轻量化在线分批预混药系统的设计及试验

刘晓凯，吴 姝，蒋 斌，魏新华

(江苏大学 农业装备工程学院，江苏 镇江 212013)

0 引言

目前，我国水田植保机械主要以人力背负式施药机械为主，现有的自走式水田施药机械由于机组质量过大，水田行驶过程中易陷车，限制了此类机型的推广。同时，施药机组多采用人工预混药和射流器在线混药的方式进行水药配比，药液混合比及均匀性均无法保证[1-2]。

在线混药技术具有水箱和药箱分离的特点，在减少农药的浪费、保障施药人员安全及施药机组的清洗等方面都有突出的优势，因此受到了国内外学者的广泛关注[3-10]，其实施方式主要有射流混药和外加能源式混药两种。邱白晶等考察了24种不同结构参数的射流混药装置应用于3种不同流量特性的在线混药喷雾系统，实验平台试验结果表明：射流混药装置的结构参数对喷雾系统的工作状态具有显著影响，在同一种喷雾系统中，改变射流混药装置的结构参数，喷雾系统的工作状态也发生改变[11]。袁琦堡等设计了一种在线实时混药喷雾系统，通过对水流量的实时测控，控制精量柱塞泵在施药泵入口处直接将农药原液注入喷雾系统，试验表明：当水药混合比增大时，由于柱塞泵的流量变小，管路脉动对柱塞泵的流量影响更为明显，混药精度误差也相应增大[12]。

本文针对水田施药机设计了一种采用轻量化在线分批预混药系统，通过对单次混药量及单次取水量的测控，提高水药混合精度，构建硬件系统组成及控制流程，建立单次取水量及单次取药量的模型，并进行混药性能试验。

1 轻量化在线分批预混药系统的整体设计

本文所设计的水田施药机轻量化在线分批预混药系统包括取水装置、混药装置、取药装置、喷施装置和控制装置，如图1所示。

1.集水槽 2.取水泵 3.电磁阀A 4.电磁阀B 5.电磁阀C 6.过滤器 7.电磁阀D 8.液位传感器A 9.取水箱 10.混药泵 11.电磁阀E 12.电磁阀F 13.双螺旋混药器 14.文丘里管 15.单向阀A 16.取药器 17.直线模组 18.单向阀B 19.原药液箱 20.液位传感器B 21.混药箱 22.电磁阀G 23.液位传感器C 24.药液箱 25.隔膜泵 26.喷头

取水装置由集水槽、取水泵、过滤器、电磁阀(A、B、C、D)、液位传感器A、取水箱及相应管路组成。取水泵从集水槽内经过滤器为取水箱供水，当液体的容积到达取水箱容积的设定上限时，通过电磁阀的动作实现管路的调整，反向冲洗过滤器；取水装置可为系统提供较为洁净的水。

混药装置包括混药泵、文丘里管、双螺旋混药器、电磁阀(E、F)、液位传感器B、混药箱及相应管路。混药泵将取水箱内的水经文丘里管及双螺旋混药器吸入到混药箱内，当液位传感器B检测到液体的容积达到混药箱的设定上限时，电磁阀改变管路，混药泵将水送回取水箱。

取药装置包括直线模组、接近开关组、伺服电机、单向阀(A、B)、取药器和原药液箱，如图2所示。取药装置工作时，伺服电机驱动直线模组，带动取药器做往复运动。取药器采用的是柱塞式医用针筒，可在直线模组的驱动下配合单向阀A、B完成平滑的取、送药动作。接近开关组由左右两个接近开关组成，左端接近开关安装在直线模组所对应的取药器最大位移处，保护取药器；右端接近开关安装在直线模组所对应的取药器最小位移处，为取药器提供初始位置标记，避免误差积累。

1.直线模组 2.接近开关组 3.取药器 4.伺服电机 5.减速机 6.药箱 7.单向阀A 8.单向阀B 9.文丘里管

喷施装置由药液箱、液位传感器C、电磁阀G、隔膜泵和相应管路等组成，用于混合好的药液的存储及喷施。

控制装置检测液位传感器、接近开关、按钮开关和触摸屏的输入信号，控制电磁阀、伺服电机完成供水及溢流，取、送药动作和关键参数的显示。

2 控制系统硬件设计

轻量化在线分批预混药系统主要由控制核心，触摸屏，启动、停止、急停3个按钮开关，接近开关A、B，液位传感器A、B、C，伺服电机驱动器，分别电磁阀A-G串联的7个继电器和分别与取水泵、混药泵串联的继电器组成，如图3所示。

图3 轻量化在线分批预混药系统硬件组成图

Fig.3 Lightweight online batch premix system hardware composition diagram

控制核心由西门子S7-200 CPU226CN及模拟量采集模块EM231组成，具有24个数字量输入和16个数字量输出，共40个数字量I/O点；同时，具有2个RS485通讯/编程口，辅以EM231 CN 模块，增加4个模拟量输入端。Q0.0可输出高速脉冲，用于伺服电机的脉冲信号输出，Q0.1用于伺服电机的转向控制。Q0.2～Q1.0用于和电磁阀A-G串联的继电器数字量输出，控制各电磁阀的开合，Q1.1、Q1.2用于和取药泵、混药泵串联的继电器数字量输出，控制两个泵的启停。I0.0～I0.23个数字量输入端口作为系统电路启、停及急停3个按钮开关的信号输入点。I0.3、I0.4作为接近开关A、B的数字量输入端，用以控制取药器的返程零点及进程极点。AI0-AI4作为液位传感器A、B、C模拟量输入点，用以采集液位传感器的信号。触摸屏通过专用线缆与PLC的RS485端口连接，作为系统的用户操作界面。系统有两个供电模块，取水泵及混药泵由24V/40A DC电源供电，其余部件由24V/10A DC电源模块供电。

伺服电机选用了YZ-57BLS120三相感应式伺服电机(杭州，翼志运控)，配备YZACSD608型伺服电机驱动器(杭州，翼志运控)。系统选用西门子生产的Smart line系列Smart 700 IE V3型触摸屏。接近开关A、B采用的是IF12B-03-NO-C3霍尔式传感器(日本，富士达)。液位传感器A、B、C采用的是WRT-136型投入式静压液位变送器(上海，威尔太)。

3 控制系统软件设计

PLC运动协调控制系统软件采用SIMENS S7-200 PLC专用编程软件STEP 7开发而成。

3.1 轻量化在线分批预混药系统工作流程

轻量化在线分批预混药系统的主程序流程，如图4所示。

图4 轻量化在线分批预混药系统工作流程图

系统上电启动后，首先进行开机检查，保证系统能够正常输入与输出；在PLC启动之后，通过触摸屏分别设定取水箱，混药箱和药液箱的下限、上限及混药比，分别为Va1、Va2，Vb1、Vb2，Vc1、Vc2及x；PLC采集取水箱、混药箱、药液箱当前容积值Va、Vb、Vc，并接通取水泵。当取水箱内当前容积值Va≤Va1时，PLC控制电磁阀A、D打开，由取水泵将集水槽内的水经过滤器吸入到取水箱；当取水箱内当前容积值Va≥Va2时，电磁阀A、D关闭、电磁阀B、C打开，取水泵带动水流反向冲洗过滤器；混药箱内当前容积值Vb≤Vb1时，电磁阀E开启、电磁阀F、G关闭，混药泵将取水箱内的水送入混药箱，同时PLC向伺服电机驱动器发送指定数量的脉冲及反转信号，伺服电机带动取药器完成定量取药及送药的动作，原药液在文丘里管注药口与水混合流入混药箱；混药箱内当前容积值Vb≥Vb2时，电磁阀E关闭、F打开，水流经溢流支路返回取水箱；药液箱内当前容积值Vc≤Vc1时，电磁阀G打开，混药箱内混合好的药液靠重力落入药液箱，重复以上循环。

3.2 基于液位传感器的水箱容积计算程序

根据在线精准分批混药系统的工作原理，PLC通过检测容积上下限来控制电磁阀动作，以保证每次进入的液体容积为固定值。可见，对容积的测控直接决定了进水量的体积，进而影响混药精度；而作为底面积固定的容器，其实时容积由当前液位高度决定。本文采用的液位传感器的量程为1m，信号范围为4～20mA，对应模拟量模块的模拟量转化为数字量的范围是6 400～32 000，各水箱的规格均为600mm×300mm×300mm，因此可得水箱当前容积与电流信号的计算公式为

(1)

式中y—水箱当前容积(L)；

x—电流信号实时数字值。

3.3 基于PLC中脉冲数量的伺服电机转动圈数的控制程序

在混药系统运行前可在触摸屏上实时设置混药系统的混药比及混药箱容积的上下限，所以在线设置的混药比需建立与每次注药量的函数关系；而注药量体现的是伺服电机的转动圈数，即PLC对伺服电机发送的脉冲数。伺服电机编码器分辨率为1 000线，即伺服电机转动一圈需要1 000个脉冲，减速机的减速比为10∶1，直线模组的导程为75mm，注药器活塞直径为40mm，根据以上条件，可得混药比与脉冲数的函数关系，即

(2)

整理得

式中n—PLC对伺服电机发送的脉冲数；

k—预设定的混药比；

vb1—预设定的混药箱容积下限(L)；

vb2—预设定的混药箱容积下限(L)。

同时可得单次混药量与脉冲数的函数关系，即

(3)

式中z—单次注药量(mL)。

将k带入可得

通过上述混药比与脉冲数的函数关系、单次注药量与脉冲数函数关系的建立，可通过在触摸屏上在线输入混药比，实现对伺服电机驱动器脉冲数的换算，以达到混药比在线可调的目的。同时，单次注药量作为重要工作参数，可在触摸屏上实时显示。

4 轻量化在线分批预混药系统试验

4.1 试验平台的搭建

以本文中精准混药系统的工作原理及流程为依据，将各零部件搭载到试验台架上。在安装过程中，主要考虑的因素有实现功能、拆装的便捷性及减少压力损失等，如图5所示。因混药箱内的药液需在电磁阀G打开时靠重力落入药液箱中，需将混药箱安装在药液箱的上部。在主要部件安装完成后进行了管路连接，选用与各部件口径相同的3.3cm橡胶管，连接处用管卡锁紧以防漏水。

1.取水泵 2.取水箱 3.原药液箱 4.混药箱 5.电磁阀G 6.液位传感器C 7.药液箱 8.控制柜 9.混药泵 10.直流电源 11.过滤器 12.电磁阀D 13.文丘里管 14.双螺旋混药器 15.取药装置 16.液位传感器B 17.电磁阀E 18.电磁阀F 19.液位传感器A 20.电磁阀C 21.电磁阀A 22.电磁阀B

4.2 轻量化在线分批预混药系统性能试验

本试验平台的搭建，目的是为了实现对水药混合比的精确控制，系统通过控制单次取药量及取水量进行分批混药的方式实现精准混药，可见单次取药量、单次取水量是决定混药精度的关键因素；又因采用的是在线混药的方式，所以混药均匀性应作为混药性能的主要指标。因此，在本节中，将从水药混合比及混合均匀性3个因素作为考察对象，对该系统的混药性能进行试验。

试验地点在江苏大学农业装备工程学院农机实验室北大间进行，由于农药具有挥发性及毒性，所以采用20g/L的胭脂红溶液模拟农药进行试验。试验分两组进行，第1组试验考察水药混合比，第2组试验考察混药均匀度。因水稻生长周期较长，防治不同病虫害时配方差异大，高可靠性的混药系统应具备较大的水药混合比范围的适应性，所以选择了250∶1、700∶1、1 500∶1/等3个混药比作为设定参数。试验开始前，在触摸屏上分别设定各药箱的容积上下限及不同的混药比。

1)第1组试验时，将取药器与文丘里管的连接软管拔下并放入量筒中，每次混药箱到达容积上限时程序停止运行，分别测定混药箱内水的容积及量筒中药液的容积并记录数据，通过对测定值与理论值进行计算，得到在250∶1、700∶1、1 000∶1等3个水药混合比下的平均误差曲线，如图6所示。

2)第2组试验开始前，为保证所测得溶液浓度数值准确，需对分光光度计进行重新标定，为减少标定误差，采用同一组比色皿进行。分别配置0.01、0.02、0.04、0.06、0.08、0.10g/L的胭脂红标准浓度溶液，利用分光光度计在波长λ=508nm下测量以上各溶液的吸光度，并记录数据。重复上述操作2次，共得到18组标准浓度溶液的吸光度值，试验数据如表1所示。

图6 水药混合比误差图

序号溶液浓度/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

对每种胭脂红标准浓度溶液的吸光度值求平均值，并绘制浓度与吸光度的曲线，如图7所示。

图7 胭脂红标准浓度溶液与吸光度的拟合曲线

通过对数据进行线性拟合，得到胭脂红标准浓度溶液与吸光度的函数关系式，其R2=0.997 9，即

C= 0.0379A- 0.0006

(4)

式中A—溶液的吸光度；

C—胭脂红标准浓度溶液(g/L)。

试验开始时，将各部件按照工作状态连接好，分别设定水药混合比为250∶1、700∶1、1000∶1，当药液箱注满时停止运行。从药液箱底部开始，将药液箱沿高度方向划分为5层，每层间隔6cm，由上到下编号为1～5。用带有吸管的针筒按照由上到下的顺序分别从各层取样本50mL，各混药比下分别得到5组样本，共15个样本。利用UNICO- UV2102型分光光度计分别对各样本吸光度进行测量，得到试验数据如表2所示。

表2 试验样本吸光度数据表

利用胭脂红标准浓度溶液与吸光度的函数关系，求得样本的浓度。在水药混合比为250∶1、700∶1、1000∶1下，理论溶液浓度分别为0.08、0.0286、0.02g/L，通过比较相同水药混合比下不同深度所取的样本浓度，对系统混药均匀性进行误差分析，如图8所示。

(a) 水药混合比为250∶1

(b) 水药混合比为700∶1

(c) 水药混合比为1000∶1

5 结论

1)试验结果表明：通过控制单次取水量及单次取药量来实现分批混药的思路是可行的，基本达到了设计要求。

2)由第1组试验结果分析可知：在各混药比下，水药混合比误差可控制在7%之下，但各混药比下，单次取药量及取水量误差无规律性。其原因主要有两方面：①所使用的电磁阀为普通电磁阀，有较长的响应时间，且该响应时间为变动量，造成电磁阀的延迟开启或关闭；②由于所选用的取药器为塑料材质，密封性不佳，当直线模组高速运行时，易产生漏气的现象。

3)从3个水药混合比不同时间的溶液浓度误差曲线可见：误差均低于20%，且存在“先高后低再高”的趋势，原是取药器注药时不能与注水同步进行造成的。

参考文献：

[1] 倪涛,徐幼林.农药在线混合可变量控制系统研究[D].南京:南京林业大学，2013:1-69.

[2] 周凤芳，徐幼林，周宏平.喷雾机混药装置的研究现状与发展[J].中华卫生杀虫药械,2005,11(6):378-380.

[3] 刘志壮,徐汉虹,洪添胜,等.在线混药式变量喷雾系统设计与试验[J].农业机械学报,2009,40(12)：93-97.

[4] 胡开群,周舟,祁力钧,等.直注式变量喷雾机设计与喷雾性能试验[J].农业机械学报,2009,41(6)：70-74,102.

[5] 徐幼林,汪希伟,郑加强,等.基于CFD的农药药水混合过程仿真与试验[J].农业工程学报,2010,26(5)：148-152.

[6] 万培荪.植保机械用射流混药装置的研究[J].农业工程学报,1989,20(3)：38-43.

[7] 何培杰,吴春笃,陈翠英,等.新型喷雾混药装置性能研究[J].农业机械学报,2001,32(3)：44-47.

[8] 邱白晶,徐溪超,邓斌,等.射流混药装置面积比对混药均匀性的影响[J].农业机械学报,2011,42(10)：95-100.

[9] 邱白晶,徐溪超,杨宁,等.射流混药装置结构参数对混药性能影响的模拟分析[J].农业机械学报,2011,42(6)：76-79,69.

[10] 邱白晶,徐溪超.射流混药装置二维和三维流场对比分析[J].排灌机械工程学报,2011,29(5)：441-445.

[11] 邱白晶,马靖,邓斌,等.在线混药喷雾系统混药性能试验[J].农业工程学报,2019,30(17): 78-85.

[12] 袁琦堡,胡炼,罗锡文,等.在线实时混药喷雾系统设计与试验[J].农业机械学报,2016,47(S1): 176-181.