喷杆喷雾机变量喷雾控制与测试试验台设计*

冯耀宁，裴亮，李晔，陈小兵，缪友谊，陈彬

(农业农村部南京农业机械化研究所，南京市，210014)

0 引言

我国是农业大国，在农作物种植过程中难免遭遇各种病虫害。据不完全统计，我国每年农作物病虫害的发生面积约2.4亿hm2·次，每年化学农药品种的生产达到2 000多种，年产量在1 000～1 100 kt制剂，年防治病虫害面积近3.1亿hm2·次[1]。因此，采取有效措施对农作物病虫害进行防治，是农作物种植过程中的必要手段，而喷杆喷雾机作为目前我国植保领域大田作业主要的作业机具，在农作物病虫害防治中起到极其重要的作用。

目前，精准施药技术在我国喷杆喷雾机上的应用较少，带来了诸如农药利用率低、农产品中农药残留超标和环境污染等问题[2]。精准施药模式可有效提高农药的利用率并且在一定程度上保护环境，减少污染[3]，变量喷雾是喷杆喷雾机实现精准喷雾、精量喷雾最重要的组成部分，智能变量控制部件更是实现精准施药的关键部件[4-7]。当前有学者针对变量喷雾控制系统与装置进行了研究。江苏大学邱白晶等[8]基于GPS和雷达测速技术，研制了一款变量喷雾装置，通过实时监测喷雾参数来描述喷雾过程的动态特性，并测定其控制系统的响应时间。测试结果表明，在4.65%的定量喷雾误差范围内，系统的响应延时会影响变量喷雾的均匀性，而合适的行进速度和一定的预留时间能在一定程度上减少这种影响。中国农业大学药械与施药技术研究中心于2016年研制了一种自走式变量施药喷杆喷雾机[9]，该喷雾机集合了多种诸如GPS、自动化控制、机电一体化和多传感器数据采集等现代化技术手段，基于病虫草害情况自动调整单位面积施药量。试验表明，该机作业过程中喷杆各处雾滴分布均匀性变异系数小于10%，单位面积施药量误差低于8%，定位精度在10 cm以内，可实现单位面积施药量保持一致，实现药液均匀喷洒到靶标作物。

虽然针对变量喷雾的研究有不少，但目前变量喷雾控制部件在喷杆喷雾机上的安装比例还较低，主要原因有以下几点：(1)目前变量喷雾部件尚未纳入国家或地方财政补贴，农民购买意愿不高，喷杆喷雾机生产厂家基于成本与市场原因不愿安装；(2)智能变量控制部件的安装价格与质量参差不齐，有的甚至于根本不变量；(3)我国乃至全世界均缺乏对变量控制部件的测试手段及评判标准，无法有效判定智能变量控制部件的好坏。智能变量控制技术作为植保机械行业的先进技术，生产企业、农户及农机管理部门对智能变量喷雾控制系统纳入农机补贴的呼声一直很大，因此研制变量喷雾控制与测试装备是十分必要的，不仅能促进喷杆喷雾机的行业发展，提高农药利用率，而且可为智能变量喷雾系统的技术推广和农机补贴政策的制定提供科学依据，有利于推进喷杆喷雾机变量喷雾质量评价技术规范的制定。

本文研制了一套喷杆喷雾机变量喷雾控制与测试试验台，可分别在GPS和转速两种工况下对变量喷雾控制系统或安装有变量喷雾控制装置的喷杆喷雾机进行喷雾流量精度测试、变量喷雾控制阀的响应精度测试和复杂工作条件下的寿命测试，以及对整个变量控制系统在工作状态下对扭矩、转速、压力等进行全方位监测。基于测试场地及试验简化等原因，本文试验仅采用转速工况下的流量精度测试，并进行分析。为喷杆喷雾机变量喷雾控制装置的性能测试提供技术支持，也为喷杆喷雾机的行业发展提供方向，向精准喷雾迈进。

1 测控系统总体方案设计

喷杆喷雾机变量喷雾控制公式如式(1)所示[10]，式(1)表明管路流量与施药量、喷杆喷幅、行驶速度有关，其中针对同一机具，即车轮直径一定，行驶速度与车轮转速成正比。喷雾之前，操作人员依据作物种类、病虫害状况、作业季节、施药种类在控制系统内部设定每公顷的施药量，操作人员测量自走式喷杆喷雾机喷幅，并在系统内部输入喷幅值。在设定每公顷施药量和喷幅一定时，管路流量与喷杆喷雾机行驶速度或车轮转速成正比，以实现不同行驶速度下的均匀喷雾。因此，在设计变量喷雾控制与测试试验台时，行驶速度或车轮转速和管路流量为主要控制与监测参数。

(1)

式中：q——管路流量，L/min；

Q——施药量，L/hm2；

L——喷幅，m；

v——机具前进速度，km/h；

d——车轮直径，m；

n——车轮转速，r/min。

如图1所示，变量喷雾控制与测试试验台由控制系统和数据采集系统组成。控制系统以西门子SIMATIC S7-200系列PLC(可编程控制器)为核心，在上位机安装的LabVIEW软件界面设置试验所需的参数发送到PLC，PLC利用内部嵌套的STEP 7-Micro/WIN SMART软件进行程序编辑，通过动力系统、驱动系统和变量控制系统实现对试验台转速、流量、转矩、阀体动作等的精确控制。数据采集系统采用美国NI9203数据采集模块，搭配高精度流量计、压力传感器、转矩转速传感器等，对管路流量、压力、转矩和行驶速度等参数进行电流信号采集并通过A/D(模拟数字转换器)转换成数字信号发送到上位机的LabVIEW软件，实现对试验数据的采集、显示和存储。

图1 控制与测试试验台整体结构框图Fig.1 Block diagram of control and test bench

2 控制系统设计

由于PLC(可编程控制器)可靠性高，抗干扰能力强，功能完善，实用型强[11-13]，试验台控制系统选用西门子SIMATIC S7-200系列PLC进行响应控制，PLC通过OPC Server接收上位机中LabVIEW设定的参数信息，采用STEP 7-Micro/WIN SMART软件进行程序编辑，再利用工业以太网通信和模拟量信号的方式实现对整个控制系统的实时控制。控制系统由动力系统、驱动系统和变量控制系统组成。

2.1 动力系统

动力系统由变频器、交流电机、扭矩转速传感器和隔膜泵组成。选用皖南交流电机，功率为11 kW，输入电压为380 V，电机转速为1 470 r/min；选用LS-S100型变频器，电机容量为15 kW，输入电压为三相400 V，可实现稳定的变频调速；选用JN338型数字式转矩转速传感器，量程为100 N·m，转速为6 000 r/min，准确度等级为0.2级，满足测试中转矩与转速采样要求；选用意大利ARAG隔膜泵，工作压力为0～2 MPa，流量为0～290 L/min，压力与流量范围大，适用范围广。交流电机通过变频电机的变频调速，为整个系统提供稳定可调的转速，隔膜泵在变频电机的带动下为整个系统提供稳定的压力源和流量，扭矩转速传感器将实时的转速和扭矩信息传递给上位机，用以对整个动力系统进行实时监控。动力系统组成装置如图2所示。

(a)交流电机、扭矩转速传感器、隔膜泵

2.2 驱动系统

由于伺服电机响应速度快，驱动系统硬件部分主要由伺服驱动器、伺服电机和法兰盘组成，如图3所示，主要作用是驱动伺服电机转动，模拟装有变量喷雾装置的喷杆喷雾机的田间运动。

图3 驱动系统硬件部分Fig.3 Drive system hardware part

试验时，在上位机中的LabVIEW软件界面设置车轮的速度及车轮直径，通过自动计算换算成转速，并将参数控制指令发送至PLC，PLC在西门子6ES7系列可编程控制器控制下发送控制指令到伺服驱动器，伺服驱动器驱动伺服电机转动，带动直连在伺服电机上的法兰盘一起转动，从而实现车轮的定速或变速运转，为被测系统提供转速精确可调的速度源，同时利用转速传感器与PLC将转速信号反馈给上位机，并通过自动换算在LabVIEW软件界面实时显示车轮速度，实现对速度的监控。伺服电机控制原理如图4所示。

图4 伺服电机控制原理图Fig.4 Servo motor control principle diagram

2.3 变量控制系统

变量控制系统主要由变量喷雾控制器、变量喷雾流量分配阀、流量计、压力传感器及喷杆组成。变量喷雾控制器主要用于喷雾参数的设置，在上位机LabVIEW软件界面可以设置喷杆喷幅、车轮转动系数以及目标流量(基于单位面积施药量及喷幅换算)；变量喷雾流量分配阀主要根据系统设置的目标流量调节比例阀开度的大小，比例阀和分配阀上的流量传感器一起构成了闭环回路，精确调节系统流量；装有五路喷杆，每段喷杆装有10个ST110-015型号喷头，根据需要选择喷杆路数用于喷雾。该控制系统可以根据施药量和速度的变化自动调节各喷头的施药量，从而实现整个系统喷雾变量控制的目的。

2.3.1 传感器选型

选用美国艾默生8750W系列电磁流量计，量程为6～50 L/min，精度为0.5%，输出信号为4～20 mA，脉冲输出频率为0～10 000 Hz，满足流量数据采集的实时性要求；采用螺纹连接，单独使用时方便携带。选用压力传感器量程为0～2.5 MPa，精度为0.1%，输出信号为4～20 mA，与流量计输出信号方式一致，均为电流信号，便于后续信号采集及转换。

2.3.2 电控比例阀的控制设计

电控比例阀流量的控制通过比例阀接收到的模拟量控制信号实现。PLC接收到上位机的控制指令后，通过模拟量输出模块将控制指令以4～20 mA电流信号的形式发送给比例阀，比例阀通过接收到的模拟量信号大小来控制阀体的开度大小。在本控制系统中，系统会根据变量喷雾控制系统的转速变化、在结合转速与车轮直径的关系，自主计算喷雾系统单位时间所需的总流量，电控比例阀能够根据电信号的大小转换成阀口开度的大小，能够根据系统给定的流量数值转换成电流信号，再根据电流信号转换成阀口相应的开度，从而精确控制通向喷头的流量。

为了更精确地控制通向喷头的流量，系统在电控比例控制阀的出口安装有高精度电磁流量计，进行流量的实时反馈，从而将系统的流量控制由开环控制转化为闭环控制，提高控制的精准性、可靠性[14]。

比例阀阀体动作采用增量式PID控制的方式，改变了原来速度调整中比例阀柱塞总要回到参考点的控制方式，通过求出增量(本次控制量和上次控制量的差值)，将原先的积分环节的累积作用进行了替换，易于在内存要求不高的控制器上实现[15]，缩短了速度调整过程中系统的响应时间，也使得速度变化过程中系统流量变化平缓，PID的调节方式也提高了对电控比例阀的控制精度。

3 数据采集系统设计

在喷杆喷雾机变量喷雾试验台模拟工况的试验过程中，需要关注行走速度的变化、流量的变化以及响应时间等关键参数，同时也需关注试验台整体运行情况，如动力系统的转速、转矩以及整个喷雾系统的工作压力等，因此，合理设计数据采集系统很有必要。

图5为采集系统结构示意图，选用美国NI9203的数据采集模块，用于采集喷杆喷雾机变量喷雾试验台试验过程中各传感器输出的电流模拟信号，并通过A/D 转换器转换成数字信号传递给上位机，在上位机中实时显示与存储。NI9203是一款C系列DAQ模块，带有8个模拟电流输入通道，可用于高性能控制及监控应用，最高可实现对8路信号的动态采集；该模块具有±20 mA可编程输入范围、16位分辨率以及200 kS/s 的最大采样率；为防止信号瞬变，NI9203包含一个通道对地双重隔离外壳(250Vrms隔离)，以实现安全和抗噪性。图6为采集模块的输入电路图，输入信号由单个16位ADC进行缓冲、调理和采样，模块对每个通道进行过电压保护。

图5 采集系统结构示意图Fig.5 Schematic diagram of the acquisition system

图6 采集模块的输入电路图Fig.6 Input circuit diagram of acquisition module

采用LabVIEW编程软件定制人机操作画面，并对采集并转换过的数字信号进行实时显示和存储，实现转速和流量检测的“虚拟仪器”技术，实现了对系统运行参数如流量、扭矩、压力、转速等的实时监测，同时也可进行测量系统在各种工况条件下的响应能力、响应精度测试。

4 变量喷雾试验台测控程序设计

变量喷雾试验台测控程序以LabVIEW软件为平台进行开发，包括控制系统命令、数据采集处理程序、数据显示存储等。控制程序主要用于将系统转速设定、按钮操作命令、行走速度设置命令、喷杆参数设置命令、施药量设置命令通过OPC Server传递给PLC来控制试验台的运转；数据采集处理程序用于采集和处理采集到的转速、转矩、流量、压力等信号；数据显示存储程序用于在线实时显示采集到的参数信号，从而使试验人员可以随时了解试验台的运行状态，记录相关的试验数据并存储，以便后续试验查看和分析。

4.1 PLC程序设计

西门子S7-200PLC在实时模式下具有速度快，通讯功能强大和较高生产力的特点，满足本试验台实时控制的要求。本次设计主要采用西门子S7-200系列PLC作为下位机，在STEP-7-Micro/WIN SMART编程环境下进行程序编写，该软件具有硬件配置和参数设置、组态通讯、编程、测试等功能，主要控制程序如图7所示。

图7 后台控制梯形图Fig.7 Background control ladder diagram

PLC程序流程图如图8所示。程序开始运行时，PLC首先进行初始化程序，然后进行自动与手动状态选择；若进行自动模式，则先对变量喷雾控制阀阀体位置进行检测，确定阀体位置是否到达参考点。阀体到位后，PLC将会给动力系统和速度控制系统发送信号，使得伺服电机和交流电机开始工作，然后采集模块进行实时数据采集，并将采集到的数据信号传送到上位机，通过LabVIEW软件进行数据显示和分析处理，数据采集完成后，变量喷雾控制阀归位，整个控制及测试完成。

图8 PLC程序流程图Fig.8 PLC program flow chart

4.2 LabVIEW程序设计

试验台控制与测试程序以LabVIEW软件为程序开发平台，采用图形化的编辑语言编写程序，产生的程序是框图形式，采集的数据以图表、曲线形式显示并进行存储，因其具有人机交互界面友好、编程高效、开发灵活等特点，故LabVIEW软件非常适合控制与测试系统[16-17]。变量喷雾测试与控制系统软件的主界面如图9所示，其对应的主要程序框图如图10所示。

图9 变量喷雾与控制系统软件主界面Fig.9 Variable spray and control system software main interface

图10 主要程序框图Fig.10 Main block diagram

主界面图中左上方为监控区域，用以实时监控系统的运行状态，如电机转速、电机扭矩、等参数、各电磁阀的通断状态、主流量计以及各支路流量计的实时流量等。右上方为流量图表显示部分，可以显示主流量计以及各支路流量计的流量曲线。左下方为参数设置区域，可以设置水泵电机的运行速度、系统的运行速度、以及系统的目标流量等。右下方为按钮区域，可以通过点击屏幕上的按钮，来控制主阀以及各支路电磁阀的通断。

本系统软件还设计了PID控制程序，其控制界面如图11所示，其可以显示系统控制下的PID调节过程。PID控制的运行提升了响应速度并提高了系统闭环测试的精度。

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

5 试验验证

为了验证系统的控制与测试功能，特通过该变量喷雾控制与测试试验台对意大利某公司生产的变量喷雾控制阀总成进行控制与测试，通过控制伺服电机模拟喷杆喷雾机的车轮转动情况，进行转速(行驶速度)工况下的流量精度测试(图12)。主要测试不同转速(行驶速度)下，变量喷雾控制阀总成的目标流量与实际流量的误差大小。

图12 系统验证试验Fig.12 System verification test

将被测对象变量喷雾控制阀总成通过管路、线路接入试验台，连接三段喷杆进行喷雾试验，采用每段喷杆前端安装的高精度电磁流量计采集各段喷杆流量。在上位机Lab VIEW软件主界面中设置相关参数，其中给定车轮模拟速度分别为10 km/h、15 km/h和20 km/h 三种工况，设置作业系数为1(作业系数与具体的单位面积施药量和喷辐有关，此处为便于计算，不具体去考虑，设置为1)，则对应的目标流量分别为10 L/min、15 L/min和20 L/min。启动试验台，控制变量喷雾控制阀进行喷雾，三段喷杆流量之和为喷杆的实际喷雾流量。三种工况，每种工况做3次重复试验，数据统计时，统计3次试验下的平均喷雾量。流量精度测试结果如表1所示。

表1 流量精度测试结果Tab.1 Flow accuracy test results

从表1中可以看出，随着机具行驶速度的增加，整个系统的喷雾量都有所增加，这是因为在单位面积施药量不变的情况下，系统单位时间的施药量与机具的行驶速度成正比，行驶速度快，比例阀开口大，喷雾量大，行驶速度慢，比例阀开口小，喷雾量小；由于系统的变量喷雾控制阀比例阀的控制精度与系统控制精度存在差异，导致喷雾量存在一定的误差，测试结果显示平均流量误差为4.0%，可作为以后判定变量喷雾装置性能的一个技术参考。通过试验，说明本变量喷雾控制与测试试验台可以完成变量喷雾装置的控制功能，且测试中数据采集功能完整，可准确描述变量喷雾装置实时工作状态，满足喷杆喷雾机变量喷雾控制装置的性能测试需求。

6 结论

1)研制了一套喷杆喷雾机变量喷雾控制与测试试验台，针对现有的变量喷雾装置，基于PLC和Lab VIEW软件，研究了变量喷雾控制系统和数据采集系统。控制系统由动力系统、驱动系统、流量系统和变量控制系统组成，实现对变量喷雾装置的实时控制；数据采集系统由NI9203数据采集模块采集各参数电流信号并转化成数字信号传送到上位机，通过LabVIEW软件实时显示和存储诸如流量、转速、压力、扭矩及响应时间等试验数据。

2)通过伺服驱动模块控制伺服电机运转，模拟喷杆喷雾机的田间运动，进行转速工况下的流量精度测试，试验结果显示平均流量误差为4.0%，可作为以后判定变量喷雾装置性能的一个技术参考。通过试验，说明该试验台可有效实时控制喷杆喷雾机变量喷雾装置，且测试中数据采集功能完整，可准确描述变量喷雾装置实时工作状态，满足喷杆喷雾机变量喷雾控制装置的性能测试需求。