噴霧流量瞬態(tài)特性的試驗研究

程麒文 ，邱白晶

(1.日照職業(yè)技術學院 機電工程學院，山東 日照　276826； 2.江蘇大學 現代農業(yè)裝備與技術省部共建教育部/江蘇省重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

?

噴霧流量瞬態(tài)特性的試驗研究

程麒文1，邱白晶2

(1.日照職業(yè)技術學院 機電工程學院，山東 日照276826； 2.江蘇大學 現代農業(yè)裝備與技術省部共建教育部/江蘇省重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

摘要：選用SIEMENS SMART型PLC控制器和觸摸屏，實現對噴霧流量系統(tǒng)的控制和參數檢測。通過檢測噴頭的可調比、開口度-流量關系，選定了N11053型噴頭。利用設定的4個流量數值，分別在流量增大和減小的兩個過程中，測定達到穩(wěn)定值所用的時間和流量最大差值分別為1.31s和0.044 L/min。選取了0.5～2.5L/min和2.5～4.5L/min兩個流量變化范圍，對其響應性能分別進行測定，每變化0.5L/min并且達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間最多為0.6s，流量差別最大為0.049L/min。

關鍵詞：PLC；噴頭；噴霧流量；瞬態(tài)特性

0引言

隨著經濟的發(fā)展，環(huán)保已成為人類文明進步中關注的首要問題，農業(yè)信息化的發(fā)展使更多的設備代替了人力，對農作物的噴藥也由機器取代了勞動者，減少了藥物對人體的危害。但是，如果沒有根據種植面積和受損程度進行合理噴施，會因農藥的不合理使用而對周圍環(huán)境造成污染。因此，對農藥流量瞬態(tài)特性的研究成為變量噴施的關鍵問題。

國外許多學者已進行了較多的研究[1-4]，這些成果為后來的進一步發(fā)展提供了較好的基礎。為了實現噴霧量的精確控制，以單片機為核心的變量噴霧控制系統(tǒng)得到廣泛的研究[5-7]。近幾年，PLC控制器因其精度高、穩(wěn)定性好、故障率低等優(yōu)勢在自動化系統(tǒng)中得到廣泛的應用，本文主要在PLC控制下，完成對噴霧流量的瞬態(tài)特性的研究。

1系統(tǒng)設計

1.1硬件組成

本試驗中的硬件系統(tǒng)主要由控制部分、動力部分、調節(jié)部分和執(zhí)行部分組成。其中，控制部分采用S7-200 SMART型PLC控制器和SIEMENS SMART型觸摸屏，其間采用網線傳輸數據，具有響應快、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

1.2系統(tǒng)控制流程

為了不浪費農藥、減少對環(huán)境的污染，在試驗過程中主要用自來水來代替藥液。

系統(tǒng)啟動后，泵運行并將水箱中的水輸送到平衡閥，再由平衡閥調節(jié)其輸出液體的壓力后，將水再輸送到數字流量閥，由數字流量閥調節(jié)通過噴頭的輸出流量后完成噴霧。該系統(tǒng)噴頭輸出液體的流量主要靠數字流量閥開口度大小實現調節(jié)；噴頭位置安裝有流量傳感器和壓力傳感器，用于反饋實際輸出液體的流量和壓力，以此來檢測并校正輸出精度。數字流量閥開口度的大小通過步進電機的脈沖實現變化，并由PLC程序完成對步進電機的輸出控制。觸摸屏作為人機交互部分，可視化和可觸摸的界面可以很方便地完成PLC控制任務操作，并能直觀顯示反饋的輸出流量和壓力數值。其主要控制流程如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)控制流程

在觸摸屏中設定了不同的流量調節(jié)范圍，通過人工操作觸摸屏實現整個系統(tǒng)的啟動及PLC控制程序的運行。工作時，可通過選用不同的流量變化范圍，調節(jié)比例流量閥開口度完成噴頭流量的輸出；由流量傳感器和壓力傳感器將噴出液體的流量數據和壓力數據反饋到觸摸屏的顯示模塊，并在不同的時間點上保存相應的數據。具體的觸摸屏界面如圖2所示。

圖2　觸摸屏界面

系統(tǒng)中共用了4個噴頭，對不同的噴頭可選擇不同的流量變化范圍，以實現不同的輸出。其中，在程序設計中，通過調節(jié)數字流量閥開口度，使得每2s流量變化0.5L/min。

2噴頭的選用及布置

2.1數字流量閥的結構與工作原理

流量閥主要靠節(jié)流口的開口度大小改變流量，不同形式的節(jié)流口對輸出流量的損失和精度起決定性的作用。常見的節(jié)流口結構形式有針閥式、偏心槽式、三角槽式、旋轉槽式和縫隙式[8]。通過綜合比較，本系統(tǒng)選用了縫隙式型節(jié)流口閥，主要由步進電動機、滾珠絲杠、閥芯、閥套、連桿和零位移傳感器組成，如圖3所示。

1.步進電動機　2.滾珠絲杠　3.閥芯　4.閥套　5.連桿

步進電動機接收到PLC輸出點動作，即轉過△θ的角度，滾珠絲杠隨即將△θ轉換為軸向位移△x，并直接驅動閥芯開口度大小。閥套上開有2個節(jié)流口，當閥芯左移時先開啟右邊的節(jié)流口，移動一段距離后打開左節(jié)流口，此時兩節(jié)流口同時通流使得開口增大；步進電動機利用轉過的步數控制開口度，從而實現輸出流量的控制。

2.2噴頭的選用

作為噴霧系統(tǒng)執(zhí)行元件，噴頭的靈敏性和精確度直接決定整個系統(tǒng)的性能[9-10]。由于噴頭輸出的流量需要流量閥開口大小實現控制，而且流量閥開口度流量特性并非線性，存在回程誤差[11]。所以，在閥門增大和減小情況下確定開口度與噴霧流量之間的關系，可為PLC控制器提供控制依據。試驗中分別配置N11053型噴頭和N6014型噴頭，在采樣頻率為10Hz、濾波系數為1的條件下，記錄流量增大和減小過程的開口度；為消除測量誤差，重復此過程3次并取平均值，測量并記錄數據。將實際開口度除以閥門全開時的開口度，并分別在開口度增大和減小兩種情況下，得到數字流量閥開口度與噴霧流量關系曲線，如圖4所示。

圖4　調節(jié)閥開口度-流量關系曲線

由圖4分析可知：N11053配置下開口度在0～38%變化時，對應的流量調節(jié)范圍為0～5L/min達到流量飽和；N6014配置下對應的流量調節(jié)范圍為0～3.8L/min達到流量飽和。綜上分析，本試驗選用N11053型噴頭配置流量調節(jié)閥。

2.3噴頭的布置

液體流過不同結構的管道，會導致損失的能量和壓力也不相同，為了盡量降低由噴桿導致的壓力和能量損失，本文采用了圖5所示的布置樣式[12]。

圖5　噴頭的布置

3流量影響因子的理論分析

液體流過流量閥和噴頭時，由于結構和流通面積的原因，會造成壓力和流量損失，在閥芯和閥座間的能量損失H為[13]

(1)

其中，H為單位質量流體經流量閥的能量損失；g為重力加速度；p1、p2為入口、出口壓力；ρ為液體密度。

在流量閥開口度和液體密度不變的條件下，單位質量液體流經流量閥的能量損失為

(2)

其中，ξ為流量閥阻力系數；q為流量；A為面積。

由式(1)和式(2)可得流量方程式為

(3)

由式(3)可知，在A和△p/ρ不變時，流量q隨阻力系數ξ不同而變化。在測定穩(wěn)定流量時，主要考慮阻力系數對實際流量的影響。

4噴霧流量瞬態(tài)特性試驗

當噴霧流量改變時，系統(tǒng)的延時[14]和摩擦等因素將影響噴霧的均勻性，并產生脈動沖擊。因此，研究噴霧流量的瞬態(tài)特性，可以掌握流量達到穩(wěn)定值的響應特性和穩(wěn)定性。

4.1定量噴霧精度試驗

研究穩(wěn)定流量下實際噴霧量的差異，可為噴霧流量的瞬態(tài)特性奠定基礎。參照圖4的曲線，設定了0.5、2、3.5、4.5L/min 4個流量數值，用水代替農藥，按照調大和調小流量的方向分別測量10次。每設定好目標流量，待其穩(wěn)定后進行采集并取平均，得到表1所示的數據。由表1可看出：流量變化越大，達到穩(wěn)定值所需的時間越多，本試驗中最多用時1.31s；實際輸出的流量均小于設定的穩(wěn)定流量值，而且設定的穩(wěn)定流量值越大，損失的流量值也越大，說明能量損失的越多。本試驗中與理論流量值差別最大為0.044L/min。

表1　穩(wěn)定噴量誤差

4.2變量噴霧流量的瞬態(tài)特性

在定量噴霧試驗的基礎上測量噴霧動態(tài)變化的瞬態(tài)特性，選取了測量流量的范圍為：0.5～2.5L/min和2.5～4.5L/min兩個變化范圍，每個范圍分為5個流量階段，待初始值達到穩(wěn)定狀態(tài)后，分別在增大和減小的情況下進行測定瞬間流量；每0.2s記錄該點的流量值，一次試驗記錄10s，在直角坐標系內內將所測量的值用平滑曲線連接起來，并和實際值進行對比，結果如圖6所示。

由圖6可看出：該系統(tǒng)在噴霧流量增大和減小兩種情況下均未出現超調現象，流量波動也較小；當流量增大和減小變化0.5L/min時，實際達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間最多均為0.6s；隨著輸出流量的增大，實際的測量值與基準值差距增大，最大達0.049L/min，響應速度較快，可實現穩(wěn)定輸出。

圖6　不同噴霧范圍的瞬態(tài)特性曲線

5結論

在觸摸屏上設定了不同的流量調節(jié)范圍，利用PLC控制器實現對數字流量閥的開口度進行精確控制。根據流量可調范圍大小選定了相應的噴頭，對噴出液體的流量和壓力數據進行反饋，在不同的時間點測定相應的數據。

通過流量增大和減小兩個過程，對定量和變量下的響應精度分別進行測定：定量下，達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間最多為1.31s，流量差別最大為0.044L/min；變量下，變化0.5L/min并且達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間最多為0.6s，流量差別最大為0.049L/min。

參考文獻：

[1]Biller R H.Reduced input of herbicides by use of optoelectronicsensors[J].Journal of Agricultural Engineering Research, 1998,71:357- 362.

[2]Giles D K, Slaughter D C.Precision band spraying with machine-vision guidance and adjustable yaw nozzles[J].Transaction of the ASAE, 1997,40(1): 21- 36.

[3]Tian L, Reid J R, Hummel J W.Development of precision sprayer for sitespecific weed management[J].Transaction of ASAE, 1999, 42(4):893-900.

[4]Lee W S, Slaughteer D C, Giles D K .Robotic weed control system for tomatoes[J].Precision Agriculture, 1999(1): 95-113.

[5]陳勇,鄭加強.精確施霧可變量噴霧控制系統(tǒng)的研究[J].農業(yè)工程學報, 2005,21(5):69-72.

[6]王錦江,陳志.基于AT86C51單片機的變量施霧控制系統(tǒng)研究[J].農機化研究, 2007(11):147-149.

[7]王俊紅,傅澤田.基于AT89C52單片機的變量噴霧控制器設計[J].微計算機信息, 2006,22(8):8-10.

[8]牟志華,張海軍.液壓與氣動技術[M].北京：中國鐵道出版社，2010.

[9]楊希娃,周繼中.噴頭類型對霧液沉積和麥芽防效的影響[J].農業(yè)工程學報, 2012,28(7):46-50.

[10]陸軍,李萍萍.3種噴頭霧滴輸運沉積參數的試驗與分析[J].農業(yè)機械學報, 2009,40(10):53-57.

[11]張新聞.氣動薄膜調節(jié)閥工作特性對調節(jié)系統(tǒng)的影響[J].電力建設,2003,24(7):48-50.

[12]沈成杰,邱白晶.基于電動比例調節(jié)閥的變量施藥裝置[J].農機化研究,2010,32(2):91-93.

[13]傅德熏,馬延文.計算流體力學[M].北京：高等教育出版社,2003.

[14]P D Ayers, E A.Anglund 2000.Field evaluation of a variable rate liquid chemical applicator[C]//2000 ASAE Annual International Meeting,2000.

Abstract ID:1003-188X(2016)01-0192-EA

Experimental Study on the Instant State Features of the Spraying-rate

Cheng Qiwen1, Qiu Baijing2

(1．Mechanical and Electrical Engineering College，Rizhao Polytechnic College，Rizhao 276826，China；2．Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology，Ministry of Education & Jiangsu Province，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China)

Abstract：Selected the PLC controller and the touch screen of the SIMENS SMART, to detect the parameters and control the spraying-rate system. To test the adjustable ratio and the opening degree with flowing rate of the nozzles, selected the N11053. To use the four flowing-rate which have set. With the increasing and the decreasing for the flowing rate, tested the biggest response capability of the quantitative and the variable is 1.31s and 0.044 L/min. During the 0.5L/min to 2.5L/min and the 2.5L/min to the 4.5L/min,tested the response capability. When the flowing rate was changed for 0.5L/min, the largest time was needed is 0.6s when reached the stable status. The biggest difference is 0.049L/min. All of this can meet that we need.

Key words：PLC; nozzles; spraying rate; the instant state features

文章編號：1003-188X(2016)01-0192-04

中圖分類號：S49

文獻標識碼：A

作者簡介：程麒文(1981-)，男，山東日照人，講師，碩士，(E-mail)chengqi7243@163.com。

基金項目：國家公益性行業(yè)(農業(yè))科研專項(201203025-04)；江蘇省高校自然科學研究重大項目(10KJA47007)

收稿日期：2014-12-17