噴桿噴霧機變量噴霧控制與測試試驗臺設計*

馮耀寧，裴亮，李曄，陳小兵，繆友誼，陳彬

(農業農村部南京農業機械化研究所，南京市，210014)

0 引言

我國是農業大國，在農作物種植過程中難免遭遇各種病蟲害。據不完全統計，我國每年農作物病蟲害的發生面積約2.4億hm2·次，每年化學農藥品種的生產達到2 000多種，年產量在1 000～1 100 kt制劑，年防治病蟲害面積近3.1億hm2·次[1]。因此，采取有效措施對農作物病蟲害進行防治，是農作物種植過程中的必要手段，而噴桿噴霧機作為目前我國植保領域大田作業主要的作業機具，在農作物病蟲害防治中起到極其重要的作用。

目前，精準施藥技術在我國噴桿噴霧機上的應用較少，帶來了諸如農藥利用率低、農產品中農藥殘留超標和環境污染等問題[2]。精準施藥模式可有效提高農藥的利用率并且在一定程度上保護環境，減少污染[3]，變量噴霧是噴桿噴霧機實現精準噴霧、精量噴霧最重要的組成部分，智能變量控制部件更是實現精準施藥的關鍵部件[4-7]。當前有學者針對變量噴霧控制系統與裝置進行了研究。江蘇大學邱白晶等[8]基于GPS和雷達測速技術，研制了一款變量噴霧裝置，通過實時監測噴霧參數來描述噴霧過程的動態特性，并測定其控制系統的響應時間。測試結果表明，在4.65%的定量噴霧誤差范圍內，系統的響應延時會影響變量噴霧的均勻性，而合適的行進速度和一定的預留時間能在一定程度上減少這種影響。中國農業大學藥械與施藥技術研究中心于2016年研制了一種自走式變量施藥噴桿噴霧機[9]，該噴霧機集合了多種諸如GPS、自動化控制、機電一體化和多傳感器數據采集等現代化技術手段，基于病蟲草害情況自動調整單位面積施藥量。試驗表明，該機作業過程中噴桿各處霧滴分布均勻性變異系數小于10%，單位面積施藥量誤差低于8%，定位精度在10 cm以內，可實現單位面積施藥量保持一致，實現藥液均勻噴灑到靶標作物。

雖然針對變量噴霧的研究有不少，但目前變量噴霧控制部件在噴桿噴霧機上的安裝比例還較低，主要原因有以下幾點：(1)目前變量噴霧部件尚未納入國家或地方財政補貼，農民購買意愿不高，噴桿噴霧機生產廠家基于成本與市場原因不愿安裝；(2)智能變量控制部件的安裝價格與質量參差不齊，有的甚至于根本不變量；(3)我國乃至全世界均缺乏對變量控制部件的測試手段及評判標準，無法有效判定智能變量控制部件的好壞。智能變量控制技術作為植保機械行業的先進技術，生產企業、農戶及農機管理部門對智能變量噴霧控制系統納入農機補貼的呼聲一直很大，因此研制變量噴霧控制與測試裝備是十分必要的，不僅能促進噴桿噴霧機的行業發展，提高農藥利用率，而且可為智能變量噴霧系統的技術推廣和農機補貼政策的制定提供科學依據，有利于推進噴桿噴霧機變量噴霧質量評價技術規范的制定。

本文研制了一套噴桿噴霧機變量噴霧控制與測試試驗臺，可分別在GPS和轉速兩種工況下對變量噴霧控制系統或安裝有變量噴霧控制裝置的噴桿噴霧機進行噴霧流量精度測試、變量噴霧控制閥的響應精度測試和復雜工作條件下的壽命測試，以及對整個變量控制系統在工作狀態下對扭矩、轉速、壓力等進行全方位監測。基于測試場地及試驗簡化等原因，本文試驗僅采用轉速工況下的流量精度測試，并進行分析。為噴桿噴霧機變量噴霧控制裝置的性能測試提供技術支持，也為噴桿噴霧機的行業發展提供方向，向精準噴霧邁進。

1 測控系統總體方案設計

噴桿噴霧機變量噴霧控制公式如式(1)所示[10]，式(1)表明管路流量與施藥量、噴桿噴幅、行駛速度有關，其中針對同一機具，即車輪直徑一定，行駛速度與車輪轉速成正比。噴霧之前，操作人員依據作物種類、病蟲害狀況、作業季節、施藥種類在控制系統內部設定每公頃的施藥量，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。在設定每公頃施藥量和噴幅一定時，管路流量與噴桿噴霧機行駛速度或車輪轉速成正比，以實現不同行駛速度下的均勻噴霧。因此，在設計變量噴霧控制與測試試驗臺時，行駛速度或車輪轉速和管路流量為主要控制與監測參數。

(1)

式中：q——管路流量，L/min；

Q——施藥量，L/hm2；

L——噴幅，m；

v——機具前進速度，km/h；

d——車輪直徑，m；

n——車輪轉速，r/min。

如圖1所示，變量噴霧控制與測試試驗臺由控制系統和數據采集系統組成。控制系統以西門子SIMATIC S7-200系列PLC(可編程控制器)為核心，在上位機安裝的LabVIEW軟件界面設置試驗所需的參數發送到PLC，PLC利用內部嵌套的STEP 7-Micro/WIN SMART軟件進行程序編輯，通過動力系統、驅動系統和變量控制系統實現對試驗臺轉速、流量、轉矩、閥體動作等的精確控制。數據采集系統采用美國NI9203數據采集模塊，搭配高精度流量計、壓力傳感器、轉矩轉速傳感器等，對管路流量、壓力、轉矩和行駛速度等參數進行電流信號采集并通過A/D(模擬數字轉換器)轉換成數字信號發送到上位機的LabVIEW軟件，實現對試驗數據的采集、顯示和存儲。

圖1 控制與測試試驗臺整體結構框圖Fig.1 Block diagram of control and test bench

2 控制系統設計

由于PLC(可編程控制器)可靠性高，抗干擾能力強，功能完善，實用型強[11-13]，試驗臺控制系統選用西門子SIMATIC S7-200系列PLC進行響應控制，PLC通過OPC Server接收上位機中LabVIEW設定的參數信息，采用STEP 7-Micro/WIN SMART軟件進行程序編輯，再利用工業以太網通信和模擬量信號的方式實現對整個控制系統的實時控制。控制系統由動力系統、驅動系統和變量控制系統組成。

2.1 動力系統

動力系統由變頻器、交流電機、扭矩轉速傳感器和隔膜泵組成。選用皖南交流電機，功率為11 kW，輸入電壓為380 V，電機轉速為1 470 r/min；選用LS-S100型變頻器，電機容量為15 kW，輸入電壓為三相400 V，可實現穩定的變頻調速；選用JN338型數字式轉矩轉速傳感器，量程為100 N·m，轉速為6 000 r/min，準確度等級為0.2級，滿足測試中轉矩與轉速采樣要求；選用意大利ARAG隔膜泵，工作壓力為0～2 MPa，流量為0～290 L/min，壓力與流量范圍大，適用范圍廣。交流電機通過變頻電機的變頻調速，為整個系統提供穩定可調的轉速，隔膜泵在變頻電機的帶動下為整個系統提供穩定的壓力源和流量，扭矩轉速傳感器將實時的轉速和扭矩信息傳遞給上位機，用以對整個動力系統進行實時監控。動力系統組成裝置如圖2所示。

(a)交流電機、扭矩轉速傳感器、隔膜泵

2.2 驅動系統

由于伺服電機響應速度快，驅動系統硬件部分主要由伺服驅動器、伺服電機和法蘭盤組成，如圖3所示，主要作用是驅動伺服電機轉動，模擬裝有變量噴霧裝置的噴桿噴霧機的田間運動。

圖3 驅動系統硬件部分Fig.3 Drive system hardware part

試驗時，在上位機中的LabVIEW軟件界面設置車輪的速度及車輪直徑，通過自動計算換算成轉速，并將參數控制指令發送至PLC，PLC在西門子6ES7系列可編程控制器控制下發送控制指令到伺服驅動器，伺服驅動器驅動伺服電機轉動，帶動直連在伺服電機上的法蘭盤一起轉動，從而實現車輪的定速或變速運轉，為被測系統提供轉速精確可調的速度源，同時利用轉速傳感器與PLC將轉速信號反饋給上位機，并通過自動換算在LabVIEW軟件界面實時顯示車輪速度，實現對速度的監控。伺服電機控制原理如圖4所示。

圖4 伺服電機控制原理圖Fig.4 Servo motor control principle diagram

2.3 變量控制系統

變量控制系統主要由變量噴霧控制器、變量噴霧流量分配閥、流量計、壓力傳感器及噴桿組成。變量噴霧控制器主要用于噴霧參數的設置，在上位機LabVIEW軟件界面可以設置噴桿噴幅、車輪轉動系數以及目標流量(基于單位面積施藥量及噴幅換算)；變量噴霧流量分配閥主要根據系統設置的目標流量調節比例閥開度的大小，比例閥和分配閥上的流量傳感器一起構成了閉環回路，精確調節系統流量；裝有五路噴桿，每段噴桿裝有10個ST110-015型號噴頭，根據需要選擇噴桿路數用于噴霧。該控制系統可以根據施藥量和速度的變化自動調節各噴頭的施藥量，從而實現整個系統噴霧變量控制的目的。

2.3.1 傳感器選型

選用美國艾默生8750W系列電磁流量計，量程為6～50 L/min，精度為0.5%，輸出信號為4～20 mA，脈沖輸出頻率為0～10 000 Hz，滿足流量數據采集的實時性要求；采用螺紋連接，單獨使用時方便攜帶。選用壓力傳感器量程為0～2.5 MPa，精度為0.1%，輸出信號為4～20 mA，與流量計輸出信號方式一致，均為電流信號，便于后續信號采集及轉換。

2.3.2 電控比例閥的控制設計

電控比例閥流量的控制通過比例閥接收到的模擬量控制信號實現。PLC接收到上位機的控制指令后，通過模擬量輸出模塊將控制指令以4～20 mA電流信號的形式發送給比例閥，比例閥通過接收到的模擬量信號大小來控制閥體的開度大小。在本控制系統中，系統會根據變量噴霧控制系統的轉速變化、在結合轉速與車輪直徑的關系，自主計算噴霧系統單位時間所需的總流量，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，能夠根據系統給定的流量數值轉換成電流信號，再根據電流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高精度電磁流量計，進行流量的實時反饋，從而將系統的流量控制由開環控制轉化為閉環控制，提高控制的精準性、可靠性[14]。

比例閥閥體動作采用增量式PID控制的方式，改變了原來速度調整中比例閥柱塞總要回到參考點的控制方式，通過求出增量(本次控制量和上次控制量的差值)，將原先的積分環節的累積作用進行了替換，易于在內存要求不高的控制器上實現[15]，縮短了速度調整過程中系統的響應時間，也使得速度變化過程中系統流量變化平緩，PID的調節方式也提高了對電控比例閥的控制精度。

3 數據采集系統設計

在噴桿噴霧機變量噴霧試驗臺模擬工況的試驗過程中，需要關注行走速度的變化、流量的變化以及響應時間等關鍵參數，同時也需關注試驗臺整體運行情況，如動力系統的轉速、轉矩以及整個噴霧系統的工作壓力等，因此，合理設計數據采集系統很有必要。

圖5為采集系統結構示意圖，選用美國NI9203的數據采集模塊，用于采集噴桿噴霧機變量噴霧試驗臺試驗過程中各傳感器輸出的電流模擬信號，并通過A/D 轉換器轉換成數字信號傳遞給上位機，在上位機中實時顯示與存儲。NI9203是一款C系列DAQ模塊，帶有8個模擬電流輸入通道，可用于高性能控制及監控應用，最高可實現對8路信號的動態采集；該模塊具有±20 mA可編程輸入范圍、16位分辨率以及200 kS/s 的最大采樣率；為防止信號瞬變，NI9203包含一個通道對地雙重隔離外殼(250Vrms隔離)，以實現安全和抗噪性。圖6為采集模塊的輸入電路圖，輸入信號由單個16位ADC進行緩沖、調理和采樣，模塊對每個通道進行過電壓保護。

圖5 采集系統結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of the acquisition system

圖6 采集模塊的輸入電路圖Fig.6 Input circuit diagram of acquisition module

采用LabVIEW編程軟件定制人機操作畫面，并對采集并轉換過的數字信號進行實時顯示和存儲，實現轉速和流量檢測的“虛擬儀器”技術，實現了對系統運行參數如流量、扭矩、壓力、轉速等的實時監測，同時也可進行測量系統在各種工況條件下的響應能力、響應精度測試。

4 變量噴霧試驗臺測控程序設計

變量噴霧試驗臺測控程序以LabVIEW軟件為平臺進行開發，包括控制系統命令、數據采集處理程序、數據顯示存儲等。控制程序主要用于將系統轉速設定、按鈕操作命令、行走速度設置命令、噴桿參數設置命令、施藥量設置命令通過OPC Server傳遞給PLC來控制試驗臺的運轉；數據采集處理程序用于采集和處理采集到的轉速、轉矩、流量、壓力等信號；數據顯示存儲程序用于在線實時顯示采集到的參數信號，從而使試驗人員可以隨時了解試驗臺的運行狀態，記錄相關的試驗數據并存儲，以便后續試驗查看和分析。

4.1 PLC程序設計

西門子S7-200PLC在實時模式下具有速度快，通訊功能強大和較高生產力的特點，滿足本試驗臺實時控制的要求。本次設計主要采用西門子S7-200系列PLC作為下位機，在STEP-7-Micro/WIN SMART編程環境下進行程序編寫，該軟件具有硬件配置和參數設置、組態通訊、編程、測試等功能，主要控制程序如圖7所示。

圖7 后臺控制梯形圖Fig.7 Background control ladder diagram

PLC程序流程圖如圖8所示。程序開始運行時，PLC首先進行初始化程序，然后進行自動與手動狀態選擇；若進行自動模式，則先對變量噴霧控制閥閥體位置進行檢測，確定閥體位置是否到達參考點。閥體到位后，PLC將會給動力系統和速度控制系統發送信號，使得伺服電機和交流電機開始工作，然后采集模塊進行實時數據采集，并將采集到的數據信號傳送到上位機，通過LabVIEW軟件進行數據顯示和分析處理，數據采集完成后，變量噴霧控制閥歸位，整個控制及測試完成。

圖8 PLC程序流程圖Fig.8 PLC program flow chart

4.2 LabVIEW程序設計

試驗臺控制與測試程序以LabVIEW軟件為程序開發平臺，采用圖形化的編輯語言編寫程序，產生的程序是框圖形式，采集的數據以圖表、曲線形式顯示并進行存儲，因其具有人機交互界面友好、編程高效、開發靈活等特點，故LabVIEW軟件非常適合控制與測試系統[16-17]。變量噴霧測試與控制系統軟件的主界面如圖9所示，其對應的主要程序框圖如圖10所示。

圖9 變量噴霧與控制系統軟件主界面Fig.9 Variable spray and control system software main interface

圖10 主要程序框圖Fig.10 Main block diagram

主界面圖中左上方為監控區域，用以實時監控系統的運行狀態，如電機轉速、電機扭矩、等參數、各電磁閥的通斷狀態、主流量計以及各支路流量計的實時流量等。右上方為流量圖表顯示部分，可以顯示主流量計以及各支路流量計的流量曲線。左下方為參數設置區域，可以設置水泵電機的運行速度、系統的運行速度、以及系統的目標流量等。右下方為按鈕區域，可以通過點擊屏幕上的按鈕，來控制主閥以及各支路電磁閥的通斷。

本系統軟件還設計了PID控制程序，其控制界面如圖11所示，其可以顯示系統控制下的PID調節過程。PID控制的運行提升了響應速度并提高了系統閉環測試的精度。

圖11 PID控制界面Fig.11 PID control interface

5 試驗驗證

為了驗證系統的控制與測試功能，特通過該變量噴霧控制與測試試驗臺對意大利某公司生產的變量噴霧控制閥總成進行控制與測試，通過控制伺服電機模擬噴桿噴霧機的車輪轉動情況，進行轉速(行駛速度)工況下的流量精度測試(圖12)。主要測試不同轉速(行駛速度)下，變量噴霧控制閥總成的目標流量與實際流量的誤差大小。

圖12 系統驗證試驗Fig.12 System verification test

將被測對象變量噴霧控制閥總成通過管路、線路接入試驗臺，連接三段噴桿進行噴霧試驗，采用每段噴桿前端安裝的高精度電磁流量計采集各段噴桿流量。在上位機Lab VIEW軟件主界面中設置相關參數，其中給定車輪模擬速度分別為10 km/h、15 km/h和20 km/h 三種工況，設置作業系數為1(作業系數與具體的單位面積施藥量和噴輻有關，此處為便于計算，不具體去考慮，設置為1)，則對應的目標流量分別為10 L/min、15 L/min和20 L/min。啟動試驗臺，控制變量噴霧控制閥進行噴霧，三段噴桿流量之和為噴桿的實際噴霧流量。三種工況，每種工況做3次重復試驗，數據統計時，統計3次試驗下的平均噴霧量。流量精度測試結果如表1所示。

表1 流量精度測試結果Tab.1 Flow accuracy test results

從表1中可以看出，隨著機具行駛速度的增加，整個系統的噴霧量都有所增加，這是因為在單位面積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，行駛速度快，比例閥開口大，噴霧量大，行駛速度慢，比例閥開口小，噴霧量小；由于系統的變量噴霧控制閥比例閥的控制精度與系統控制精度存在差異，導致噴霧量存在一定的誤差，測試結果顯示平均流量誤差為4.0%，可作為以后判定變量噴霧裝置性能的一個技術參考。通過試驗，說明本變量噴霧控制與測試試驗臺可以完成變量噴霧裝置的控制功能，且測試中數據采集功能完整，可準確描述變量噴霧裝置實時工作狀態，滿足噴桿噴霧機變量噴霧控制裝置的性能測試需求。

6 結論

1)研制了一套噴桿噴霧機變量噴霧控制與測試試驗臺，針對現有的變量噴霧裝置，基于PLC和Lab VIEW軟件，研究了變量噴霧控制系統和數據采集系統。控制系統由動力系統、驅動系統、流量系統和變量控制系統組成，實現對變量噴霧裝置的實時控制；數據采集系統由NI9203數據采集模塊采集各參數電流信號并轉化成數字信號傳送到上位機，通過LabVIEW軟件實時顯示和存儲諸如流量、轉速、壓力、扭矩及響應時間等試驗數據。

2)通過伺服驅動模塊控制伺服電機運轉，模擬噴桿噴霧機的田間運動，進行轉速工況下的流量精度測試，試驗結果顯示平均流量誤差為4.0%，可作為以后判定變量噴霧裝置性能的一個技術參考。通過試驗，說明該試驗臺可有效實時控制噴桿噴霧機變量噴霧裝置，且測試中數據采集功能完整，可準確描述變量噴霧裝置實時工作狀態，滿足噴桿噴霧機變量噴霧控制裝置的性能測試需求。