多回流式變量噴藥控制系統設計研究

成都市農林科學院 曹亮

引言

多回流式變量噴藥控制系統能夠根據噴藥機的實際運行情況來完成對比例控制閥的調節，并通過改變回流口的開度來控制噴藥量，從而使噴藥機完成變量噴藥，提升噴藥機噴藥時的穩定性與控制精準度。因此，有必要對多回流式變量噴藥控制系統設計進行分析。

1 設計多回流式變量噴藥控制系統的重要性

我國作為農業大國，農作物在種植過程中非常容易受到病蟲害的影響，導致農作物產值下降。就目前而言，我國農作物防治病蟲害的主要手段依然是農藥的噴灑，農藥噴灑質量能夠直接影響到農作物的產值。據有關資料表明，我國的農業種植可以通過農藥每年挽回約20%的產量。但是由于我國農藥噴灑設備發展落后，因此我國農藥利用率相對偏低，這也成為制約我國農業發展的一道障礙。

現如今，精準施藥技術獲得了各個國家的重視，美國以及日本等一系列國家都在精準施藥技術中進行了非常多的研究。而我國也因為國家政府對農機的補貼提升而在精準施藥技術上有了很大進步，大型農藥噴灑設備也在逐漸普及，但是我國大型噴藥設備的控制方式相對比較單一，噴藥量往往需要經過手動進行調節，因此無論是噴藥效率還是噴藥質量都有非常大的發展空間。我國的噴藥設備大多都會通過改變噴藥量的方式來進行變量噴藥，比如藥液注入式、脈寬調制式等，其中脈寬調制式在實際噴藥過程中會通過調節脈沖的占空比來完成對電磁閥的開啟與關閉，使噴藥量發生改變，從而實現變量噴藥，但是脈沖調制在實際運用中仍有一定缺陷，因為其控制噴藥量的方式需要讓噴頭對應不同的電磁閥，而大型噴藥設備的機幅寬度都在12米以上，噴頭數量非常多，所以這種控制方式在實際應用過程中具有較高的成本，很難在大型噴藥機中普及。因此多回流式變量噴藥控制系統一經提出就得到了很多關注，通過這種方式能夠在控制成本的同時實現變量噴藥，提升噴藥質量。

2 控制系統結構設計

2.1 總體結構

多回流式變量噴藥控制系統是在3WP-1200 型噴藥機的基礎之上設計而成的，噴藥機中原控制裝置主閥以及比例控制閥還有開關控制閥都屬于手動控制閥，因此在進行噴藥時無法完成自動調節，只能通過手動調節的形式來進行噴藥量的控制。而經過改進設計出的多回流式變量噴藥控制系統則是由比例控制閥、5 路開關控制閥等一系列閥門組成，在實際工作中可以根據噴藥機的行進情況來實時調整噴藥量，在保證噴藥質量的同時提升噴藥效率。

2.2 控制原理

多回流式變量噴藥控制系統的工作原理為：在噴藥機正式噴藥之前將拖拉機的后輸出軸與噴藥機的隔膜泵進行連接，然后在觸摸屏中輸入噴頭數量以及噴藥量等參數。通常噴頭之間的間隔為500mm，所以通過結合噴頭數量就能夠判斷出噴藥幅寬。在正式開始噴藥時，需要同時將噴藥控制系統與拖拉機后輸出軸一同啟動，并通過對拖拉機的行進速度進行實時監控，將得出的行進參數與提前設定好的噴頭數量以及噴藥量相結合得出相應的數值，然后將該數值與監測到的實際流量進行對比，通過PID 閉環控制算法來自動調節比例調節閥的開度，對回路流量的控制能夠影響主路流量，只要能夠保證實際流量與理論流量一致，就能夠達到準確改變噴藥量的目的[1]。

在控制系統中，通過速度傳感器能夠確保拖拉機行進速度達到設定值時才可以進行噴藥，這樣能夠控制噴藥機在地頭轉彎時不噴藥，以免出現藥液浪費的現象。而安全閥能夠在水管壓力超出警戒時將多余的藥液排出，防止噴藥過程中出現水管爆裂的情況。所以在噴藥開始前必須通過手動進行壓力調整，保證壓力的合理性。噴藥機中的主閥要通過PLC 處理器進行控制，主閥打開時，其穿過安全閥的閥芯就會將噴藥主路口堵住，這時的安全閥內部會打開回流口使藥液回流至藥箱當中，停止噴藥。主閥關閉時噴藥主路口則會開啟，此時安全閥中的回流口則會關閉，這時的安全閥將會起到保壓的效果。所以通過PLC 控制主閥開關能夠完成對噴藥量的控制。

3 控制系統的硬件設計

變量噴藥控制系統在設計時會將PLC 作為控制核心，其主要由控制器、檢測傳感器、報警模塊等零部件組成，控制系統可以通過對流量、速度以及壓力等參數信息進行實時監測并將信息傳遞給控制器進行處理，控制器則會發送指令來完成對不同閥門的控制，從而實現變量噴藥。

3.1 控制器選型

控制器可以選擇西門子S7-200PLC，CPU 型號為224CN，能夠連接拓展模塊7 個，還帶有PID 控制器，能夠很好地滿足多回流式變量噴藥控制系統的需求[2]。

3.2 轉換模塊的選擇

控制系統壓力、液位傳感器輸出電壓、電流信號都屬于模擬信號，將模擬信號轉換為數字量之后才能夠將其傳輸到PLC 進行信息數據的運算處理。在控制系統中，比例控制閥則屬于電流信號控制，所以系統需要將數字量信號轉換為模擬信號進行輸出。所以轉換模塊可以選用EM235，這種模塊帶有4 路模擬量輸入以及1 路模擬量輸出，但是因為此模塊在輸入端無法同時設置量程以及分辨率，所以在模塊輸入端同時具備電壓、電流信號時要準備多個轉換模塊。

3.3 電源模塊、觸摸屏選擇

PLC 以及傳感器等元件可以選用24V 的直流電壓來保證供電效率，而且拖拉機的車載電源為12VDC 或者是24VDC，如果車載電源并不是24VDC 就需要通過升壓模塊進行升級。控制系統在運行之前需要對噴藥機的噴嘴數量以及噴藥量、啟動噴藥時的最低行進速度等參數進行提前設定，而且噴藥流量、壓力等參數還會通過觸摸屏顯示出來，需要保證觸摸屏能夠達到一定標準。

4 控制系統的軟件設計

4.1 參數檢測原理

控制系統運行過程中會對作業時的各項參數進行監測，而PLC 則會對數據信息進行處理，并向各閥門發出控制指令，以此來控制執行元件的動作情況。

4.1.1 速度檢測

通過在拖拉機的地輪軸上安裝多個磁鋼，并在磁鋼上方安裝速度傳感器能夠完成對拖拉機行進速度的檢測，因為不同磁鋼在經過傳感器時，PLC 能夠實時接收相應的脈沖信號，進行數據處理能夠得出行進速度[3]。

4.1.2 模擬量的采集、檢測

控制系統中的輸出信號即為模擬量的傳感器，其中模擬量會通過轉換模塊轉換成相對應的數字量。PLC 通過對數字量進行處理就可以得到模擬量的對應檢測值，而通過液位傳感器的檢測值則可以得到噴藥機當前的剩余液位高度。

4.2 PID 控制方法

通過PID 控制能夠調節控制系統中的流量，即PLC 可以通過流量傳感器將管道內的當前流量反饋到控制器中，接收到實際流量的控制器則會將其與理論流量進行比較并產生二者之間的偏差信號，PLD 計算偏差信號之后能夠得出控制量，通過對比例控制閥開口度進行調節來保證實際流量與理論流量一致，從而完成噴藥量閉環控制，這種控制方法能夠保證流量控制的準確性。

4.3 主程序設計

多回流式變量噴藥控制系統的軟件需要能夠完成流量、速度等參數的采集以及PID 調節流量等功能，只有這樣才能保證控制系統得以順利地進行。控制系統啟動之后需要進行自檢初始化，然后進行液位的采集，如果藥箱中的液位低于警戒線，則會出現警報，液位正常時方能輸入各項作業參數。在噴藥開關打開后，比例調節閥完全開啟，此時藥液會回流，并進行速度采集。當行進速度大于設定值后，就要通過比例控制閥的開口度調節噴藥量，當噴藥開關關閉后則會停止噴藥。除此之外，該系統依然留有手動模式，而且在自動模式下依然可以通過手動調節比例控制閥來實現局部噴藥量的控制[4]。

5 試驗分析

5.1 試驗條件

多回流式變量噴藥控制系統的試驗包括流量控制、噴藥量控制以及液位標定試驗，該噴藥機為背負式，其藥箱的額定容量為1200L、噴幅22M、噴頭44 個，試驗過程中通過水來代替藥液。

5.1.1 液位標定試驗

因為藥箱形狀不規則，所以為了保證能夠精準地檢測出藥液的剩余高度，需要保證能夠在不同液位下得出藥液剩余量。液位標定試驗分為以下幾個步驟：第一，將未加水的噴藥機進行稱量，并讀取其質量。第二，在噴藥機中注水，每增加100kg，都要通過液位傳感器記錄一次液位，每一次記錄需要測量三次以上，保證測量精確性。第三，噴藥機加水量達到1300L 時測量結束，通過測量后發現，當藥箱達到100L 時，測量得出的最大擬合誤差為12%，而當溶劑大于100L 時，其最大擬合誤差則會明顯下降，此時誤差≤3.7%，由于藥液溶劑檢測精確度的要求并不高，所以該誤差符合要求。

5.1.2 變量噴藥試驗

（1）流量控制試驗

PLC 運行時能夠接受脈沖信號，在試驗時需要在手動模式下進行，試驗方式如下：第一，后輸出軸轉速調整到540r/min。第二，打開噴藥系統并調節流量，保證噴藥壓力在200～500kPa。第三，將目標流量設置為65、85、105L/min，在不同流量下分別接取五個噴嘴噴出的水時間為兩分鐘。第四，計算實際流量并將測量流量與檢測流量進行對比。通過試驗能夠發現單個噴頭的誤差小于4.3%，能夠滿足誤差小于6%的要求。

5.2 噴藥量控制試驗

在噴藥量試驗開始之前，需要提前注水并測量質量，直到藥箱內部水量達到1200kg 為止。在噴藥結束之后，試驗人員可以通過觸摸屏來得到已噴面積數據，此時能夠計算出實際噴藥量。試驗過程中為了防止管內壓力過大，所以安全閥壓力設置為600kPa，因此噴藥速度必須得到保障，由于噴藥壓力過小時霧化效果較差，所以選定試驗速度為4～8km/h。通過試驗能夠得出行進速度提升能夠提升噴藥量，而且恒速試驗實際噴藥量與設定值相差不超過5%，變速試驗實際噴藥量與設定值相差不超過5.8%，該控制精度符合要求。

6 結語

總之，多回流式變量噴藥控制系統設計非常重要，能夠在提升噴藥效率的同時增加噴藥質量。相信隨著更多人關注到多回流式變量噴藥控制系統，該控制系統的設計一定會變得更加完善。