劉曉凱，吳 姝，蔣 斌，魏新華

(江蘇大學(xué) 農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

目前，我國水田植保機械主要以人力背負(fù)式施藥機械為主，現(xiàn)有的自走式水田施藥機械由于機組質(zhì)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(yù)混藥和射流器在線混藥的方式進(jìn)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(shù)具有水箱和藥箱分離的特點，在減少農(nóng)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(yōu)勢，因此受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)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(jié)構(gòu)參數(shù)的射流混藥裝置應(yīng)用于3種不同流量特性的在線混藥噴霧系統(tǒng)，實驗平臺試驗結(jié)果表明：射流混藥裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴霧系統(tǒng)的工作狀態(tài)具有顯著影響，在同一種噴霧系統(tǒng)中，改變射流混藥裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)，噴霧系統(tǒng)的工作狀態(tài)也發(fā)生改變[11]。袁琦堡等設(shè)計了一種在線實時混藥噴霧系統(tǒng)，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(nóng)藥原液注入噴霧系統(tǒng)，試驗表明：當(dāng)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(yīng)增大[12]。

本文針對水田施藥機設(shè)計了一種采用輕量化在線分批預(yù)混藥系統(tǒng)，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(gòu)建硬件系統(tǒng)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(jìn)行混藥性能試驗。

1 輕量化在線分批預(yù)混藥系統(tǒng)的整體設(shè)計

本文所設(shè)計的水田施藥機輕量化在線分批預(yù)混藥系統(tǒng)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(yīng)管路組成。取水泵從集水槽內(nèi)經(jīng)過濾器為取水箱供水，當(dāng)液體的容積到達(dá)取水箱容積的設(shè)定上限時，通過電磁閥的動作實現(xiàn)管路的調(diào)整，反向沖洗過濾器；取水裝置可為系統(tǒng)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(yīng)管路?；焖幈脤⑷∷鋬?nèi)的水經(jīng)文丘里管及雙螺旋混藥器吸入到混藥箱內(nèi)，當(dāng)液位傳感器B檢測到液體的容積達(dá)到混藥箱的設(shè)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(guān)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(qū)動直線模組，帶動取藥器做往復(fù)運動。取藥器采用的是柱塞式醫(yī)用針筒，可在直線模組的驅(qū)動下配合單向閥A、B完成平滑的取、送藥動作。接近開關(guān)組由左右兩個接近開關(guān)組成，左端接近開關(guān)安裝在直線模組所對應(yīng)的取藥器最大位移處，保護(hù)取藥器；右端接近開關(guān)安裝在直線模組所對應(yīng)的取藥器最小位移處，為取藥器提供初始位置標(biāo)記，避免誤差積累。

1.直線模組 2.接近開關(guān)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(yīng)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(guān)、按鈕開關(guān)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(guān)鍵參數(shù)的顯示。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

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

圖3 輕量化在線分批預(yù)混藥系統(tǒng)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(shù)字量輸入和16個數(shù)字量輸出，共40個數(shù)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(zhuǎn)向控制。Q0.2～Q1.0用于和電磁閥A-G串聯(lián)的繼電器數(shù)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(lián)的繼電器數(shù)字量輸出，控制兩個泵的啟停。I0.0～I(xiàn)0.23個數(shù)字量輸入端口作為系統(tǒng)電路啟、停及急停3個按鈕開關(guān)的信號輸入點。I0.3、I0.4作為接近開關(guān)A、B的數(shù)字量輸入端，用以控制取藥器的返程零點及進(jìn)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(tǒng)的用戶操作界面。系統(tǒng)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(yīng)式伺服電機(杭州，翼志運控)，配備YZACSD608型伺服電機驅(qū)動器(杭州，翼志運控)。系統(tǒng)選用西門子生產(chǎn)的Smart line系列Smart 700 IE V3型觸摸屏。接近開關(guān)A、B采用的是IF12B-03-NO-C3霍爾式傳感器(日本，富士達(dá))。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(tǒng)軟件設(shè)計

PLC運動協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)軟件采用SIMENS S7-200 PLC專用編程軟件STEP 7開發(fā)而成。

3.1 輕量化在線分批預(yù)混藥系統(tǒng)工作流程

輕量化在線分批預(yù)混藥系統(tǒng)的主程序流程，如圖4所示。

圖4 輕量化在線分批預(yù)混藥系統(tǒng)工作流程圖

系統(tǒng)上電啟動后，首先進(jìn)行開機檢查，保證系統(tǒng)能夠正常輸入與輸出；在PLC啟動之后，通過觸摸屏分別設(shè)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(dāng)前容積值Va、Vb、Vc，并接通取水泵。當(dāng)取水箱內(nèi)當(dāng)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(nèi)的水經(jīng)過濾器吸入到取水箱；當(dāng)取水箱內(nèi)當(dāng)前容積值Va≥Va2時，電磁閥A、D關(guān)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(nèi)當(dāng)前容積值Vb≤Vb1時，電磁閥E開啟、電磁閥F、G關(guān)閉，混藥泵將取水箱內(nèi)的水送入混藥箱，同時PLC向伺服電機驅(qū)動器發(fā)送指定數(shù)量的脈沖及反轉(zhuǎn)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(nèi)當(dāng)前容積值Vb≥Vb2時，電磁閥E關(guān)閉、F打開，水流經(jīng)溢流支路返回取水箱；藥液箱內(nèi)當(dāng)前容積值Vc≤Vc1時，電磁閥G打開，混藥箱內(nèi)混合好的藥液靠重力落入藥液箱，重復(fù)以上循環(huán)。

3.2 基于液位傳感器的水箱容積計算程序

根據(jù)在線精準(zhǔn)分批混藥系統(tǒng)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(jìn)入的液體容積為固定值?？梢姡瑢θ莘e的測控直接決定了進(jìn)水量的體積，進(jìn)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(dāng)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(yīng)模擬量模塊的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的范圍是6 400～32 000，各水箱的規(guī)格均為600mm×300mm×300mm，因此可得水箱當(dāng)前容積與電流信號的計算公式為

(1)

式中y—水箱當(dāng)前容積(L)；

x—電流信號實時數(shù)字值。

3.3 基于PLC中脈沖數(shù)量的伺服電機轉(zhuǎn)動圈數(shù)的控制程序

在混藥系統(tǒng)運行前可在觸摸屏上實時設(shè)置混藥系統(tǒng)的混藥比及混藥箱容積的上下限，所以在線設(shè)置的混藥比需建立與每次注藥量的函數(shù)關(guān)系；而注藥量體現(xiàn)的是伺服電機的轉(zhuǎn)動圈數(shù)，即PLC對伺服電機發(fā)送的脈沖數(shù)。伺服電機編碼器分辨率為1 000線，即伺服電機轉(zhuǎn)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(dǎo)程為75mm，注藥器活塞直徑為40mm，根據(jù)以上條件，可得混藥比與脈沖數(shù)的函數(shù)關(guān)系，即

(2)

整理得

式中n—PLC對伺服電機發(fā)送的脈沖數(shù)；

k—預(yù)設(shè)定的混藥比；

vb1—預(yù)設(shè)定的混藥箱容積下限(L)；

vb2—預(yù)設(shè)定的混藥箱容積下限(L)。

同時可得單次混藥量與脈沖數(shù)的函數(shù)關(guān)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(shù)的函數(shù)關(guān)系、單次注藥量與脈沖數(shù)函數(shù)關(guān)系的建立，可通過在觸摸屏上在線輸入混藥比，實現(xiàn)對伺服電機驅(qū)動器脈沖數(shù)的換算，以達(dá)到混藥比在線可調(diào)的目的。同時，單次注藥量作為重要工作參數(shù)，可在觸摸屏上實時顯示。

4 輕量化在線分批預(yù)混藥系統(tǒng)試驗

4.1 試驗平臺的搭建

以本文中精準(zhǔn)混藥系統(tǒng)的工作原理及流程為依據(jù)，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(xiàn)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(nèi)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(jìn)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(yù)混藥系統(tǒng)性能試驗

本試驗平臺的搭建，目的是為了實現(xiàn)對水藥混合比的精確控制，系統(tǒng)通過控制單次取藥量及取水量進(jìn)行分批混藥的方式實現(xiàn)精準(zhǔn)混藥，可見單次取藥量、單次取水量是決定混藥精度的關(guān)鍵因素；又因采用的是在線混藥的方式，所以混藥均勻性應(yīng)作為混藥性能的主要指標(biāo)。因此，在本節(jié)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(tǒng)的混藥性能進(jìn)行試驗。

試驗地點在江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院農(nóng)機實驗室北大間進(jìn)行，由于農(nóng)藥具有揮發(fā)性及毒性，所以采用20g/L的胭脂紅溶液模擬農(nóng)藥進(jìn)行試驗。試驗分兩組進(jìn)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(tǒng)應(yīng)具備較大的水藥混合比范圍的適應(yīng)性，所以選擇了250∶1、700∶1、1 500∶1/等3個混藥比作為設(shè)定參數(shù)。試驗開始前，在觸摸屏上分別設(shè)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(dá)容積上限時程序停止運行，分別測定混藥箱內(nèi)水的容積及量筒中藥液的容積并記錄數(shù)據(jù)，通過對測定值與理論值進(jìn)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(shù)值準(zhǔn)確，需對分光光度計進(jìn)行重新標(biāo)定，為減少標(biāo)定誤差，采用同一組比色皿進(jìn)行。分別配置0.01、0.02、0.04、0.06、0.08、0.10g/L的胭脂紅標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)。重復(fù)上述操作2次，共得到18組標(biāo)準(zhǔn)濃度溶液的吸光度值，試驗數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)濃度溶液與吸光度的擬合曲線

通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到胭脂紅標(biāo)準(zhǔn)濃度溶液與吸光度的函數(shù)關(guān)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(biāo)準(zhǔn)濃度溶液(g/L)。

試驗開始時，將各部件按照工作狀態(tài)連接好，分別設(shè)定水藥混合比為250∶1、700∶1、1000∶1，當(dāng)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(jìn)行測量，得到試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 試驗樣本吸光度數(shù)據(jù)表

利用胭脂紅標(biāo)準(zhǔn)濃度溶液與吸光度的函數(shù)關(guān)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(tǒng)混藥均勻性進(jìn)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(jié)論

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

2)由第1組試驗結(jié)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(guī)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(yīng)時間，且該響應(yīng)時間為變動量，造成電磁閥的延遲開啟或關(guān)閉；②由于所選用的取藥器為塑料材質(zhì)，密封性不佳，當(dāng)直線模組高速運行時，易產(chǎn)生漏氣的現(xiàn)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(jìn)行造成的。

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