基于藥液電導率特性的植保機械在線混藥系統設計與試驗

摘要：針對傳統噴霧機械普遍采用人工預混藥方式，對作業人員危害大、配比誤差大、農藥浪費等問題，設計一種基于藥液電導率特性的在線混藥系統，實現即混即施和混藥比的精準控制。選用草甘膦農藥為試驗對象，通過標定試驗獲取草甘膦混藥比與電導率值之間的關系；選用可編程邏輯控制器（LK3 U-14）為控制單元，設計藥液濃度監測系統和控制系統。試驗結果表明：草甘膦溶液混藥比和電導率呈線性比例關系，決定系數為0.998 5；系統混藥比相對誤差在±5%區間，混藥比時間變異系數lt;5%，滿足噴霧作業要求。

關鍵詞：植保機械；在線混藥；電導率；混藥比

中圖分類號：S237; S49" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：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

農業生產病蟲草害防治是作物穩產、高產的重要保證[1]。農藥作為一種有毒性的農業生產資料被廣泛應用到農業生產之中[2]。傳統施藥方式采用人工預混藥，作業人員與藥液直接接觸，對人體危害較大[3， 4]，同時存在多配、配比誤差較大、環境污染嚴重等問題[5]。

在線混藥技術能夠對水、藥進行實時混合，通過監測控制單元調節混藥比，實現藥液濃度的精準控制[6]。其具有優點：（1）減少人體與藥液的接觸，降低農藥中毒風險[7]；（2）避免農藥過量混合、傾倒對環境所造成的危害；（3）減小藥箱容量，減輕農戶清洗藥箱工作量，降低農藥誤施對作物的損害；（4）推動大型、智能植保裝備發展[8]。鑒于此，在線混藥技術已成為眾多學者研究和探討的熱點。

Chen等[9]研究了基于農藥透光性的農藥混合比檢測方法，搭建了具有混合比反饋功能的在線農藥混合裝置。Jiang等[10]設計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，穩態誤差小于5%。Zhang等[11]開發了一種基于Arduino的注入式在線混藥系統，混藥最大相對誤差和變異系數分別為7.6%和4.5%。Anuradha等[12]設計了一種基于PLC的自動混藥系統。Sun等[13]優化設計了用于管道噴霧的在線混藥裝置結構。賈衛東等[14]利用藥液光透特性設計在線混藥系統，混藥相對誤差小于5.3%，但由于光透特性受藥液氣泡、顏色等影響，在農業應用上存在局限。

混合溶液電導率參數包含溶液濃度信息，常被用于各類化學物質濃度檢測，具有準確性高、實時性好等優點。本文利用藥液電導率特性設計一種具備藥液濃度設定、監測與控制等功能的在線混藥系統，選用草甘膦為試驗對象，實現藥液混藥比精準控制。

1 系統設計與實現

混藥系統整體架構包含水藥輸送系統、水藥混合系統、電氣監測系統，電氣控制系統和霧化系統。整體系統結構如圖1所示。

水藥輸送系統由水路系統和藥路系統兩部分組成。水路系統為整體系統中水的輸送系統，提供混藥所需的水；藥路系統為整體系統中農藥的運輸系統，提供混藥所需的藥液。電氣監測系統由電導率傳感器、流量傳感器和壓力傳感器共同構成。電導率傳感器用于實時監測混合后溶液電導率值，通過電信號將溶液電導率信息傳送至PLC控制單元，并轉換輸出濃度信息；流量傳感器實時獲取系統流量信息，傳輸至PLC控制單元；壓力傳感器用于監測系統壓力值；通過人機交互界面可直接獲取系統濃度、壓力、流量等信息。霧化系統采用內嵌式雙平板扇形靜電霧化噴頭。

工作過程中，電氣監測系統對草甘膦溶液參數進行采集并傳輸至PLC控制單元。PLC控制單元基于草甘膦藥液混藥比—電導率標準工作曲線對電氣監測系統采集到的草甘膦溶液參數進行實時計算，得到草甘膦藥液混藥比，并通過PID控制方法調節蠕動泵工作參數，實時控制草甘膦原液注入量。水和藥液在水藥混合系統進行充分混合后從霧化系統噴出。在線混藥系統實物模型如圖2所示，關鍵部件選型如表1所示。

2 草甘膦混藥比標定試驗

2.1 試驗材料及儀器

本文選用山東某公司30%水劑的草甘膦為試驗農藥。電導率變送器選用上海某公司的RMD-ISEP10型電導率變送器該變送器，其準確度≤±3%，分辨率為0.01 μS/cm。PLC選用國產領控LK3U-14型。人機交互界面選用某公司MT6103iP型人機交互界面。

2.2 標準工作曲線建立與分析

根據草甘膦農藥使用方法，有效成分為30%的草甘膦水劑，實際應用中混藥比為1.3∶100～2.0∶100。本文配制混藥比為0.5∶100～5.0∶100溶液，測量不同混藥比下溶液電導率值，每個樣品測量10次，取平均值。試驗結果，如表2所示，電導率數據變異系數低于1.19%，滿足數據分析要求[15]。

對試驗數據進行線性回歸分析，得到草甘膦混藥比和電導率值關系曲線，如圖3所示。決定系數為0.998 5，擬合度好。

與其他藥液濃度檢測模型相比[16]，本文構建的模型簡單。測試結果表明，利用電導率特性可對草甘膦溶液混藥比進行檢測。

2.3 標準工作曲線誤差分析試驗

為驗證擬合后標準工作曲線的準確性，設計誤差分析試驗。配制1.3∶100、1.8∶100、2.3∶100混藥比的草甘膦溶液，測量三種溶液對應的電導率值，每個樣品測量10次，取平均值。依據混藥比和電導率值關系計算所得混藥比，并與實際混藥比進行比較。誤差分析結果如表3所示。

由表3可得，依據電導率值計算得到的混藥比，變異系數在4.1%以內，說明溶液已混合均勻[17]；混藥比相對誤差在±5%區間，符合國家標準對混藥比檢測的誤差要求[18]。

3 在線混藥系統程序設計與實現

3.1 控制系統程序設計

在線混藥系統程序依托GX Works2軟件開發環境，采用梯形圖語言和模塊化設計，包括系統初始化、執行機構控制、草甘膦溶液參數檢測與處理、數據傳輸等。PLC控制單元實時獲取混合后藥液電導率值，基于草甘膦藥液混藥比—電導率標準工作曲線，計算藥液混藥比，并通過PID算法實現混藥系統混藥比的精準控制。PLC通過RS232通訊方式將系統工況傳輸至人機交互界面。

在線混藥系統采用PID閉環控制，控制原理如圖4所示。軟件系統工作流程：（1）在線混藥系統通過電導率變送器實時采集草甘膦溶液電導率值，由草甘膦藥液混藥比—電導率標準工作曲線得到實時的草甘膦藥液混藥比；（2）PLC根據用戶設定的混藥比和實時的藥液混藥比，以及設定的草甘膦溶液PID參數（比例增益、積分時間、微分時間），計算得到蠕動泵控制參數，并輸出對應電信號；（3）蠕動泵根據PLC輸出信號，調整工作參數，調整草甘膦注入量。藥液與水在射流器和靜態混合器中充分混合；（4）在線混藥系統循環重復步驟（1）～步驟（3），實現自動控制。

系統工作過程中，藥液通過靜電噴頭霧化，并噴施在作物植株上。

3.2 人機交互界面設計

本文人機交互界面依托Easy Bulid Pro軟件進行設計。該人機交互界面主要由3個部分組成，即手動控制界面、自動控制界面、檢測界面。PLC與人機交互界面之間通過RS232串口進行通訊，并顯示系統參數和工況。該在線混藥系統的人機交互界面如圖5所示。

4 在線混藥系統混藥比穩定性試驗

4.1 檢測指標

為評估在線混藥系統穩定性，引入“時間變異系數”，其指同一噴頭處不同時間段內藥液混藥比差異度。時間變異系數計算如式（1）所示。

[CV1=S1X1] （1）

式中： [S1]——時間段內藥液混藥比標準差；

[X1]——時間段內藥液混藥比平均值。

4.2 試驗方案

試驗設定噴霧壓力（200 kPa、300 kPa、400 kPa）和混藥比（草甘膦：1.3∶100、1.5∶100、1.7∶100）。試驗根據不同混藥比和不同壓力，分3組，共9個試驗。在噴頭下放10個500 mL的燒杯，編號依次為1～10；在線混藥系統穩定后開始采樣，每持續10 s用燒杯取樣一次，每個試驗取樣10次。用電導率傳感器檢測各燒杯藥液電導率值，并記錄。

4.3 試驗結果分析

在線混藥系統混藥比穩定性試驗結果如表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、時間變異系數增大，與邱白晶等人研究結果一致[19]。因為增大管道壓力，會加劇管道振動，造成射流器兩端壓力差不穩，藥液注入量產生變化，最終導致混藥誤差及時間變異系數增大。本文混藥比時間變異系數在5%之內，滿足噴霧作業要求。

5 結論

1） 設計的基于藥液電導率特性的在線混藥系統具備即混即施和混藥比精準控制功能。選用草甘膦農藥為試驗對象，草甘膦溶液混藥比和其電導率值之間呈良好的線性關系，決定系數為0.998 5；混藥比相對誤差在±5%區間，符合國家標準對混藥誤差的要求。

2） 在線混藥系統性能測試結果表明，當設定草甘膦混藥比為1.3∶100～1.7∶100，設定壓力為200～400 kPa時，混藥比時間變異系數在5%之內；且當壓力相同時，設定的草甘膦混藥比越大，混藥比時間變異系數越小，混藥系統越穩定。

參 考 文 獻

[ 1 ] 馮耀寧， 裴亮， 陳曉， 等. 變量施藥關鍵技術綜述[J]. 中國農機化學報， 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. 農藥精準施用技術與裝備研究現狀及展望[J]. 中國農機化學報， 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的研究與實現[D]. 沈陽： 東北大學， 2020.

[ 6 ] 李嵩. 施藥機在線混藥系統設計與試驗[D]. 鎮江： 江蘇大學， 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控制的雙級射流在線混藥系統研究[D]. 鎮江： 江蘇大學， 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] 賈衛東， 陳志剛， 趙鑫， 等. 基于農藥光透性的混藥比反饋在線混藥裝置[J]. 農業機械學報， 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， 植物保護機械 噴霧設備 第2部分： 液力噴霧機試驗方法[S].

[19] 邱白晶， 賈方聞， 鄧斌， 等. 混藥質量濃度在線檢測裝置[J]. 農業機械學報， 2014， 45（2）： 99-104.