基于PLC的噴桿噴霧機變量噴霧自動控制系統(tǒng)設(shè)計

裴　亮，李　曄，馮耀寧，張　曉，陳　曉，繆友誼

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京　210014)

0　引言

噴桿噴霧機作為大田作物高效噴灑農(nóng)藥的農(nóng)具，廣泛應(yīng)用于棉花、玉米、大豆和小麥等作物生長的病蟲害防治。近幾年來，噴桿噴霧機特別是自走式噴桿噴霧機，由于其高效的田間性能、良好的田間作業(yè)質(zhì)量得到了廣大用戶的歡迎。然而，目前的自走式噴桿噴霧機的發(fā)展仍處于起步階段，自動化程度低、噴霧系統(tǒng)落后及噴灑不均導(dǎo)致的農(nóng)藥浪費和環(huán)境污染問題仍然很嚴重。

目前，噴桿噴霧機噴灑不均的主要原因主要有以下幾點：①噴頭的選擇不正確；②噴頭的噴霧量不一致；③噴頭的安裝角度不正確；④噴灑機具行駛速度不均。特別是行駛速度不均這一點，現(xiàn)有機具解決起來比較困難。因此，設(shè)計一套自動化和智能化程度較高、噴霧理念比較先進噴霧自動控制系統(tǒng)，以解決行駛速度不均導(dǎo)致的噴灑不均是十分必要的。

針對精準噴霧的要求，本文提出了一種變量噴霧的控制系統(tǒng)的設(shè)計方案：采用西門子S7-200 PLC及TP270觸摸屏對整個系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理及程序控制，將噴霧量與自走式噴桿噴霧機的行駛速度相關(guān)聯(lián)，依據(jù)行駛速度的變化系統(tǒng)自動調(diào)整噴頭噴霧量，從而使得無論在何種作業(yè)速度下單位施藥面積的施藥量均能保持一致。各主要部件位置關(guān)系如圖1所示。

A.觸摸屏　B.可編程控制器(PLC)　C.液壓電磁閥　D.電控節(jié)閥 E電控比例控制閥　F.流量傳感器　G.主閥H.轉(zhuǎn)速傳感器　I.離心泵　J.過濾器　K.噴桿　L.壓力傳感器圖1　噴桿噴霧機變量噴霧系統(tǒng)部件位置關(guān)系圖

1　總體設(shè)計

變量噴霧的控制思想來自以下公式，即

式中M—每公頃的施藥量(L/hm2)；

K—整個噴霧系統(tǒng)噴頭總流量(L/min)；

A—噴桿噴幅(m)；

V—自走式噴桿噴霧機的行駛速度(km/h)。

從上述公式可以看出：在噴桿噴幅確定的情況下，可以通過控制自走式噴桿噴霧機的行駛速度和整個噴桿系統(tǒng)的噴頭總流量來達到控制施藥量的目的。

該控制系統(tǒng)自動控制過程自上而下是這樣的：在初始條件下，操作人員根據(jù)作物種類、病蟲害狀況、作業(yè)季節(jié)及施藥種類計算每公頃的施藥量，并在系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置此值；操作人員測量自走式噴桿噴霧機噴幅，并在系統(tǒng)內(nèi)部輸入噴幅值。

在噴灑作業(yè)中，系統(tǒng)會根據(jù)自走式噴桿噴霧機的行駛速度、公式自主計算噴霧系統(tǒng)所需的總流量；整個系統(tǒng)管路中集成有電控比例閥，能夠根據(jù)電信號的大小轉(zhuǎn)換成閥口開度的大小和根據(jù)系統(tǒng)給定的流量數(shù)值轉(zhuǎn)換成電壓信號，再根據(jù)電壓信號轉(zhuǎn)換成閥口相應(yīng)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(tǒng)在電控比例控制閥的出口安裝有流量傳感器，從而將系統(tǒng)的流量控制由開環(huán)控制轉(zhuǎn)化為閉環(huán)控制，提高了控制的精準性和可靠性。

為了檢測自走式噴桿噴霧機的行駛速度，在車輪緊固螺絲處安裝有轉(zhuǎn)速傳感器，系統(tǒng)將轉(zhuǎn)速傳感器采集的角速度數(shù)據(jù)通過計算后轉(zhuǎn)換為車輪的線速度。

由于本文中采用通過調(diào)節(jié)回水流量的方式來調(diào)節(jié)噴頭流量和系統(tǒng)壓力，因此系統(tǒng)所采用的容積泵必須有比較大的出水流量。據(jù)試驗測算，要達到此控制

要求，容積泵的最大出水流量要達到整個系統(tǒng)噴頭總流量的兩倍以上。本文所采用的容積泵為離心泵，離心泵結(jié)構(gòu)緊湊、流量范圍寬、適用于輕度腐蝕性液體、控制方式多樣、流量均勻、運轉(zhuǎn)穩(wěn)定且振動小。雖然工作壓力比較低，大多數(shù)在0.5MPa以下，但正好符合噴桿噴霧機低工作壓力高流量的要求。

系統(tǒng)還可動態(tài)顯示并設(shè)定各種參數(shù)，如系統(tǒng)壓力、流量、藥液箱液位、行駛速度以及故障信息等。

對于大型的噴桿噴霧機的噴桿展開方式，人工展開折疊工作量大，系統(tǒng)為了提高自動化水平設(shè)計了液壓缸作為噴桿展開折疊以及升降的執(zhí)行機構(gòu),采用液壓電磁閥來控制液壓油的流向和通斷，通過PLC的信號輸出來控制液壓電磁閥的通斷及換向。

2　主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1系統(tǒng)硬件選擇

變量噴霧自動控制系統(tǒng)的電氣部分分為3層：

1)第1層為集中控制層(上位機)。上位機選用西門子TP270，利用組態(tài)王軟件開發(fā)出一套變量噴霧自動控制系統(tǒng)的控制程序，作為實時監(jiān)控和發(fā)出指令的中樞，通過Profibus-DP總線傳給下位機(PLC),并從下位機接收指令。

2)第2層為現(xiàn)場控制層(下位機)?？紤]到現(xiàn)場有近16個數(shù)字量輸入點、9個數(shù)字量輸出點、3路模擬量輸入及1路模擬量輸出，下位機采用西門子S7-200CPU224作為控制核心，擴展一個數(shù)字量擴展模塊EM223和一個模擬量控制模塊EM235?？刂朴布韴D如圖2所示。

圖2　控制硬件原理圖

3)第3層為現(xiàn)場傳感器、執(zhí)行器和限位開關(guān)等。傳感器主要由流量傳感器、壓力傳感器、液位傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器和操作按鈕等組成；執(zhí)行器主要由液壓馬達、離心泵、各路液壓電磁閥及控制各路液體的電動閥等組成；限位開關(guān)主要用來輸入各段噴桿的就位信號，如升降是否到位及噴桿展開是否到位等。

2.2I/O點分配

變量噴霧自動控制系統(tǒng)I/O點分配如表1所示。

表1　PLC的I/O分配表

2.3系統(tǒng)軟件的設(shè)計

2.3.1軟件設(shè)計思想

變量噴霧自動控制系統(tǒng)有3種工作模式，即手動控制、半自動控制和自動控制模式。手動控制模式直接控制各個電動閥門動作和離心泵的起停。該模式下，操作人員可以手動調(diào)節(jié)每一個閥門的開度，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作壓力、流量，以滿足不同的工作環(huán)境需要。半自動控制模式按照控制要求單步操作，操作人員可以在控制程序下分別檢查各子程序的工作情況，如噴桿升降、噴桿展開折疊是否到位，以及噴頭流量與設(shè)計是否一致等。自動控制模式用于平時的正常生產(chǎn)，按照噴霧作業(yè)的要求在一定的時序下順序進行。該模式下，操作人員除了正常操作機器行駛外，其余部分都由程序控制進行。如果自動控制出現(xiàn)問題，可以轉(zhuǎn)到半自動模式進行。

2.3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計

變量噴霧自動控制系統(tǒng)主程序流程如圖3所示。

圖3　主程序流程圖

變量噴霧自動控制的子程序包括自動控制子程序、半自動控制子程序、手動控制子程序、故障處理子程序、噴桿展開折疊子程序、噴桿升降子程序及流量控制子程序等。由于篇幅限制，本文只對自動控制子程序作簡要說明，其流程如圖4所示。

圖4　自動控制子程序流程圖

3　試驗驗證

3.1試驗條件

性能試驗在位于臨沂市河?xùn)|區(qū)的某植保機械生

產(chǎn)企業(yè)質(zhì)檢車間進行。該車間擁有1臺機具行走試驗臺，該試驗臺可將車輪置于輥子上，通過車輪帶動輥子轉(zhuǎn)動，模擬車輛在平地上行走。試驗臺上有速度顯示儀，用于顯示機具的行駛速度。

3.2試驗方法

系統(tǒng)選定施藥量為195L/hm2,選用ST110-015型號噴頭，分別在機具速度為5、6、7km/h，噴霧壓力為0.3MPa下，測量噴頭實際噴霧量，噴頭實際噴霧量與設(shè)定噴霧量的誤差在5%以內(nèi)為設(shè)計有效。本次試驗的機具噴霧為11m，每次測試時間3min，噴頭個數(shù)為22個。

3.3試驗結(jié)果分析

由表2、表3中可以看出：隨著機具行駛速度的增加，無論是單個噴頭的噴量還是整個系統(tǒng)的噴量，都有所增加。這是因為在公式中在每公頃施藥量不變的情況下，系統(tǒng)單位時間的施藥量與機具的行駛速度成正比，根據(jù)公式計算的每公頃實際施藥量大致相同。由于輪胎與試驗臺棍子之間有打滑現(xiàn)象的發(fā)生，試驗臺顯示的速度與機具的實際速度并不完全一致，導(dǎo)致施藥量存在一定的誤差，然而誤差基本保持在5%的范圍內(nèi)，這也驗證了整個系統(tǒng)基本達到了預(yù)期的效果。

表2　變量噴霧自動控制系統(tǒng)試驗結(jié)果

表3　變量噴霧自動控制系統(tǒng)試驗結(jié)果(續(xù))

4　結(jié)論

以S7-200 PLC為核心的變量噴霧自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對流量、壓力的自動控制，實現(xiàn)了以總施藥量為控制目標的噴霧系統(tǒng)變量控制，實現(xiàn)了對藥箱液位、工作流量、速度的實時監(jiān)控，

實現(xiàn)了對噴桿展開、折疊及升降的自動操作，減輕了勞動強度，提高了工作精度和噴灑質(zhì)量，提高了勞動生產(chǎn)率。

參考文獻：

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ID:1003-188X(2018)04-0129-EA