基于PLC的噴桿噴霧機變量噴霧自動控制系統設計

裴　亮，李　曄，馮耀寧，張　曉，陳　曉，繆友誼

(農業部南京農業機械化研究所，南京　210014)

0　引言

噴桿噴霧機作為大田作物高效噴灑農藥的農具，廣泛應用于棉花、玉米、大豆和小麥等作物生長的病蟲害防治。近幾年來，噴桿噴霧機特別是自走式噴桿噴霧機，由于其高效的田間性能、良好的田間作業質量得到了廣大用戶的歡迎。然而，目前的自走式噴桿噴霧機的發展仍處于起步階段，自動化程度低、噴霧系統落后及噴灑不均導致的農藥浪費和環境污染問題仍然很嚴重。

目前，噴桿噴霧機噴灑不均的主要原因主要有以下幾點：①噴頭的選擇不正確；②噴頭的噴霧量不一致；③噴頭的安裝角度不正確；④噴灑機具行駛速度不均。特別是行駛速度不均這一點，現有機具解決起來比較困難。因此，設計一套自動化和智能化程度較高、噴霧理念比較先進噴霧自動控制系統，以解決行駛速度不均導致的噴灑不均是十分必要的。

針對精準噴霧的要求，本文提出了一種變量噴霧的控制系統的設計方案：采用西門子S7-200 PLC及TP270觸摸屏對整個系統進行數據處理及程序控制，將噴霧量與自走式噴桿噴霧機的行駛速度相關聯，依據行駛速度的變化系統自動調整噴頭噴霧量，從而使得無論在何種作業速度下單位施藥面積的施藥量均能保持一致。各主要部件位置關系如圖1所示。

A.觸摸屏　B.可編程控制器(PLC)　C.液壓電磁閥　D.電控節閥 E電控比例控制閥　F.流量傳感器　G.主閥H.轉速傳感器　I.離心泵　J.過濾器　K.噴桿　L.壓力傳感器圖1　噴桿噴霧機變量噴霧系統部件位置關系圖

1　總體設計

變量噴霧的控制思想來自以下公式，即

式中M—每公頃的施藥量(L/hm2)；

K—整個噴霧系統噴頭總流量(L/min)；

A—噴桿噴幅(m)；

V—自走式噴桿噴霧機的行駛速度(km/h)。

從上述公式可以看出：在噴桿噴幅確定的情況下，可以通過控制自走式噴桿噴霧機的行駛速度和整個噴桿系統的噴頭總流量來達到控制施藥量的目的。

該控制系統自動控制過程自上而下是這樣的：在初始條件下，操作人員根據作物種類、病蟲害狀況、作業季節及施藥種類計算每公頃的施藥量，并在系統內部設置此值；操作人員測量自走式噴桿噴霧機噴幅，并在系統內部輸入噴幅值。

在噴灑作業中，系統會根據自走式噴桿噴霧機的行駛速度、公式自主計算噴霧系統所需的總流量；整個系統管路中集成有電控比例閥，能夠根據電信號的大小轉換成閥口開度的大小和根據系統給定的流量數值轉換成電壓信號，再根據電壓信號轉換成閥口相應的開度，從而精確控制通向噴頭的流量。

為了更精確地控制通向噴頭的流量，系統在電控比例控制閥的出口安裝有流量傳感器，從而將系統的流量控制由開環控制轉化為閉環控制，提高了控制的精準性和可靠性。

為了檢測自走式噴桿噴霧機的行駛速度，在車輪緊固螺絲處安裝有轉速傳感器，系統將轉速傳感器采集的角速度數據通過計算后轉換為車輪的線速度。

由于本文中采用通過調節回水流量的方式來調節噴頭流量和系統壓力，因此系統所采用的容積泵必須有比較大的出水流量。據試驗測算，要達到此控制

要求，容積泵的最大出水流量要達到整個系統噴頭總流量的兩倍以上。本文所采用的容積泵為離心泵，離心泵結構緊湊、流量范圍寬、適用于輕度腐蝕性液體、控制方式多樣、流量均勻、運轉穩定且振動小。雖然工作壓力比較低，大多數在0.5MPa以下，但正好符合噴桿噴霧機低工作壓力高流量的要求。

系統還可動態顯示并設定各種參數，如系統壓力、流量、藥液箱液位、行駛速度以及故障信息等。

對于大型的噴桿噴霧機的噴桿展開方式，人工展開折疊工作量大，系統為了提高自動化水平設計了液壓缸作為噴桿展開折疊以及升降的執行機構,采用液壓電磁閥來控制液壓油的流向和通斷，通過PLC的信號輸出來控制液壓電磁閥的通斷及換向。

2　主要結構設計

2.1系統硬件選擇

變量噴霧自動控制系統的電氣部分分為3層：

1)第1層為集中控制層(上位機)。上位機選用西門子TP270，利用組態王軟件開發出一套變量噴霧自動控制系統的控制程序，作為實時監控和發出指令的中樞，通過Profibus-DP總線傳給下位機(PLC),并從下位機接收指令。

2)第2層為現場控制層(下位機)。考慮到現場有近16個數字量輸入點、9個數字量輸出點、3路模擬量輸入及1路模擬量輸出，下位機采用西門子S7-200CPU224作為控制核心，擴展一個數字量擴展模塊EM223和一個模擬量控制模塊EM235?？刂朴布韴D如圖2所示。

圖2　控制硬件原理圖

3)第3層為現場傳感器、執行器和限位開關等。傳感器主要由流量傳感器、壓力傳感器、液位傳感器、轉速傳感器和操作按鈕等組成；執行器主要由液壓馬達、離心泵、各路液壓電磁閥及控制各路液體的電動閥等組成；限位開關主要用來輸入各段噴桿的就位信號，如升降是否到位及噴桿展開是否到位等。

2.2I/O點分配

變量噴霧自動控制系統I/O點分配如表1所示。

表1　PLC的I/O分配表

2.3系統軟件的設計

2.3.1軟件設計思想

變量噴霧自動控制系統有3種工作模式，即手動控制、半自動控制和自動控制模式。手動控制模式直接控制各個電動閥門動作和離心泵的起停。該模式下，操作人員可以手動調節每一個閥門的開度，從而調節系統的工作壓力、流量，以滿足不同的工作環境需要。半自動控制模式按照控制要求單步操作，操作人員可以在控制程序下分別檢查各子程序的工作情況，如噴桿升降、噴桿展開折疊是否到位，以及噴頭流量與設計是否一致等。自動控制模式用于平時的正常生產，按照噴霧作業的要求在一定的時序下順序進行。該模式下，操作人員除了正常操作機器行駛外，其余部分都由程序控制進行。如果自動控制出現問題，可以轉到半自動模式進行。

2.3.2系統軟件設計

變量噴霧自動控制系統主程序流程如圖3所示。

圖3　主程序流程圖

變量噴霧自動控制的子程序包括自動控制子程序、半自動控制子程序、手動控制子程序、故障處理子程序、噴桿展開折疊子程序、噴桿升降子程序及流量控制子程序等。由于篇幅限制，本文只對自動控制子程序作簡要說明，其流程如圖4所示。

圖4　自動控制子程序流程圖

3　試驗驗證

3.1試驗條件

性能試驗在位于臨沂市河東區的某植保機械生

產企業質檢車間進行。該車間擁有1臺機具行走試驗臺，該試驗臺可將車輪置于輥子上，通過車輪帶動輥子轉動，模擬車輛在平地上行走。試驗臺上有速度顯示儀，用于顯示機具的行駛速度。

3.2試驗方法

系統選定施藥量為195L/hm2,選用ST110-015型號噴頭，分別在機具速度為5、6、7km/h，噴霧壓力為0.3MPa下，測量噴頭實際噴霧量，噴頭實際噴霧量與設定噴霧量的誤差在5%以內為設計有效。本次試驗的機具噴霧為11m，每次測試時間3min，噴頭個數為22個。

3.3試驗結果分析

由表2、表3中可以看出：隨著機具行駛速度的增加，無論是單個噴頭的噴量還是整個系統的噴量，都有所增加。這是因為在公式中在每公頃施藥量不變的情況下，系統單位時間的施藥量與機具的行駛速度成正比，根據公式計算的每公頃實際施藥量大致相同。由于輪胎與試驗臺棍子之間有打滑現象的發生，試驗臺顯示的速度與機具的實際速度并不完全一致，導致施藥量存在一定的誤差，然而誤差基本保持在5%的范圍內，這也驗證了整個系統基本達到了預期的效果。

表2　變量噴霧自動控制系統試驗結果

表3　變量噴霧自動控制系統試驗結果(續)

4　結論

以S7-200 PLC為核心的變量噴霧自動控制系統，實現了對流量、壓力的自動控制，實現了以總施藥量為控制目標的噴霧系統變量控制，實現了對藥箱液位、工作流量、速度的實時監控，

實現了對噴桿展開、折疊及升降的自動操作，減輕了勞動強度，提高了工作精度和噴灑質量，提高了勞動生產率。

參考文獻：

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ID:1003-188X(2018)04-0129-EA