多回流式变量喷药控制系统设计研究

成都市农林科学院 曹亮

引言

多回流式变量喷药控制系统能够根据喷药机的实际运行情况来完成对比例控制阀的调节，并通过改变回流口的开度来控制喷药量，从而使喷药机完成变量喷药，提升喷药机喷药时的稳定性与控制精准度。因此，有必要对多回流式变量喷药控制系统设计进行分析。

1 设计多回流式变量喷药控制系统的重要性

我国作为农业大国，农作物在种植过程中非常容易受到病虫害的影响，导致农作物产值下降。就目前而言，我国农作物防治病虫害的主要手段依然是农药的喷洒，农药喷洒质量能够直接影响到农作物的产值。据有关资料表明，我国的农业种植可以通过农药每年挽回约20%的产量。但是由于我国农药喷洒设备发展落后，因此我国农药利用率相对偏低，这也成为制约我国农业发展的一道障碍。

现如今，精准施药技术获得了各个国家的重视，美国以及日本等一系列国家都在精准施药技术中进行了非常多的研究。而我国也因为国家政府对农机的补贴提升而在精准施药技术上有了很大进步，大型农药喷洒设备也在逐渐普及，但是我国大型喷药设备的控制方式相对比较单一，喷药量往往需要经过手动进行调节，因此无论是喷药效率还是喷药质量都有非常大的发展空间。我国的喷药设备大多都会通过改变喷药量的方式来进行变量喷药，比如药液注入式、脉宽调制式等，其中脉宽调制式在实际喷药过程中会通过调节脉冲的占空比来完成对电磁阀的开启与关闭，使喷药量发生改变，从而实现变量喷药，但是脉冲调制在实际运用中仍有一定缺陷，因为其控制喷药量的方式需要让喷头对应不同的电磁阀，而大型喷药设备的机幅宽度都在12米以上，喷头数量非常多，所以这种控制方式在实际应用过程中具有较高的成本，很难在大型喷药机中普及。因此多回流式变量喷药控制系统一经提出就得到了很多关注，通过这种方式能够在控制成本的同时实现变量喷药，提升喷药质量。

2 控制系统结构设计

2.1 总体结构

多回流式变量喷药控制系统是在3WP-1200 型喷药机的基础之上设计而成的，喷药机中原控制装置主阀以及比例控制阀还有开关控制阀都属于手动控制阀，因此在进行喷药时无法完成自动调节，只能通过手动调节的形式来进行喷药量的控制。而经过改进设计出的多回流式变量喷药控制系统则是由比例控制阀、5 路开关控制阀等一系列阀门组成，在实际工作中可以根据喷药机的行进情况来实时调整喷药量，在保证喷药质量的同时提升喷药效率。

2.2 控制原理

多回流式变量喷药控制系统的工作原理为：在喷药机正式喷药之前将拖拉机的后输出轴与喷药机的隔膜泵进行连接，然后在触摸屏中输入喷头数量以及喷药量等参数。通常喷头之间的间隔为500mm，所以通过结合喷头数量就能够判断出喷药幅宽。在正式开始喷药时，需要同时将喷药控制系统与拖拉机后输出轴一同启动，并通过对拖拉机的行进速度进行实时监控，将得出的行进参数与提前设定好的喷头数量以及喷药量相结合得出相应的数值，然后将该数值与监测到的实际流量进行对比，通过PID 闭环控制算法来自动调节比例调节阀的开度，对回路流量的控制能够影响主路流量，只要能够保证实际流量与理论流量一致，就能够达到准确改变喷药量的目的[1]。

在控制系统中，通过速度传感器能够确保拖拉机行进速度达到设定值时才可以进行喷药，这样能够控制喷药机在地头转弯时不喷药，以免出现药液浪费的现象。而安全阀能够在水管压力超出警戒时将多余的药液排出，防止喷药过程中出现水管爆裂的情况。所以在喷药开始前必须通过手动进行压力调整，保证压力的合理性。喷药机中的主阀要通过PLC 处理器进行控制，主阀打开时，其穿过安全阀的阀芯就会将喷药主路口堵住，这时的安全阀内部会打开回流口使药液回流至药箱当中，停止喷药。主阀关闭时喷药主路口则会开启，此时安全阀中的回流口则会关闭，这时的安全阀将会起到保压的效果。所以通过PLC 控制主阀开关能够完成对喷药量的控制。

3 控制系统的硬件设计

变量喷药控制系统在设计时会将PLC 作为控制核心，其主要由控制器、检测传感器、报警模块等零部件组成，控制系统可以通过对流量、速度以及压力等参数信息进行实时监测并将信息传递给控制器进行处理，控制器则会发送指令来完成对不同阀门的控制，从而实现变量喷药。

3.1 控制器选型

控制器可以选择西门子S7-200PLC，CPU 型号为224CN，能够连接拓展模块7 个，还带有PID 控制器，能够很好地满足多回流式变量喷药控制系统的需求[2]。

3.2 转换模块的选择

控制系统压力、液位传感器输出电压、电流信号都属于模拟信号，将模拟信号转换为数字量之后才能够将其传输到PLC 进行信息数据的运算处理。在控制系统中，比例控制阀则属于电流信号控制，所以系统需要将数字量信号转换为模拟信号进行输出。所以转换模块可以选用EM235，这种模块带有4 路模拟量输入以及1 路模拟量输出，但是因为此模块在输入端无法同时设置量程以及分辨率，所以在模块输入端同时具备电压、电流信号时要准备多个转换模块。

3.3 电源模块、触摸屏选择

PLC 以及传感器等元件可以选用24V 的直流电压来保证供电效率，而且拖拉机的车载电源为12VDC 或者是24VDC，如果车载电源并不是24VDC 就需要通过升压模块进行升级。控制系统在运行之前需要对喷药机的喷嘴数量以及喷药量、启动喷药时的最低行进速度等参数进行提前设定，而且喷药流量、压力等参数还会通过触摸屏显示出来，需要保证触摸屏能够达到一定标准。

4 控制系统的软件设计

4.1 参数检测原理

控制系统运行过程中会对作业时的各项参数进行监测，而PLC 则会对数据信息进行处理，并向各阀门发出控制指令，以此来控制执行元件的动作情况。

4.1.1 速度检测

通过在拖拉机的地轮轴上安装多个磁钢，并在磁钢上方安装速度传感器能够完成对拖拉机行进速度的检测，因为不同磁钢在经过传感器时，PLC 能够实时接收相应的脉冲信号，进行数据处理能够得出行进速度[3]。

4.1.2 模拟量的采集、检测

控制系统中的输出信号即为模拟量的传感器，其中模拟量会通过转换模块转换成相对应的数字量。PLC 通过对数字量进行处理就可以得到模拟量的对应检测值，而通过液位传感器的检测值则可以得到喷药机当前的剩余液位高度。

4.2 PID 控制方法

通过PID 控制能够调节控制系统中的流量，即PLC 可以通过流量传感器将管道内的当前流量反馈到控制器中，接收到实际流量的控制器则会将其与理论流量进行比较并产生二者之间的偏差信号，PLD 计算偏差信号之后能够得出控制量，通过对比例控制阀开口度进行调节来保证实际流量与理论流量一致，从而完成喷药量闭环控制，这种控制方法能够保证流量控制的准确性。

4.3 主程序设计

多回流式变量喷药控制系统的软件需要能够完成流量、速度等参数的采集以及PID 调节流量等功能，只有这样才能保证控制系统得以顺利地进行。控制系统启动之后需要进行自检初始化，然后进行液位的采集，如果药箱中的液位低于警戒线，则会出现警报，液位正常时方能输入各项作业参数。在喷药开关打开后，比例调节阀完全开启，此时药液会回流，并进行速度采集。当行进速度大于设定值后，就要通过比例控制阀的开口度调节喷药量，当喷药开关关闭后则会停止喷药。除此之外，该系统依然留有手动模式，而且在自动模式下依然可以通过手动调节比例控制阀来实现局部喷药量的控制[4]。

5 试验分析

5.1 试验条件

多回流式变量喷药控制系统的试验包括流量控制、喷药量控制以及液位标定试验，该喷药机为背负式，其药箱的额定容量为1200L、喷幅22M、喷头44 个，试验过程中通过水来代替药液。

5.1.1 液位标定试验

因为药箱形状不规则，所以为了保证能够精准地检测出药液的剩余高度，需要保证能够在不同液位下得出药液剩余量。液位标定试验分为以下几个步骤：第一，将未加水的喷药机进行称量，并读取其质量。第二，在喷药机中注水，每增加100kg，都要通过液位传感器记录一次液位，每一次记录需要测量三次以上，保证测量精确性。第三，喷药机加水量达到1300L 时测量结束，通过测量后发现，当药箱达到100L 时，测量得出的最大拟合误差为12%，而当溶剂大于100L 时，其最大拟合误差则会明显下降，此时误差≤3.7%，由于药液溶剂检测精确度的要求并不高，所以该误差符合要求。

5.1.2 变量喷药试验

（1）流量控制试验

PLC 运行时能够接受脉冲信号，在试验时需要在手动模式下进行，试验方式如下：第一，后输出轴转速调整到540r/min。第二，打开喷药系统并调节流量，保证喷药压力在200～500kPa。第三，将目标流量设置为65、85、105L/min，在不同流量下分别接取五个喷嘴喷出的水时间为两分钟。第四，计算实际流量并将测量流量与检测流量进行对比。通过试验能够发现单个喷头的误差小于4.3%，能够满足误差小于6%的要求。

5.2 喷药量控制试验

在喷药量试验开始之前，需要提前注水并测量质量，直到药箱内部水量达到1200kg 为止。在喷药结束之后，试验人员可以通过触摸屏来得到已喷面积数据，此时能够计算出实际喷药量。试验过程中为了防止管内压力过大，所以安全阀压力设置为600kPa，因此喷药速度必须得到保障，由于喷药压力过小时雾化效果较差，所以选定试验速度为4～8km/h。通过试验能够得出行进速度提升能够提升喷药量，而且恒速试验实际喷药量与设定值相差不超过5%，变速试验实际喷药量与设定值相差不超过5.8%，该控制精度符合要求。

6 结语

总之，多回流式变量喷药控制系统设计非常重要，能够在提升喷药效率的同时增加喷药质量。相信随着更多人关注到多回流式变量喷药控制系统，该控制系统的设计一定会变得更加完善。