥比時(shí)間變異系數(shù)lt;5%，滿足噴霧作業(yè)要求。

關(guān)鍵詞：植保機(jī)械；在線混藥；電導(dǎo)率；混藥比

中圖分類號(hào)：S237; S49" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " 文章編號(hào)：2095?5553 （2024） 10?0082?05

Design and test of online mixing pesticide system of sprayer based on conductivity characteristics of pesticide

Yu Pengpeng1， 2， 3， Zhang Wenya1， 3， Han Zhijie1， 3， Dong Xiang1， 3， Cheng Junhui2， Jia Weidong1， 3

（1. School of Agricultural Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang， 212013， China; 2. Anhui Undergrowth Crop Intelligent Equipment Engineering Research Center， Lu'an， 237012， China; 3. High?tech Key Laboratory of Agricultural Equipment and Intelligence of Jiangsu Province， Jiangsu University， Zhenjiang， 212013， China）

Abstract： In view of the widespread use of manual pre?mixing method in traditional spraying machinery， which is harmful to operators， has large mixing ratio errors and wastes pesticides， an online mixing pesticide system based on the conductivity characteristics of the pesticide is designed to realize accurate control of real?time mixing and" application and mixing ratio. In this paper， glyphosate pesticide was selected as the test object， and the calibration test was conducted to obtain the relationship between the mixing ratio of glyphosate and the conductivity value. A programmable logic controller （LK3U-14） was chosen as the control unit， and an electrical monitoring system and electrical control system of liquid drug concentration were designed. The test results show that the mixing ratio of glyphosate solution and conductivity are linearly proportional to each other， with a coefficient of determination of 0.998 5. The relative error of the system's mixing ratio is within the ±5% range， and the time variation coefficient of the mixing ratio is less than 5% ， which meets the requirements of spraying operation.

Keywords： sprayer; online mixing pesticide; conductivity; mixing ratio

0 引言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)病蟲(chóng)草害防治是作物穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的重要保證[1]。農(nóng)藥作為一種有毒性的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料被廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之中[2]。傳統(tǒng)施藥方式采用人工預(yù)混藥，作業(yè)人員與藥液直接接觸，對(duì)人體危害較大[3， 4]，同時(shí)存在多配、配比誤差較大、環(huán)境污染嚴(yán)重等問(wèn)題[5]。

在線混藥技術(shù)能夠?qū)λ?、藥進(jìn)行實(shí)時(shí)混合，通過(guò)監(jiān)測(cè)控制單元調(diào)節(jié)混藥比，實(shí)現(xiàn)藥液濃度的精準(zhǔn)控制[6]。其具有優(yōu)點(diǎn)：（1）減少人體與藥液的接觸，降低農(nóng)藥中毒風(fēng)險(xiǎn)[7]；（2）避免農(nóng)藥過(guò)量混合、傾倒對(duì)環(huán)境所造成的危害；（3）減小藥箱容量，減輕農(nóng)戶清洗藥箱工作量，降低農(nóng)藥誤施對(duì)作物的損害；（4）推動(dòng)大型、智能植保裝備發(fā)展[8]。鑒于此，在線混藥技術(shù)已成為眾多學(xué)者研究和探討的熱點(diǎn)。

Chen等[9]研究了基于農(nóng)藥透光性的農(nóng)藥混合比檢測(cè)方法，搭建了具有混合比反饋功能的在線農(nóng)藥混合裝置。Jiang等[10]設(shè)計(jì)了一種用于變量噴霧和幅寬控制的注入式在線混藥控制系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)誤差小于5%。Zhang等[11]開(kāi)發(fā)了一種基于Arduino的注入式在線混藥系統(tǒng)，混藥最大相對(duì)誤差和變異系數(shù)分別為7.6%和4.5%。Anuradha等[12]設(shè)計(jì)了一種基于PLC的自動(dòng)混藥系統(tǒng)。Sun等[13]優(yōu)化設(shè)計(jì)了用于管道噴霧的在線混藥裝置結(jié)構(gòu)。賈衛(wèi)東等[14]利用藥液光透特性設(shè)計(jì)在線混藥系統(tǒng)，混藥相對(duì)誤差小于5.3%，但由于光透特性受藥液氣泡、顏色等影響，在農(nóng)業(yè)應(yīng)用上存在局限。

混合溶液電導(dǎo)率參數(shù)包含溶液濃度信息，常被用于各類化學(xué)物質(zhì)濃度檢測(cè)，具有準(zhǔn)確性高、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。本文利用藥液電導(dǎo)率特性設(shè)計(jì)一種具備藥液濃度設(shè)定、監(jiān)測(cè)與控制等功能的在線混藥系統(tǒng)，選用草甘膦為試驗(yàn)對(duì)象，實(shí)現(xiàn)藥液混藥比精準(zhǔn)控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

混藥系統(tǒng)整體架構(gòu)包含水藥輸送系統(tǒng)、水藥混合系統(tǒng)、電氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，電氣控制系統(tǒng)和霧化系統(tǒng)。整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

水藥輸送系統(tǒng)由水路系統(tǒng)和藥路系統(tǒng)兩部分組成。水路系統(tǒng)為整體系統(tǒng)中水的輸送系統(tǒng)，提供混藥所需的水；藥路系統(tǒng)為整體系統(tǒng)中農(nóng)藥的運(yùn)輸系統(tǒng)，提供混藥所需的藥液。電氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由電導(dǎo)率傳感器、流量傳感器和壓力傳感器共同構(gòu)成。電導(dǎo)率傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)混合后溶液電導(dǎo)率值，通過(guò)電信號(hào)將溶液電導(dǎo)率信息傳送至PLC控制單元，并轉(zhuǎn)換輸出濃度信息；流量傳感器實(shí)時(shí)獲取系統(tǒng)流量信息，傳輸至PLC控制單元；壓力傳感器用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)壓力值；通過(guò)人機(jī)交互界面可直接獲取系統(tǒng)濃度、壓力、流量等信息。霧化系統(tǒng)采用內(nèi)嵌式雙平板扇形靜電霧化噴頭。

工作過(guò)程中，電氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)草甘膦溶液參數(shù)進(jìn)行采集并傳輸至PLC控制單元。PLC控制單元基于草甘膦藥液混藥比—電導(dǎo)率標(biāo)準(zhǔn)工作曲線對(duì)電氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的草甘膦溶液參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，得到草甘膦藥液混藥比，并通過(guò)PID控制方法調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵工作參數(shù)，實(shí)時(shí)控制草甘膦原液注入量。水和藥液在水藥混合系統(tǒng)進(jìn)行充分混合后從霧化系統(tǒng)噴出。在線混藥系統(tǒng)實(shí)物模型如圖2所示，關(guān)鍵部件選型如表1所示。

2 草甘膦混藥比標(biāo)定試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料及儀器

本文選用山東某公司30%水劑的草甘膦為試驗(yàn)農(nóng)藥。電導(dǎo)率變送器選用上海某公司的RMD-ISEP10型電導(dǎo)率變送器該變送器，其準(zhǔn)確度≤±3%，分辨率為0.01 μS/cm。PLC選用國(guó)產(chǎn)領(lǐng)控LK3U-14型。人機(jī)交互界面選用某公司MT6103iP型人機(jī)交互界面。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)工作曲線建立與分析

根據(jù)草甘膦農(nóng)藥使用方法，有效成分為30%的草甘膦水劑，實(shí)際應(yīng)用中混藥比為1.3∶100～2.0∶100。本文配制混藥比為0.5∶100～5.0∶100溶液，測(cè)量不同混藥比下溶液電導(dǎo)率值，每個(gè)樣品測(cè)量10次，取平均值。試驗(yàn)結(jié)果，如表2所示，電導(dǎo)率數(shù)據(jù)變異系數(shù)低于1.19%，滿足數(shù)據(jù)分析要求[15]。

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，得到草甘膦混藥比和電導(dǎo)率值關(guān)系曲線，如圖3所示。決定系數(shù)為0.998 5，擬合度好。

與其他藥液濃度檢測(cè)模型相比[16]，本文構(gòu)建的模型簡(jiǎn)單。測(cè)試結(jié)果表明，利用電導(dǎo)率特性可對(duì)草甘膦溶液混藥比進(jìn)行檢測(cè)。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)工作曲線誤差分析試驗(yàn)

為驗(yàn)證擬合后標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)誤差分析試驗(yàn)。配制1.3∶100、1.8∶100、2.3∶100混藥比的草甘膦溶液，測(cè)量三種溶液對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)率值，每個(gè)樣品測(cè)量10次，取平均值。依據(jù)混藥比和電導(dǎo)率值關(guān)系計(jì)算所得混藥比，并與實(shí)際混藥比進(jìn)行比較。誤差分析結(jié)果如表3所示。

由表3可得，依據(jù)電導(dǎo)率值計(jì)算得到的混藥比，變異系數(shù)在4.1%以內(nèi)，說(shuō)明溶液已混合均勻[17]；混藥比相對(duì)誤差在±5%區(qū)間，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)混藥比檢測(cè)的誤差要求[18]。

3 在線混藥系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

在線混藥系統(tǒng)程序依托GX Works2軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用梯形圖語(yǔ)言和模塊化設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)初始化、執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制、草甘膦溶液參數(shù)檢測(cè)與處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。PLC控制單元實(shí)時(shí)獲取混合后藥液電導(dǎo)率值，基于草甘膦藥液混藥比—電導(dǎo)率標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，計(jì)算藥液混藥比，并通過(guò)PID算法實(shí)現(xiàn)混藥系統(tǒng)混藥比的精準(zhǔn)控制。PLC通過(guò)RS232通訊方式將系統(tǒng)工況傳輸至人機(jī)交互界面。

在線混藥系統(tǒng)采用PID閉環(huán)控制，控制原理如圖4所示。軟件系統(tǒng)工作流程：（1）在線混藥系統(tǒng)通過(guò)電導(dǎo)率變送器實(shí)時(shí)采集草甘膦溶液電導(dǎo)率值，由草甘膦藥液混藥比—電導(dǎo)率標(biāo)準(zhǔn)工作曲線得到實(shí)時(shí)的草甘膦藥液混藥比；（2）PLC根據(jù)用戶設(shè)定的混藥比和實(shí)時(shí)的藥液混藥比，以及設(shè)定的草甘膦溶液PID參數(shù)（比例增益、積分時(shí)間、微分時(shí)間），計(jì)算得到蠕動(dòng)泵控制參數(shù)，并輸出對(duì)應(yīng)電信號(hào)；（3）蠕動(dòng)泵根據(jù)PLC輸出信號(hào)，調(diào)整工作參數(shù)，調(diào)整草甘膦注入量。藥液與水在射流器和靜態(tài)混合器中充分混合；（4）在線混藥系統(tǒng)循環(huán)重復(fù)步驟（1）～步驟（3），實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

系統(tǒng)工作過(guò)程中，藥液通過(guò)靜電噴頭霧化，并噴施在作物植株上。

3.2 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

本文人機(jī)交互界面依托Easy Bulid Pro軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。該人機(jī)交互界面主要由3個(gè)部分組成，即手動(dòng)控制界面、自動(dòng)控制界面、檢測(cè)界面。PLC與人機(jī)交互界面之間通過(guò)RS232串口進(jìn)行通訊，并顯示系統(tǒng)參數(shù)和工況。該在線混藥系統(tǒng)的人機(jī)交互界面如圖5所示。

4 在線混藥系統(tǒng)混藥比穩(wěn)定性試驗(yàn)

4.1 檢測(cè)指標(biāo)

為評(píng)估在線混藥系統(tǒng)穩(wěn)定性，引入“時(shí)間變異系數(shù)”，其指同一噴頭處不同時(shí)間段內(nèi)藥液混藥比差異度。時(shí)間變異系數(shù)計(jì)算如式（1）所示。

[CV1=S1X1] （1）

式中： [S1]——時(shí)間段內(nèi)藥液混藥比標(biāo)準(zhǔn)差；

[X1]——時(shí)間段內(nèi)藥液混藥比平均值。

4.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)設(shè)定噴霧壓力（200 kPa、300 kPa、400 kPa）和混藥比（草甘膦：1.3∶100、1.5∶100、1.7∶100）。試驗(yàn)根據(jù)不同混藥比和不同壓力，分3組，共9個(gè)試驗(yàn)。在噴頭下放10個(gè)500 mL的燒杯，編號(hào)依次為1～10；在線混藥系統(tǒng)穩(wěn)定后開(kāi)始采樣，每持續(xù)10 s用燒杯取樣一次，每個(gè)試驗(yàn)取樣10次。用電導(dǎo)率傳感器檢測(cè)各燒杯藥液電導(dǎo)率值，并記錄。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在線混藥系統(tǒng)混藥比穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

由表4可以看出，同一混藥比下，隨著壓力增大，混藥比誤差增加、時(shí)間變異系數(shù)增大，與邱白晶等人研究結(jié)果一致[19]。因?yàn)樵龃蠊艿缐毫?，?huì)加劇管道振動(dòng)，造成射流器兩端壓力差不穩(wěn)，藥液注入量產(chǎn)生變化，最終導(dǎo)致混藥誤差及時(shí)間變異系數(shù)增大。本文混藥比時(shí)間變異系數(shù)在5%之內(nèi)，滿足噴霧作業(yè)要求。

5 結(jié)論

1） 設(shè)計(jì)的基于藥液電導(dǎo)率特性的在線混藥系統(tǒng)具備即混即施和混藥比精準(zhǔn)控制功能。選用草甘膦農(nóng)藥為試驗(yàn)對(duì)象，草甘膦溶液混藥比和其電導(dǎo)率值之間呈良好的線性關(guān)系，決定系數(shù)為0.998 5；混藥比相對(duì)誤差在±5%區(qū)間，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)混藥誤差的要求。

2） 在線混藥系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)設(shè)定草甘膦混藥比為1.3∶100～1.7∶100，設(shè)定壓力為200～400 kPa時(shí)，混藥比時(shí)間變異系數(shù)在5%之內(nèi)；且當(dāng)壓力相同時(shí)，設(shè)定的草甘膦混藥比越大，混藥比時(shí)間變異系數(shù)越小，混藥系統(tǒng)越穩(wěn)定。

參 考 文 獻(xiàn)

[ 1 ] 馮耀寧， 裴亮， 陳曉， 等. 變量施藥關(guān)鍵技術(shù)綜述[J]. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)， 2021， 42（12）： 65-71.

Feng Yaoning， Pei Liang， Chen Xiao， et al. Summary of the key technology of variable rate application [J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2021， 42（12）： 65-71.

[ 2 ] Aktar W， Sengupta D， Chowdhury A， et al. Impact of pesticides use in agriculture： Their benefits and hazards [J]. Interdisciplinary Toxicology， 2009， 2（1）： 1.

[ 3 ] 王果， 張曉， 陳曉， 等. 農(nóng)藥精準(zhǔn)施用技術(shù)與裝備研究現(xiàn)狀及展望[J]. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)， 2023， 44（6）： 68-73.

Wang Guo， Zhang Xiao， Chen Xiao， et al. Current research status and prospects of precision pesticide application technology and device [J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2023， 44（6）： 68-73.

[ 4 ] Tudi M， Li Hairong， Li Hongying， et al. Exposure routes and health risks associated with pesticide application [J]. Toxics， 2022， 10（6）： 335.

[ 5 ] 江星彤. 智能在線混藥控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 沈陽(yáng)： 東北大學(xué)， 2020.

[ 6 ] 李嵩. 施藥機(jī)在線混藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[D]. 鎮(zhèn)江： 江蘇大學(xué)， 2021.

[ 7 ] Du Yansheng， Li Chengzhen， Chen Zhigang， et al. Design and experiment of online pesticide mixing system based on PWM [C]. 4th International Conference on Renewable Energy and Environmental Technology（ICREET 2016）. Atlantis Press， 2017： 270-274.

[ 8 ] 毛偉. 基于BP-PID控制的雙級(jí)射流在線混藥系統(tǒng)研究[D]. 鎮(zhèn)江： 江蘇大學(xué)， 2022.

[ 9 ] Chen H X， Chen Z G， Zhao X， et al. Study on online mixing pesticide technology and automatic control and detection of concentration [J]. Advanced Materials Research， 2014， 838： 2019-2024.

[10] Jiang X， Wang Z， Bai X， et al. Design and experiment of injection-type intelligent online mixing pesticide control system [C]. 2019 IEEE 2nd International Conference on Automation， Electronics and Electrical Engineering （AUTEEE）. IEEE， 2019： 379-384.

[11] Zhang Zhihong， Zhu Heping， Guler Huseyin， et al. Developing of premixing inline injection system for agricultural sprayers based on arduino and its performance evaluation [C]. 2018 ASABE Annual International Meeting. American Society of Agricultural and Biological Engineers， 2018： 1.

[12] Anuradha T， Ramya K， Selvam R， et al. Design and implementation of solar powered automatic pesticide sprayer for agriculture [C]. Journal of Physics： Conference Series. IOP Publishing， 2019， 1362（1）： 012048.

[13] Sun Daozong， Liu Weikang， Li Zhi， et al. Numerical experiment and optimized design of pipeline spraying on?line pesticide mixing apparatus based on CFD orthogonal experiment [J]. Agronomy， 2022， 12（5）： 1059.

[14] 賈衛(wèi)東， 陳志剛， 趙鑫， 等. 基于農(nóng)藥光透性的混藥比反饋在線混藥裝置[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2013， 44（8）： 90-93， 164.

[15] Brown C E. Coefficient of variation [M]. Berlin， Heidelberg： Springer Berlin Heidelberg， 1998： 155-157.

[16] Soltani Nazarloo A， Rasooli Sharabiani V， Abbaspour Gilandeh Y， et al. Feasibility of using VIS/NIR spectroscopy and multivariate analysis for pesticide residue detection in tomatoes [J]. Processes， 2021， 9（2）： 196.

[17] Shi Yixin， Xiang Siliang， Xu Minzi， et al. Design and experimental study of ball-head cone-tail injection mixer based on computational fluid dynamics [J]. Agriculture， 2023， 13（7）： 1377.

[18] GB/T 20183. 2-2006， 植物保護(hù)機(jī)械 噴霧設(shè)備 第2部分： 液力噴霧機(jī)試驗(yàn)方法[S].

[19] 邱白晶， 賈方聞， 鄧斌， 等. 混藥質(zhì)量濃度在線檢測(cè)裝置[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2014， 45（2）： 99-104.