輕量化在線分批預混藥系統的設計及試驗

劉曉凱，吳 姝，蔣 斌，魏新華

(江蘇大學 農業裝備工程學院，江蘇 鎮江 212013)

0 引言

目前，我國水田植保機械主要以人力背負式施藥機械為主，現有的自走式水田施藥機械由于機組質量過大，水田行駛過程中易陷車，限制了此類機型的推廣。同時，施藥機組多采用人工預混藥和射流器在線混藥的方式進行水藥配比，藥液混合比及均勻性均無法保證[1-2]。

在線混藥技術具有水箱和藥箱分離的特點，在減少農藥的浪費、保障施藥人員安全及施藥機組的清洗等方面都有突出的優勢，因此受到了國內外學者的廣泛關注[3-10]，其實施方式主要有射流混藥和外加能源式混藥兩種。邱白晶等考察了24種不同結構參數的射流混藥裝置應用于3種不同流量特性的在線混藥噴霧系統，實驗平臺試驗結果表明：射流混藥裝置的結構參數對噴霧系統的工作狀態具有顯著影響，在同一種噴霧系統中，改變射流混藥裝置的結構參數，噴霧系統的工作狀態也發生改變[11]。袁琦堡等設計了一種在線實時混藥噴霧系統，通過對水流量的實時測控，控制精量柱塞泵在施藥泵入口處直接將農藥原液注入噴霧系統，試驗表明：當水藥混合比增大時，由于柱塞泵的流量變小，管路脈動對柱塞泵的流量影響更為明顯，混藥精度誤差也相應增大[12]。

本文針對水田施藥機設計了一種采用輕量化在線分批預混藥系統，通過對單次混藥量及單次取水量的測控，提高水藥混合精度，構建硬件系統組成及控制流程，建立單次取水量及單次取藥量的模型，并進行混藥性能試驗。

1 輕量化在線分批預混藥系統的整體設計

本文所設計的水田施藥機輕量化在線分批預混藥系統包括取水裝置、混藥裝置、取藥裝置、噴施裝置和控制裝置，如圖1所示。

1.集水槽 2.取水泵 3.電磁閥A 4.電磁閥B 5.電磁閥C 6.過濾器 7.電磁閥D 8.液位傳感器A 9.取水箱 10.混藥泵 11.電磁閥E 12.電磁閥F 13.雙螺旋混藥器 14.文丘里管 15.單向閥A 16.取藥器 17.直線模組 18.單向閥B 19.原藥液箱 20.液位傳感器B 21.混藥箱 22.電磁閥G 23.液位傳感器C 24.藥液箱 25.隔膜泵 26.噴頭

取水裝置由集水槽、取水泵、過濾器、電磁閥(A、B、C、D)、液位傳感器A、取水箱及相應管路組成。取水泵從集水槽內經過濾器為取水箱供水，當液體的容積到達取水箱容積的設定上限時，通過電磁閥的動作實現管路的調整，反向沖洗過濾器；取水裝置可為系統提供較為潔凈的水。

混藥裝置包括混藥泵、文丘里管、雙螺旋混藥器、電磁閥(E、F)、液位傳感器B、混藥箱及相應管路。混藥泵將取水箱內的水經文丘里管及雙螺旋混藥器吸入到混藥箱內，當液位傳感器B檢測到液體的容積達到混藥箱的設定上限時，電磁閥改變管路，混藥泵將水送回取水箱。

取藥裝置包括直線模組、接近開關組、伺服電機、單向閥(A、B)、取藥器和原藥液箱，如圖2所示。取藥裝置工作時，伺服電機驅動直線模組，帶動取藥器做往復運動。取藥器采用的是柱塞式醫用針筒，可在直線模組的驅動下配合單向閥A、B完成平滑的取、送藥動作。接近開關組由左右兩個接近開關組成，左端接近開關安裝在直線模組所對應的取藥器最大位移處，保護取藥器；右端接近開關安裝在直線模組所對應的取藥器最小位移處，為取藥器提供初始位置標記，避免誤差積累。

1.直線模組 2.接近開關組 3.取藥器 4.伺服電機 5.減速機 6.藥箱 7.單向閥A 8.單向閥B 9.文丘里管

噴施裝置由藥液箱、液位傳感器C、電磁閥G、隔膜泵和相應管路等組成，用于混合好的藥液的存儲及噴施。

控制裝置檢測液位傳感器、接近開關、按鈕開關和觸摸屏的輸入信號，控制電磁閥、伺服電機完成供水及溢流，取、送藥動作和關鍵參數的顯示。

2 控制系統硬件設計

輕量化在線分批預混藥系統主要由控制核心，觸摸屏，啟動、停止、急停3個按鈕開關，接近開關A、B，液位傳感器A、B、C，伺服電機驅動器，分別電磁閥A-G串聯的7個繼電器和分別與取水泵、混藥泵串聯的繼電器組成，如圖3所示。

圖3 輕量化在線分批預混藥系統硬件組成圖

Fig.3 Lightweight online batch premix system hardware composition diagram

控制核心由西門子S7-200 CPU226CN及模擬量采集模塊EM231組成，具有24個數字量輸入和16個數字量輸出，共40個數字量I/O點；同時，具有2個RS485通訊/編程口，輔以EM231 CN 模塊，增加4個模擬量輸入端。Q0.0可輸出高速脈沖，用于伺服電機的脈沖信號輸出，Q0.1用于伺服電機的轉向控制。Q0.2～Q1.0用于和電磁閥A-G串聯的繼電器數字量輸出，控制各電磁閥的開合，Q1.1、Q1.2用于和取藥泵、混藥泵串聯的繼電器數字量輸出，控制兩個泵的啟停。I0.0～I0.23個數字量輸入端口作為系統電路啟、停及急停3個按鈕開關的信號輸入點。I0.3、I0.4作為接近開關A、B的數字量輸入端，用以控制取藥器的返程零點及進程極點。AI0-AI4作為液位傳感器A、B、C模擬量輸入點，用以采集液位傳感器的信號。觸摸屏通過專用線纜與PLC的RS485端口連接，作為系統的用戶操作界面。系統有兩個供電模塊，取水泵及混藥泵由24V/40A DC電源供電，其余部件由24V/10A DC電源模塊供電。

伺服電機選用了YZ-57BLS120三相感應式伺服電機(杭州，翼志運控)，配備YZACSD608型伺服電機驅動器(杭州，翼志運控)。系統選用西門子生產的Smart line系列Smart 700 IE V3型觸摸屏。接近開關A、B采用的是IF12B-03-NO-C3霍爾式傳感器(日本，富士達)。液位傳感器A、B、C采用的是WRT-136型投入式靜壓液位變送器(上海，威爾太)。

3 控制系統軟件設計

PLC運動協調控制系統軟件采用SIMENS S7-200 PLC專用編程軟件STEP 7開發而成。

3.1 輕量化在線分批預混藥系統工作流程

輕量化在線分批預混藥系統的主程序流程，如圖4所示。

圖4 輕量化在線分批預混藥系統工作流程圖

系統上電啟動后，首先進行開機檢查，保證系統能夠正常輸入與輸出；在PLC啟動之后，通過觸摸屏分別設定取水箱，混藥箱和藥液箱的下限、上限及混藥比，分別為Va1、Va2，Vb1、Vb2，Vc1、Vc2及x；PLC采集取水箱、混藥箱、藥液箱當前容積值Va、Vb、Vc，并接通取水泵。當取水箱內當前容積值Va≤Va1時，PLC控制電磁閥A、D打開，由取水泵將集水槽內的水經過濾器吸入到取水箱；當取水箱內當前容積值Va≥Va2時，電磁閥A、D關閉、電磁閥B、C打開，取水泵帶動水流反向沖洗過濾器；混藥箱內當前容積值Vb≤Vb1時，電磁閥E開啟、電磁閥F、G關閉，混藥泵將取水箱內的水送入混藥箱，同時PLC向伺服電機驅動器發送指定數量的脈沖及反轉信號，伺服電機帶動取藥器完成定量取藥及送藥的動作，原藥液在文丘里管注藥口與水混合流入混藥箱；混藥箱內當前容積值Vb≥Vb2時，電磁閥E關閉、F打開，水流經溢流支路返回取水箱；藥液箱內當前容積值Vc≤Vc1時，電磁閥G打開，混藥箱內混合好的藥液靠重力落入藥液箱，重復以上循環。

3.2 基于液位傳感器的水箱容積計算程序

根據在線精準分批混藥系統的工作原理，PLC通過檢測容積上下限來控制電磁閥動作，以保證每次進入的液體容積為固定值。可見，對容積的測控直接決定了進水量的體積，進而影響混藥精度；而作為底面積固定的容器，其實時容積由當前液位高度決定。本文采用的液位傳感器的量程為1m，信號范圍為4～20mA，對應模擬量模塊的模擬量轉化為數字量的范圍是6 400～32 000，各水箱的規格均為600mm×300mm×300mm，因此可得水箱當前容積與電流信號的計算公式為

(1)

式中y—水箱當前容積(L)；

x—電流信號實時數字值。

3.3 基于PLC中脈沖數量的伺服電機轉動圈數的控制程序

在混藥系統運行前可在觸摸屏上實時設置混藥系統的混藥比及混藥箱容積的上下限，所以在線設置的混藥比需建立與每次注藥量的函數關系；而注藥量體現的是伺服電機的轉動圈數，即PLC對伺服電機發送的脈沖數。伺服電機編碼器分辨率為1 000線，即伺服電機轉動一圈需要1 000個脈沖，減速機的減速比為10∶1，直線模組的導程為75mm，注藥器活塞直徑為40mm，根據以上條件，可得混藥比與脈沖數的函數關系，即

(2)

整理得

式中n—PLC對伺服電機發送的脈沖數；

k—預設定的混藥比；

vb1—預設定的混藥箱容積下限(L)；

vb2—預設定的混藥箱容積下限(L)。

同時可得單次混藥量與脈沖數的函數關系，即

(3)

式中z—單次注藥量(mL)。

將k帶入可得

通過上述混藥比與脈沖數的函數關系、單次注藥量與脈沖數函數關系的建立，可通過在觸摸屏上在線輸入混藥比，實現對伺服電機驅動器脈沖數的換算，以達到混藥比在線可調的目的。同時，單次注藥量作為重要工作參數，可在觸摸屏上實時顯示。

4 輕量化在線分批預混藥系統試驗

4.1 試驗平臺的搭建

以本文中精準混藥系統的工作原理及流程為依據，將各零部件搭載到試驗臺架上。在安裝過程中，主要考慮的因素有實現功能、拆裝的便捷性及減少壓力損失等，如圖5所示。因混藥箱內的藥液需在電磁閥G打開時靠重力落入藥液箱中，需將混藥箱安裝在藥液箱的上部。在主要部件安裝完成后進行了管路連接，選用與各部件口徑相同的3.3cm橡膠管，連接處用管卡鎖緊以防漏水。

1.取水泵 2.取水箱 3.原藥液箱 4.混藥箱 5.電磁閥G 6.液位傳感器C 7.藥液箱 8.控制柜 9.混藥泵 10.直流電源 11.過濾器 12.電磁閥D 13.文丘里管 14.雙螺旋混藥器 15.取藥裝置 16.液位傳感器B 17.電磁閥E 18.電磁閥F 19.液位傳感器A 20.電磁閥C 21.電磁閥A 22.電磁閥B

4.2 輕量化在線分批預混藥系統性能試驗

本試驗平臺的搭建，目的是為了實現對水藥混合比的精確控制，系統通過控制單次取藥量及取水量進行分批混藥的方式實現精準混藥，可見單次取藥量、單次取水量是決定混藥精度的關鍵因素；又因采用的是在線混藥的方式，所以混藥均勻性應作為混藥性能的主要指標。因此，在本節中，將從水藥混合比及混合均勻性3個因素作為考察對象，對該系統的混藥性能進行試驗。

試驗地點在江蘇大學農業裝備工程學院農機實驗室北大間進行，由于農藥具有揮發性及毒性，所以采用20g/L的胭脂紅溶液模擬農藥進行試驗。試驗分兩組進行，第1組試驗考察水藥混合比，第2組試驗考察混藥均勻度。因水稻生長周期較長，防治不同病蟲害時配方差異大，高可靠性的混藥系統應具備較大的水藥混合比范圍的適應性，所以選擇了250∶1、700∶1、1 500∶1/等3個混藥比作為設定參數。試驗開始前，在觸摸屏上分別設定各藥箱的容積上下限及不同的混藥比。

1)第1組試驗時，將取藥器與文丘里管的連接軟管拔下并放入量筒中，每次混藥箱到達容積上限時程序停止運行，分別測定混藥箱內水的容積及量筒中藥液的容積并記錄數據，通過對測定值與理論值進行計算，得到在250∶1、700∶1、1 000∶1等3個水藥混合比下的平均誤差曲線，如圖6所示。

2)第2組試驗開始前，為保證所測得溶液濃度數值準確，需對分光光度計進行重新標定，為減少標定誤差，采用同一組比色皿進行。分別配置0.01、0.02、0.04、0.06、0.08、0.10g/L的胭脂紅標準濃度溶液，利用分光光度計在波長λ=508nm下測量以上各溶液的吸光度，并記錄數據。重復上述操作2次，共得到18組標準濃度溶液的吸光度值，試驗數據如表1所示。

圖6 水藥混合比誤差圖

序號溶液濃度/g·L-1吸光度值10.010.26520.010.28230.010.29640.020.49850.020.47660.020.49270.041.19580.041.07090.041.148100.061.531110.061.579120.061.742130.082.088140.082.103150.082.201160.12.776170.12.503180.12.592

對每種胭脂紅標準濃度溶液的吸光度值求平均值，并繪制濃度與吸光度的曲線，如圖7所示。

圖7 胭脂紅標準濃度溶液與吸光度的擬合曲線

通過對數據進行線性擬合，得到胭脂紅標準濃度溶液與吸光度的函數關系式，其R2=0.997 9，即

C= 0.0379A- 0.0006

(4)

式中A—溶液的吸光度；

C—胭脂紅標準濃度溶液(g/L)。

試驗開始時，將各部件按照工作狀態連接好，分別設定水藥混合比為250∶1、700∶1、1000∶1，當藥液箱注滿時停止運行。從藥液箱底部開始，將藥液箱沿高度方向劃分為5層，每層間隔6cm，由上到下編號為1～5。用帶有吸管的針筒按照由上到下的順序分別從各層取樣本50mL，各混藥比下分別得到5組樣本，共15個樣本。利用UNICO- UV2102型分光光度計分別對各樣本吸光度進行測量，得到試驗數據如表2所示。

表2 試驗樣本吸光度數據表

利用胭脂紅標準濃度溶液與吸光度的函數關系，求得樣本的濃度。在水藥混合比為250∶1、700∶1、1000∶1下，理論溶液濃度分別為0.08、0.0286、0.02g/L，通過比較相同水藥混合比下不同深度所取的樣本濃度，對系統混藥均勻性進行誤差分析，如圖8所示。

(a) 水藥混合比為250∶1

(b) 水藥混合比為700∶1

(c) 水藥混合比為1000∶1

5 結論

1)試驗結果表明：通過控制單次取水量及單次取藥量來實現分批混藥的思路是可行的，基本達到了設計要求。

2)由第1組試驗結果分析可知：在各混藥比下，水藥混合比誤差可控制在7%之下，但各混藥比下，單次取藥量及取水量誤差無規律性。其原因主要有兩方面：①所使用的電磁閥為普通電磁閥，有較長的響應時間，且該響應時間為變動量，造成電磁閥的延遲開啟或關閉；②由于所選用的取藥器為塑料材質，密封性不佳，當直線模組高速運行時，易產生漏氣的現象。

3)從3個水藥混合比不同時間的溶液濃度誤差曲線可見：誤差均低于20%，且存在“先高后低再高”的趨勢，原是取藥器注藥時不能與注水同步進行造成的。

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