程麒文 ，邱白晶

(1.日照職業(yè)技術學院 機電工程學院，山東 日照　276826； 2.江蘇大學 現(xiàn)代農業(yè)裝備與技術省部共建教育部/江蘇省重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

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噴霧流量瞬態(tài)特性的試驗研究

程麒文1，邱白晶2

(1.日照職業(yè)技術學院 機電工程學院，山東 日照276826； 2.江蘇大學 現(xiàn)代農業(yè)裝備與技術省部共建教育部/江蘇省重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

摘要：選用SIEMENS SMART型PLC控制器和觸摸屏，實現(xiàn)對噴霧流量系統(tǒng)的控制和參數(shù)檢測。通過檢測噴頭的可調比、開口度-流量關系，選定了N11053型噴頭。利用設定的4個流量數(shù)值，分別在流量增大和減小的兩個過程中，測定達到穩(wěn)定值所用的時間和流量最大差值分別為1.31s和0.044 L/min。選取了0.5～2.5L/min和2.5～4.5L/min兩個流量變化范圍，對其響應性能分別進行測定，每變化0.5L/min并且達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間最多為0.6s，流量差別最大為0.049L/min。

關鍵詞：PLC；噴頭；噴霧流量；瞬態(tài)特性

0引言

隨著經濟的發(fā)展，環(huán)保已成為人類文明進步中關注的首要問題，農業(yè)信息化的發(fā)展使更多的設備代替了人力，對農作物的噴藥也由機器取代了勞動者，減少了藥物對人體的危害。但是，如果沒有根據種植面積和受損程度進行合理噴施，會因農藥的不合理使用而對周圍環(huán)境造成污染。因此，對農藥流量瞬態(tài)特性的研究成為變量噴施的關鍵問題。

國外許多學者已進行了較多的研究[1-4]，這些成果為后來的進一步發(fā)展提供了較好的基礎。為了實現(xiàn)噴霧量的精確控制，以單片機為核心的變量噴霧控制系統(tǒng)得到廣泛的研究[5-7]。近幾年，PLC控制器因其精度高、穩(wěn)定性好、故障率低等優(yōu)勢在自動化系統(tǒng)中得到廣泛的應用，本文主要在PLC控制下，完成對噴霧流量的瞬態(tài)特性的研究。

1系統(tǒng)設計

1.1硬件組成

本試驗中的硬件系統(tǒng)主要由控制部分、動力部分、調節(jié)部分和執(zhí)行部分組成。其中，控制部分采用S7-200 SMART型PLC控制器和SIEMENS SMART型觸摸屏，其間采用網線傳輸數(shù)據，具有響應快、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

1.2系統(tǒng)控制流程

為了不浪費農藥、減少對環(huán)境的污染，在試驗過程中主要用自來水來代替藥液。

系統(tǒng)啟動后，泵運行并將水箱中的水輸送到平衡閥，再由平衡閥調節(jié)其輸出液體的壓力后，將水再輸送到數(shù)字流量閥，由數(shù)字流量閥調節(jié)通過噴頭的輸出流量后完成噴霧。該系統(tǒng)噴頭輸出液體的流量主要靠數(shù)字流量閥開口度大小實現(xiàn)調節(jié)；噴頭位置安裝有流量傳感器和壓力傳感器，用于反饋實際輸出液體的流量和壓力，以此來檢測并校正輸出精度。數(shù)字流量閥開口度的大小通過步進電機的脈沖實現(xiàn)變化，并由PLC程序完成對步進電機的輸出控制。觸摸屏作為人機交互部分，可視化和可觸摸的界面可以很方便地完成PLC控制任務操作，并能直觀顯示反饋的輸出流量和壓力數(shù)值。其主要控制流程如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)控制流程

在觸摸屏中設定了不同的流量調節(jié)范圍，通過人工操作觸摸屏實現(xiàn)整個系統(tǒng)的啟動及PLC控制程序的運行。工作時，可通過選用不同的流量變化范圍，調節(jié)比例流量閥開口度完成噴頭流量的輸出；由流量傳感器和壓力傳感器將噴出液體的流量數(shù)據和壓力數(shù)據反饋到觸摸屏的顯示模塊，并在不同的時間點上保存相應的數(shù)據。具體的觸摸屏界面如圖2所示。

圖2　觸摸屏界面

系統(tǒng)中共用了4個噴頭，對不同的噴頭可選擇不同的流量變化范圍，以實現(xiàn)不同的輸出。其中，在程序設計中，通過調節(jié)數(shù)字流量閥開口度，使得每2s流量變化0.5L/min。

2噴頭的選用及布置

2.1數(shù)字流量閥的結構與工作原理

流量閥主要靠節(jié)流口的開口度大小改變流量，不同形式的節(jié)流口對輸出流量的損失和精度起決定性的作用。常見的節(jié)流口結構形式有針閥式、偏心槽式、三角槽式、旋轉槽式和縫隙式[8]。通過綜合比較，本系統(tǒng)選用了縫隙式型節(jié)流口閥，主要由步進電動機、滾珠絲杠、閥芯、閥套、連桿和零位移傳感器組成，如圖3所示。

1.步進電動機　2.滾珠絲杠　3.閥芯　4.閥套　5.連桿

步進電動機接收到PLC輸出點動作，即轉過△θ的角度，滾珠絲杠隨即將△θ轉換為軸向位移△x，并直接驅動閥芯開口度大小。閥套上開有2個節(jié)流口，當閥芯左移時先開啟右邊的節(jié)流口，移動一段距離后打開左節(jié)流口，此時兩節(jié)流口同時通流使得開口增大；步進電動機利用轉過的步數(shù)控制開口度，從而實現(xiàn)輸出流量的控制。

2.2噴頭的選用

作為噴霧系統(tǒng)執(zhí)行元件，噴頭的靈敏性和精確度直接決定整個系統(tǒng)的性能[9-10]。由于噴頭輸出的流量需要流量閥開口大小實現(xiàn)控制，而且流量閥開口度流量特性并非線性，存在回程誤差[11]。所以，在閥門增大和減小情況下確定開口度與噴霧流量之間的關系，可為PLC控制器提供控制依據。試驗中分別配置N11053型噴頭和N6014型噴頭，在采樣頻率為10Hz、濾波系數(shù)為1的條件下，記錄流量增大和減小過程的開口度；為消除測量誤差，重復此過程3次并取平均值，測量并記錄數(shù)據。將實際開口度除以閥門全開時的開口度，并分別在開口度增大和減小兩種情況下，得到數(shù)字流量閥開口度與噴霧流量關系曲線，如圖4所示。

圖4　調節(jié)閥開口度-流量關系曲線

由圖4分析可知：N11053配置下開口度在0～38%變化時，對應的流量調節(jié)范圍為0～5L/min達到流量飽和；N6014配置下對應的流量調節(jié)范圍為0～3.8L/min達到流量飽和。綜上分析，本試驗選用N11053型噴頭配置流量調節(jié)閥。

2.3噴頭的布置

液體流過不同結構的管道，會導致?lián)p失的能量和壓力也不相同，為了盡量降低由噴桿導致的壓力和能量損失，本文采用了圖5所示的布置樣式[12]。

圖5　噴頭的布置

3流量影響因子的理論分析

液體流過流量閥和噴頭時，由于結構和流通面積的原因，會造成壓力和流量損失，在閥芯和閥座間的能量損失H為[13]

(1)

其中，H為單位質量流體經流量閥的能量損失；g為重力加速度；p1、p2為入口、出口壓力；ρ為液體密度。

在流量閥開口度和液體密度不變的條件下，單位質量液體流經流量閥的能量損失為

(2)

其中，ξ為流量閥阻力系數(shù)；q為流量；A為面積。

由式(1)和式(2)可得流量方程式為

(3)

由式(3)可知，在A和△p/ρ不變時，流量q隨阻力系數(shù)ξ不同而變化。在測定穩(wěn)定流量時，主要考慮阻力系數(shù)對實際流量的影響。

4噴霧流量瞬態(tài)特性試驗

當噴霧流量改變時，系統(tǒng)的延時[14]和摩擦等因素將影響噴霧的均勻性，并產生脈動沖擊。因此，研究噴霧流量的瞬態(tài)特性，可以掌握流量達到穩(wěn)定值的響應特性和穩(wěn)定性。

4.1定量噴霧精度試驗

研究穩(wěn)定流量下實際噴霧量的差異，可為噴霧流量的瞬態(tài)特性奠定基礎。參照圖4的曲線，設定了0.5、2、3.5、4.5L/min 4個流量數(shù)值，用水代替農藥，按照調大和調小流量的方向分別測量10次。每設定好目標流量，待其穩(wěn)定后進行采集并取平均，得到表1所示的數(shù)據。由表1可看出：流量變化越大，達到穩(wěn)定值所需的時間越多，本試驗中最多用時1.31s；實際輸出的流量均小于設定的穩(wěn)定流量值，而且設定的穩(wěn)定流量值越大，損失的流量值也越大，說明能量損失的越多。本試驗中與理論流量值差別最大為0.044L/min。

表1　穩(wěn)定噴量誤差

4.2變量噴霧流量的瞬態(tài)特性

在定量噴霧試驗的基礎上測量噴霧動態(tài)變化的瞬態(tài)特性，選取了測量流量的范圍為：0.5～2.5L/min和2.5～4.5L/min兩個變化范圍，每個范圍分為5個流量階段，待初始值達到穩(wěn)定狀態(tài)后，分別在增大和減小的情況下進行測定瞬間流量；每0.2s記錄該點的流量值，一次試驗記錄10s，在直角坐標系內內將所測量的值用平滑曲線連接起來，并和實際值進行對比，結果如圖6所示。

由圖6可看出：該系統(tǒng)在噴霧流量增大和減小兩種情況下均未出現(xiàn)超調現(xiàn)象，流量波動也較小；當流量增大和減小變化0.5L/min時，實際達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間最多均為0.6s；隨著輸出流量的增大，實際的測量值與基準值差距增大，最大達0.049L/min，響應速度較快，可實現(xiàn)穩(wěn)定輸出。

圖6　不同噴霧范圍的瞬態(tài)特性曲線

5結論

在觸摸屏上設定了不同的流量調節(jié)范圍，利用PLC控制器實現(xiàn)對數(shù)字流量閥的開口度進行精確控制。根據流量可調范圍大小選定了相應的噴頭，對噴出液體的流量和壓力數(shù)據進行反饋，在不同的時間點測定相應的數(shù)據。

通過流量增大和減小兩個過程，對定量和變量下的響應精度分別進行測定：定量下，達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間最多為1.31s，流量差別最大為0.044L/min；變量下，變化0.5L/min并且達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間最多為0.6s，流量差別最大為0.049L/min。

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Abstract ID:1003-188X(2016)01-0192-EA

Experimental Study on the Instant State Features of the Spraying-rate

Cheng Qiwen1, Qiu Baijing2

(1．Mechanical and Electrical Engineering College，Rizhao Polytechnic College，Rizhao 276826，China；2．Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology，Ministry of Education & Jiangsu Province，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China)

Abstract：Selected the PLC controller and the touch screen of the SIMENS SMART, to detect the parameters and control the spraying-rate system. To test the adjustable ratio and the opening degree with flowing rate of the nozzles, selected the N11053. To use the four flowing-rate which have set. With the increasing and the decreasing for the flowing rate, tested the biggest response capability of the quantitative and the variable is 1.31s and 0.044 L/min. During the 0.5L/min to 2.5L/min and the 2.5L/min to the 4.5L/min,tested the response capability. When the flowing rate was changed for 0.5L/min, the largest time was needed is 0.6s when reached the stable status. The biggest difference is 0.049L/min. All of this can meet that we need.

Key words：PLC; nozzles; spraying rate; the instant state features

文章編號：1003-188X(2016)01-0192-04

中圖分類號：S49

文獻標識碼：A

作者簡介：程麒文(1981-)，男，山東日照人，講師，碩士，(E-mail)chengqi7243@163.com。

基金項目：國家公益性行業(yè)(農業(yè))科研專項(201203025-04)；江蘇省高校自然科學研究重大項目(10KJA47007)

收稿日期：2014-12-17