多回流式變量噴藥控制系統設計與試驗

王相友 胡周勛 李學強 李少川 蓋金星 王法明

(1.山東理工大學農業工程與食品科學學院， 淄博 255000； 2.山東希成農業機械科技有限公司， 德州 253600)

0 引言

農作物病蟲草害的防治是農業生產中的重要環節，在我國的農業生產過程中，農藥仍然是防治病蟲草害的主要手段[1-2]。噴藥質量的優劣將影響農作物的產量，噴藥質量是保證其良好收成的基礎。據有關資料顯示，農藥的使用可使全世界每年挽回20%～25%的農產品產量[3-4]。但我國噴藥機械發展落后和不科學的施藥方式造成農藥利用率低、農產品農藥殘留超標、環境污染等問題[5-7]，成為制約農藥使用的“瓶頸”。

目前，精準施藥技術越來越被重視。美國、歐洲和日本等在精準施藥上做了大量研究[8-13]，且在噴藥機械和噴藥技術上已取得重大突破，基本滿足了精準施藥的要求。而國內隨著政府對農業機械投入補貼的加大，噴藥機械有了重大進步，大型噴藥機械正在進入普及階段。但是，目前國內大型噴桿式噴藥機噴藥系統控制方式單一，多為手動調節，自動化程度低[14]，噴藥量無法根據行駛速度自動調整，農藥利用率低、作業效率低以及環境污染等問題仍未徹底解決。目前，國內主要通過改變噴藥量實現變量噴藥，實現的方法主要有: 藥液注入式、壓力式和脈寬調制(PWM)式等[15-20]。其中，脈寬調制式是通過調節脈沖的占空比，來調節電磁閥的開和關，進而實現噴頭噴藥量的變化，達到變量噴霧的目的，該控制方式一個噴頭需對應一個電磁閥，但是其大型噴藥機幅寬都在12 m以上，最寬可達42 m[21-22]，其噴頭數量在24個以上，其成本較高，不適用于大型噴藥機。

綜上所述，為了提高農藥利用率和作業效率，解決農產品農藥殘留超標和環境污染等問題，本文在結合現有研究成果基礎上，基于噴藥幅寬22 m的噴桿式噴藥機設計一種多回流式變量噴藥控制系統。

1 控制系統結構設計

1.1 總體結構設計

變量噴藥系統是在山東希成農業機械科技有限公司生產的3WP-1200型噴桿式噴藥機基礎上進行設計的，原噴藥系統控制裝置的主閥、比例控制閥和每一路的開關控制閥都是手動控制，在噴藥時不能自動調節。因此，該噴藥系統控制方式單一，噴藥量無法根據噴藥機行駛速度實時調整，在實際噴藥中行駛速度必須盡量保持一致，否則容易造成霧滴分布不均勻的現象[23]。

通過對原噴藥系統的研究，結合現有變量噴藥技術，設計了一種多回流式變量噴藥系統,該系統主要由比例控制閥、安全閥、主閥和5路開關控制閥等構成，其控制系統結構示意圖如圖1所示。

圖1 控制系統結構示意圖Fig.1 Schematic of control system structure

1.2 控制原理

該變量控制系統工作原理為：噴藥前將拖拉機后輸出軸與噴藥機隔膜泵連接，通過觸摸屏輸入相應的噴頭數量、噴藥量等參數，其中，噴頭間隔一般為500 mm，結合噴頭數量便可得噴藥幅寬。開始噴藥作業時，同時啟動噴藥控制系統和拖拉機后輸出軸轉動。系統通過檢測拖拉機行駛速度，并結合用戶設定的噴頭數量和每公頃噴藥量得出理論流量，通過與系統檢測到的實際流量相比較，采用PID閉環控制算法對比例調節閥的開度進行調節，通過控制回路流量來改變主路的流量，使測得的實際流量與理論流量盡量一致，從而改變噴藥量。

圖1所示控制系統中，速度傳感器的另一作用是：當拖拉機行走速度超過設定值(2～3 km/h)時，才開始噴藥，以保證在地頭轉彎時不噴藥。安全閥的作用是：當水管中壓力由于某種原因超過安全閥設定值時，安全閥將排出多余的藥液，使壓力不超過該設定值，防止水管爆裂。因此，噴藥前需手動調整壓力，且其壓力應大于噴藥時的壓力，一般設定在500～600 kPa之間。主閥是由PLC處理器控制的，且該主閥與安全閥為一體，當主閥打開時，穿過安全閥內部的主閥閥芯會將噴藥主路口堵住，以及安全閥內部一回流口打開，此時藥液全部回流到藥箱，噴藥停止；當主閥關閉時，噴藥主路口打開，安全閥內部該回流口關閉，此時安全閥起安全保壓作用。因此，可由PLC控制主閥開與關來控制是否噴藥。5路開關控制閥可控制每一路的開與關，每一路控制若干個噴頭，而該噴藥機噴桿上安裝有44個噴頭，其5路從一側到另一側分別控制有9、9、8、9和9個噴頭；當5路開關控制閥打開時，與之對應的所有回流口關閉；當某一路開關控制閥關閉時，該路對應的回流口開啟；在速度不變情況下，為了保證某一路或幾路開關控制閥關閉后，管內的壓力不變，即噴藥量不變，需在噴藥前手動調節開關控制閥上的旋鈕調節回流口大小。該調節方式的優點是：在速度不變情況下，不管關閉幾路控制閥，其他噴頭施藥量不變，多余的藥液會從對應的回流口回到藥箱，無需調節比例控制閥，控制精度更高，且分5路控制，可實現噴藥機某一路或幾路所有噴頭下無作物(地塊邊界)或不需噴藥時停止噴藥。液位傳感器安裝于藥箱上端以檢測液位，即藥液深度；當液位低于設定值，進行報警提示，并在觸摸屏上實時顯示液位與藥液剩余量。另外，該控制系統中增設多重過濾器，使噴嘴不易堵塞，霧化效果好。

2 控制系統硬件設計

變量噴藥控制系統是以PLC為控制核心設計的，主要由控制器、檢測傳感器、觸摸屏、比例控制閥、開關量控制閥、主閥和報警模塊等構成，其硬件結構如圖2所示。系統通過對流量、速度和壓力等信息進行檢測，傳遞給控制器進行運算處理，發送指令并控制相應閥動作，實現控制要求。

圖2 控制系統硬件結構簡圖Fig.2 Schematic of control system hardware structure

2.1 控制器選型

該控制系統控制器選用西門子S7-200PLC，CPU型號224CN，共有24個I/O 點，集成了14個輸入點和10個輸出點；最多可連接7個擴展模塊，最大擴展至168個數字量I/O 點或35個模擬量I/O 點，且配有PID控制器。該PLC具有工作穩定性強、處理信息能力強、運算速度快和低能耗等優點，完全滿足控制系統的要求。

2.2 轉換模塊選擇

控制系統中壓力和液位傳感器輸出電壓或電流信號，均為模擬信號，需先將其轉換為數字量，再傳輸到PLC進行運算處理。比例控制閥是電流信號控制，系統需先將數字量控制信號轉換為模擬量控制信號。因此，本系統采用EM235為數模轉換模塊，該模塊具有4路模擬量輸入，1路模擬量輸出,其接線圖如圖3所示。由于該模塊輸入端使用時只能設置一種量程與分辨率，因此，當模塊輸入端既有電壓信號又有電流信號時，則需要使用多個EM235轉換模塊。

圖3 EM235接線圖Fig.3 EM235 wiring diagram

2.3 傳感器與閥參數選擇

采用BHM12-C10NA型霍爾傳感器，電源電壓10～30 V DC，檢測距離10 mm；采用LM-112-010-DAC型超聲波測距傳感器，輸出信號0～10 V，測量范圍200～2 500 mm；采用PA-21G/81381.11型壓力傳感器，壓力量程為0～2 000 kPa，輸出信號4～20 mA，供電電壓8～28 V DC；流量傳感器采用槳式流量計，供電電壓4.5～26 V DC，輸出信號為脈沖信號。比例控制閥由4～20 mA電流信號控制其回流開度，而主閥和5路控制閥為開關量控制，且供電電壓為12 V DC。

2.4 電源模塊與觸摸屏選擇

PLC與傳感器等元器件均可用24 V直流電壓供電，而對于拖拉機來說，其車載電源為12 V DC或24 V DC。當車載電源為12 V DC時，需要使用升壓模塊變為24 V DC。

控制系統需要對噴嘴數量、噴藥量、啟動噴藥最低行駛速度等參數進行設定，以及對噴藥流量、壓力、速度等參數進行顯示，選用北京迪文科技公司的迪文觸摸屏實現。

3 觸摸屏界面與控制器設計

觸摸屏顯示和設置界面如圖4所示。打開觸摸屏，首先是顯示界面，在顯示界面可顯示流量、壓力、液位和總噴灑面積等參數，并且有液位過低報警提示；點擊下一頁，可進行噴頭數量、噴藥量和最小壓力(比例閥不再調整)等參數的設置。同時，為了更好、更容易地操作該系統，設計開關控制器來完成工作模式的選擇、流量閥的調節和5路控制閥的開與關等功能的操作。

圖4 觸摸屏顯示和設置界面Fig.4 Touch screen display and setup interface

4 控制系統軟件設計

4.1 主要參數的檢測原理

系統對作業參數進行檢測，PLC對數據進行處理和分析，并發出控制命令，控制執行元件動作。其中，作業參數通過傳感器檢測與相應關系式可推算得出。

4.1.1速度檢測

在拖拉機地輪軸上安裝一定數量的磁鋼，速度傳感器安裝于磁鋼上方，當有一個磁鋼經過傳感器下方時，PLC會接收到一個脈沖信號。若已知拖拉機地輪直徑為D，則噴藥機行駛速度為

(1)

式中v——行駛速度，km/h

m——PLC在t1時間內接收的脈沖數

n——磁鋼數

t1——速度檢測時間間隔,s

其中，相鄰磁鋼在2個脈沖覆蓋的距離不得超過60 cm，即磁鋼數n滿足

(2)

4.1.2流量檢測

理論流量可根據設定的作業參數和行駛速度來得出，已知該噴藥機噴嘴間距為500 mm,其計算公式為

(3)

式中q0——理論流量，L/min

Q——噴藥量，L/hm2

z——總噴嘴數量，個

系統流量計的輸出信號為脈沖信號，其實際流量與脈沖數之間關系式為

(4)

式中q——實際流量，L/min

w——PLC在t2時間內接收到的脈沖數

t2——流量檢測時間間隔，s

k——流量計常數，取250脈沖/L

4.1.3模擬量采集與檢測

系統中輸出信號為模擬量的傳感器，其模擬量由轉換模塊轉換為對應的數字量，PLC對該數字量進行運算處理，得出相應檢測值。已知液位與壓力傳感器參數，得液位傳感器的檢測值計算公式為

(5)

式中Y——檢測值，mm

Ym——傳感器測量上限值，取2 500 mm

Yn——傳感器測量下限值，取200 mm

YAIW0——液位模擬量采樣值

根據液位傳感器檢測值可得剩余液位高度，其計算公式為

H=HF-Y

(6)

式中H——剩余液位深度，mm

HF——藥箱高度，mm

壓力傳感器檢測值計算公式為

(7)

式中P——壓力，kPa

Pm——傳感器測量上限值，取2 000 kPa

Pn——傳感器測量下限值，取0

PAIW8——壓力模擬量采樣值

4.2 PID控制方法

控制系統的流量調節采用PID控制，即PLC通過流量傳感器將管道內檢測到的實際流量反饋給控制器，控制器將其與理論流量進行比較，并將兩者的偏差信號經過PID運算得出控制量，對比例控制閥的開口度進行調節，使理論流量與實際流量保持一致，實現了噴藥流量的閉環控制，其閉環控制結構如圖5所示。采用該方法對流量進行調節，具有快速、平穩以及準確的優點。

圖5 閉環控制系統結構簡圖Fig.5 Schematic of closed-loop control system structure

其中，PID控制器的控制關系式為[24-25]

(8)

式中M(t)——控制器的輸出值

e(t)——理論流量與實際流量偏差

KP——比例系數

TI——積分時間常數

TD——微分時間常數

S7-200PLC是按照程序中設置的采樣時間來定時循環執行 PID 模塊，根據 PID運算規律，得出其控制量，調節比例控制閥開口度。將式(8)離散化后得PID算式為

(9)

式中Mn——第n次采樣時PID控制器的輸出值

SPn——第n次采樣時的給定值

PVn——第n次采樣時的過程變量值

PVn-1——第n-1次采樣時的過程變量值

MX——第n-1采樣時刻的積分項

TS——采樣時間間隔，s

PID控制器中的KP、TI和TD值通過試驗確定或計算機在線測定。系統中，對流量采用PID控制，根據經驗只需采用比例和積分項即可，無需微分項。其中，比例和積分常數是通過多次試驗來確定的。首先調節比例項，將積分和微分兩項去掉(TI為無窮大，TD為0)，使PID為純比例調節，將比例系數由小變大，觀察各次響應，直至系統能快速響應又不產生振蕩。此時得到一個比例系數值，并設定其比例系數為當前值的60%～70%。其次調節積分項，將積分時間設置一個較大值，然后減小積分時間，觀察各次響應，并相應微調比例系數，多次試驗確定其合適的參數。

4.3 主程序設計

變量噴藥控制系統軟件需要實現流量、壓力、速度等參數的采集，流量的PID調節，以及作業參數的輸入與顯示等功能。其主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Flow chart of main program

系統啟動后，自檢并初始化，首先采集藥箱液位，若液位低于設定值則報警，液位正常則通過觸摸屏輸入作業參數；然后當打開噴藥開關后，比例調節閥開口度調到最大，藥液全部回流，并開始采集作業速度；當速度大于設定值時，系統給定比例控制閥開口度，并計算理論流量和采集壓力、流量，通過PID處理模塊控制比例控制閥開口度，對流量進行調節；當關閉噴藥開關后，系統關閉，停止噴藥。

系統還設置有手動模式，在手動模式下，可通過開關控制器對每個閥手動控制。其中，當在自動模式下，即可通過開關控制器手動控制每個閥，也可根據田間作業情況(速度不變)，通過調節比例控制閥開關來增大或減小比例調節閥開度，實現局部噴藥量的變化。另外，在噴藥過程中，由于噴藥壓力小于200 kPa時噴霧效果很差，因此，當噴藥壓力小于200 kPa時，比例控制閥不再調整。

5 試驗與結果分析

5.1 試驗條件

試驗主要包括液位標定試驗、流量控制精度試驗以及噴藥量控制精度試驗。其中，噴藥量控制精度試驗在山東希成農業機械科技有限公司廠區外與河北省沽源縣某馬鈴薯種植基地進行，試驗場景如圖7所示。該噴藥機為背負式，藥液箱額定容量1 200 L，噴幅22 m，噴頭數量為44個，噴頭選用ST110-05型扇形噴頭，噴霧角110°，噴頭噴霧壓力在200～500 kPa之間。試驗時以水代替藥液。試驗時間為2018年6—8月。

圖7 試驗場景Fig.7 Test scenario

5.2 液位標定試驗

該噴藥機藥箱形狀不規則，為了通過液位傳感器檢測剩余藥液高度，來顯示藥箱剩余藥液，需要確定不同液位下所對應的藥液剩余量。其標定試驗方法如下：首先將沒有加水的噴藥機采用衡器進行稱量，并通過顯示屏讀取質量；之后向噴藥機加水，顯示量每增加100 kg(相當于100 L水)時，用米尺或液位傳感器記錄一次液位值，且同一液位測量3次，連續加水直到1 300 L測量結束。通過對試驗數據進行整理取平均，得其試驗結果如圖8所示。

圖8 液位標定試驗結果Fig.8 Test results of liquid level calibration

通過圖8可知，當藥液容積大于100 L時，液位標定模型為

H=0.85V+345

(10)

式中V——藥液容積，L

由式(10)可得

V=1.18H-406

(11)

模型決定系數R2為0.994。但當容積為100 L時，最大相對擬合誤差達到了13.2%；而當容積大于100 L時，最大相對擬合誤差小于等于3.8%。在控制系統中，藥液容積的檢測精度要求不高，該標定模型滿足要求。

5.3 變量噴藥試驗

5.3.1流量校準

在噴藥試驗前，需要對5路開關控制閥進行校準，首先啟動拖拉機后輸出軸轉動，轉速540 r/min；在手動模式下，打開噴藥系統，調節流量，使管道內壓力達到300 kPa；之后關閉第一路開關控制閥，對應的回流口打開，壓力不再是300 kPa，需要調節該路控制閥上的旋鈕，調節對應回流口開度，使壓力達到300 kPa即可；再打開第一路開關控制閥，壓力仍為300 kPa。同理，校準其余幾路控制閥。對于該流量校準來說，采用的原則是：每一路控制閥關閉后，該路控制的噴嘴雖不再噴藥，但其對應回流口打開，通過校準使回流口產生的負載等同于已關閉的所有噴嘴噴藥時的負載，使應該從噴嘴處噴出的藥液改為從校準后的回流口回流到藥箱。因此，當全部校準完畢后，不管噴藥壓力是否為300 kPa，當關閉一路、幾路或者5路全部關閉，其管道總流量、壓力不變。

5.3.2流量控制精度試驗

PLC接收流量傳感器的脈沖信號，按照式(4)得出水管中實時的噴藥流量。對于變量噴藥來說，流量采集的準確率高[26]，即流量傳感器檢測的流量與實際噴出的流量相對誤差小。為了更方便地對流量采集的準確率進行試驗，選擇在手動模式下進行流量試驗，將拖拉機后輸出軸轉速調為540 r/min。打開噴藥系統，利用流量調節開關調整流量，調整時保證噴藥壓力在200～500 kPa之間，以防噴藥壓力過大造成水管破裂；試驗時將目標流量分別設置為65、85、105 L/min，且每個目標流量下，用水桶接取任意5個噴嘴處的水，時間為2 min，并采用電子秤稱量法測其體積，計算出實際流量，將測得的流量與檢測到的流量進行比較與分析，其試驗結果如表1所示。

表1 流量控制精度試驗結果Tab.1 Test results of flow control accuracy

由表1可知，單個噴頭目標流量與實際流量相對誤差不大于4.1%，滿足誤差目標小于6%的控制要求。

5.3.3噴藥量控制精度試驗

噴藥系統根據拖拉機速度計算相應的理論流量，為了保證噴藥機實際噴藥量與理論噴藥量大體一致，需對其進行噴藥量試驗，試驗場景如圖7所示。試驗前，向噴藥機藥箱加水，測量質量，直到1 200 kg為止，保證藥箱加水到1 200 L；噴藥結束后通過觸摸屏讀取已噴面積，可計算出實際噴藥量。同時該控制裝置中安全閥壓力設定為600 kPa，為防止管內壓力大于安全閥設定值而回流到藥箱，其噴藥速度不能太大；但是，當噴藥速度過小時，噴藥壓力小，霧化效果不好，因此試驗速度選取在4～8 km/h之間。

(1)恒速試驗

試驗前，將噴藥量先后設置為380、400、420 L/hm2；試驗時，在每一個噴藥量下，使噴藥機速度分別保持在5、6、7 km/h下進行噴藥試驗，其試驗結果如表2所示。

表2 噴藥量控制精度試驗結果Tab.2 Test results of spray quantity control accuracy

(2)變速試驗

噴藥機實際噴藥時，速度存在變化。試驗前，每公頃噴藥量設置同恒速試驗；該噴藥機噴藥時，使速度在5～8 km/h之間隨意變化，其試驗結果如表2所示。

(3)田間試驗

為了更好地驗證該變量噴藥控制系統的噴藥量控制精度，進行了多次田間試驗，田間作物為馬鈴薯，設定的噴藥量為380、400 L/hm2，噴藥機行駛速度在7 km/h左右。試驗過程中系統壓力穩定，霧化效果好。田間試驗結果如表2所示。

從表2可看出，在恒速試驗中，噴藥流量會隨速度的增大而增大，且每種設定噴藥量和速度組合下，其設定噴藥量和實際噴藥量相對誤差在5%以內。在變速試驗中，速度的變化使噴藥流量不斷變化，但其噴藥量相對誤差在6%以內，實現了變量噴藥，在田間試驗中，設定噴藥量與實際噴藥量誤差在4%以內。總之，該控制系統可使噴藥流量隨速度變化而變化，實現了變量噴藥，且噴藥量具有較高的控制精度。

6 結論

(1)在3WP-1200型寬幅噴藥機基礎上搭建了一種多回流式變量噴藥控制系統，可實現噴藥流量隨速度變化而變化。其噴藥流量是通過改變主回流口的開口度來控制噴藥流量的變化，使整個噴藥系統壓力更穩定。該控制系統分5路控制所有噴頭，每一路可單獨控制開斷，一路或幾路斷開的同時可打開相對應回流口，使系統不改變流量的情況下，其他噴頭噴藥量保持不變。該系統具有穩定性好、精度高和易操作等優點，提高了農藥利用率。

(2)液位標定試驗結果表明，不同液位深度與藥液容積近似呈線性關系，模型決定系數R2為0.994，當容積大于100 L時，最大相對擬合誤差小于等于3.8%。

(3)噴藥控制精度試驗結果表明，流量控制精度試驗中，單個噴頭目標流量與實際流量相對誤差不大于4.1%；噴藥量控制試驗中，噴藥流量隨速度變化而變化，但其設定噴藥量與實際噴藥量相對誤差在6%以內，實現了變量噴藥，且控制精度較高。