CN116034968A - 一种基于plc的蒜田精量施药机及施药方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于PLC的蒜田精量施药机及施药方法，基于PLC控制电磁比例阀，通过对流量、速度、植株高度信息检测分析，基于速度计算基准流量，基于植株高度调整基准流量形成理论流量，据此控制比例阀开口，同时将管路实时流量与理论流量对比，据此进一步调整比例阀开口，形成闭环控制系统，在不改变喷雾性能的情况下实现精准变量喷雾，提高了农药使用率，避免浪费，降低了对环境的污染，且整体操作简单方便，自动化程度高，作业效率高，成本也较低。本发明还能监控水箱内药液量，方便及时补充，减少因药液消耗而造成的喷药量误差，本发明还基于溢流阀保证管路压力恒定，使得雾化效果相对稳定。

Description

一种基于PLC的蒜田精量施药机及施药方法

技术领域

本发明属于农业机械设备设计技术领域，尤其涉及一种基于PLC的蒜田精量施药机及施药方法。

背景技术

中国是农业大国，大蒜作为我国的主要经济农作物，在我国农产品的生产、出口和消费中占有很大的比例。通常情况下，大蒜在生长期间，会受到各种病虫和杂草的影响，因此，对蒜田进行喷雾施药是保证大蒜作物健康生长的重要步骤。目前国内在精密变量喷雾领域仍缺乏便于使用和调节的针对型喷雾装置的研究，传统的喷雾设备一般都是靠人工来改变喷雾参数的，其控制精度较低，会造成农药大量浪费，引起生态、环境污染等问题。

对于施药技术而言，精量喷施技术对于科学施药、减少药液流失具有重大意义。当前常用的精量喷雾技术主流手段有改变压力法和PWM脉宽调制法；其中，改变压力法常用于对于雾化效果要求不高的小型家用喷雾器，由于改变了压力，雾化效果会变差；而通过控制电磁阀开口时间需要反复开关电磁阀，会造成电磁阀损伤、烧坏，而高效稳定作业的电磁阀价格又十分高昂，频繁更换导致成本较高。

此外，现有一些精量喷雾装置仅仅是根据前进速度进行调节，无法结合大蒜的生长情况自主改变喷药流量，而精量施药的关键恰恰在于对于不同的大蒜植株个体，能够自主决策施药的量，从而避免药量的浪费或不足。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于PLC的蒜田精量施药机及施药方法，解决了传统的施药装置以及施药方法中所存在的药液浪费、污染环境、控制精度低、雾化效果差等问题。

本发明通过以下技术手段实现上述技术目的。

一种基于PLC的蒜田精量施药机，包括田间行走机构，田间行走机构的驾驶室内安装有电控箱，电控箱上设置有控制指示单元，田间行走机构前端安装有由电控箱控制的精量施药模块，精量施药模块包括支架，支架下方安装有车轮，车轮上均布有多块磁片，支架上安装有霍尔传感器、药箱，药箱通过水管与隔膜泵、比例阀连接，比例阀输出端的水管末端安装有多个喷头；支架前端还固定有多根支承架，支承架的末端均伸出至支架前方且均安装有用于检测大蒜植株的光学传感器。

进一步地，所述药箱上设置有三个出口，其中，出口A通过水管依次连接过滤器、三通管、隔膜泵、电动三通球阀、比例阀，比例阀输出端的水管上安装有流量传感器；出口B通过水管与溢流阀连接，溢流阀通过水管连接至三通管的另一端口；出口C通过水管连接至电动三通球阀的另一端口。

进一步地，所述控制指示单元包括设置在电控箱上的三个按钮和两个指示灯，三个按钮分别用于控制精量施药装置“复位”、“启动”、“停止”，两个指示灯分别对应“流量警告”与“速度报警”。

进一步地，所述药箱内安装有液位传感器。

利用上述基于PLC的蒜田精量施药机的施药方法，包括如下过程：

在药箱内装入药液，启动田间行走机构，并且按下电控箱上的“启动”按钮，精量施药机工作，同时，在电控箱的控制下，电动三通球阀的阀芯转动，比例阀打开，隔膜泵将药箱内的药液从出口A抽取出，药液经过滤器、三通管、隔膜泵、比例阀、流量传感器后从喷头喷出，进行喷雾施药；

在此过程中，霍尔传感器实时发送脉冲信号至电控箱，电控箱中的PLC单元对脉冲个数进行分析计算，得到当前车速v，

Z表示磁片总数量，t表示时间，N表示在时间t内检测到的磁片数量，n表示车轮轮毂的转速，v表示当前车速，D表示轮毂直径；

然后PLC单元基于当前车速v计算出实时的基准流量Q：

式中，T表示行驶一亩地所需时间，L表示四个喷头总的作业幅宽，V表示每亩地理论施药量，Q表示基准流量；

同时，PLC单元接收光学传感器检测的植株数据，处理后获取植株检测高度，结合植株检测高度以及基准流量计算理论流量，基于理论流量调整比例阀的开口，进而控制喷头喷出的药液量，实现实时变量喷雾施药。

进一步地，所述理论流量通过如下方法确定：PLC单元取检测到的多个植株的高度平均值作为植株检测高度，将植株检测高度与内部预设植株高度进行比较；当植株检测高度与预设植株高度相差不超过15％时，此时基准流量等于理论流量；当植株检测高度相较预设植株高度减少15％时，则在基准流量基础上增加10％作为理论流量；当植株检测高度相较预设植株高度增加15％时，则在基准流量基础上减少10％作为理论流量。

进一步地，所述精量施药机工作过程中，流量传感器将实时检测的管路内流量数据传递至PLC单元，PLC单元计算实时检测的管路内流量数据与理论流量之间的差值，据此进一步调节比例阀开口，实现闭环控制，精准变量喷雾施药。

进一步地，所述药箱内安装有液位传感器，精量施药机工作过程中，当药箱中的药液量不足时，液位传感器向PLC单元传输信号，PLC单元控制“流量警告”指示灯亮起。

进一步地，所述精量施药机工作过程中，当PLC单元计算分析出当前车速为0且持续了8秒后，PLC单元控制“速度报警”指示灯亮起，并控制电动三通球阀以及比例阀关闭，喷嘴停止喷雾施药。

进一步地，所述精量施药机工作过程中，当管路内部压力大于压力阈值时，溢流阀开口，部分药液通过溢流阀回到药箱中，保证管路内压力恒定。

本发明具有如下有益效果：

本发明基于PLC控制电磁比例阀，通过对流量、速度、植株高度等信息进行检测分析，形成闭环控制系统，传递控制信号给比例阀控制其响应，在不改变喷雾性能的情况下实现精准地变量喷雾施药，提高农药的使用效率，避免药液浪费，精量施药，科学环保，降低了对环境的污染，且整体操作简单方便，自动化程度高，可实现大蒜施药过程的全机械化，作业效率高，成本也较低。

本发明还能够实现对药箱内药液量的监控，便于及时增补药量以便机构喷药作业的正常进行，减少因药液消耗而造成的喷药量误差。本发明还基于溢流阀保证管路内压力恒定，作业平稳，进而保证了雾化效果相对稳定，喷雾性能优良。

附图说明

图1为本发明所述精量施药模块结构拆分示意图；

图2为本发明所述精量施药机整体示意图；

图3为本发明所述精量施药模块整体示意图；

图4为本发明所述磁片布置示意图。

图中：1-过滤器；2-三通管；3-溢流阀；4-隔膜泵；5-电动三通球阀；6-比例阀；7-电控箱；8-药箱；9-流量传感器；10-液位传感器；11-喷头；12-水管；13-霍尔传感器；14-光学传感器；15-支承架；16-拖拉机；17-磁片；18-车轮；19-出口A；20-出口B；21-出口C。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图2所示，本发明所述的基于PLC的蒜田精量施药机包括拖拉机16，拖拉机16驾驶室内安装有电控箱7，动力源为拖拉机蓄电池，电控箱7外设置有控制指示单元；拖拉机16前端通过三点悬挂的方式安装有精量施药模块，通过操作拖拉机16运动即可带动精量施药模块整体移动。

如图1、3所示，精量施药模块包括安装在拖拉机16前端的支架，支架下方安装有车轮18，支架上安装有药箱8、检测单元、执行单元；控制指示单元、检测单元、执行单元均与电控箱7连接。

控制指示单元包括三个按钮和两个指示灯，三个按钮分别用于控制精量施药装置“复位”、“启动”、“停止”，两个指示灯分别对应“流量警告”与“速度报警”，用于提醒操作人员注意，保证安全施药。

电控箱7用于实现精量喷雾施药控制，其内部包括PLC单元和放大器。本实施例中，PLC单元选用S7-200PLC，CPU型号为SR20，共有20个I/O口，集成了12个输入点和8个输出点，最多可连接6个扩展模块。本实施例中，放大器选用日本YUCI-YUKEN比例放大器，型号为YY-DPMA-Q-S0-40/A1，该放大器具有断电保护功能，可以保证精量施药装置工作安全稳定，且该放大器可设置上升下降斜坡信号，以便控制压力、速度的变化，从而防止出现惯性冲击现象，此外，该放大器可设置震颤频率参数，从而克服摩擦力，保证控制灵活。

如图1、3所示，执行单元包括过滤器1、三通管2、溢流阀3、隔膜泵4、电动三通球阀5、比例阀6、喷头11、水管12、支承架15。药箱8上设置有三个出口(出口A19、出口B20、出口C21)；出口A19通过水管12依次连接过滤器1、三通管2、隔膜泵4、电动三通球阀5、比例阀6，比例阀6另一端也连接有水管12，该水管12上安装有流量传感器9，且该水管12后端固定在四根支承架15上，且安装有四个喷头11，四根支承架15均固定在支架上，四根支承架15的末端均伸出至支架前方且均安装有一光学传感器14。出口B20通过水管12与溢流阀3连接，溢流阀3通过水管12连接至三通管2的另一端口；出口C21通过水管12连接至电动三通球阀5的另一端口。

本实施例中，隔膜泵4选用3210HB-12-100-F-S型电动隔膜泵，其正常工作压力为0.8～1.3Mpa，流量最高可达10L/min；比例阀6选用日本YUCI-YUKEN比例阀，型号为EFG-02-10-31，其稳定工作的最小压降为0.6Mpa，由于其正常工作的额定电流为600mA，而采用PLC控制时，其输出电流一般为4～20mA，故本实施例选用放大器放大电流信号，从而达到控制比例阀6的目标；

如图1、3、4所示，检测单元包括流量传感器9、液位传感器10、霍尔传感器13、光学传感器14。液位传感器10安装在药箱8内，对应20L液位位置处，用于检测药箱8内的药液剩余量并反馈给PLC单元。霍尔传感器13安装在支架上，精量施药模块的其中一个车轮18上均布有多块磁片17，车轮18带动磁片17转动时，霍尔传感器13将监测到的脉冲信号从输入接口输入到PLC单元进行处理，进而获取车速信息。流量传感器9用于实时监测管道内流量数据，并反馈至PLC单元进行处理；光学传感器14用于检测大蒜植株，检测数据反馈至PLC单元进行处理，获取大蒜植株高度信息，进而判断其长势情况。

利用本发明所述基于PLC的蒜田精量施药机的施药方法，具体如下：

在药箱8内装入药液，启动拖拉机16，并且按下电控箱7上的“启动”按钮，精量施药机工作，电动三通球阀5的阀芯转动，连通隔膜泵4和比例阀6，隔膜泵4将药箱8内的药液从出口A19抽取出，药液经过滤器1、三通管2、隔膜泵4、比例阀6、流量传感器9后，按照初始设置的流量从喷头11喷洒出，对蒜苗进行施药。

在精量施药机移动的过程中，霍尔传感器13实时发送脉冲信号至PLC单元，PLC单元通过计数器对脉冲个数进行分析计算，得到当前车速，计算原理如下：

其中，Z表示磁片17总数量，t表示时间，N表示在时间t内检测到的磁片17数量，n表示车轮18轮毂的转速，v表示当前车速，D表示轮毂直径；

然后PLC单元基于当前车速计算出实时的基准流量，具体计算原理如下：

其中，T表示行驶一亩地(667m²)所需时间，L表示四个喷头11总的作业幅宽，V表示每亩地理论施药量，Q表示基准流量；

霍尔传感器13工作的同时，光学传感器14也同步检测蒜苗植株，本实施例中每5米检测一次，每次检测四株蒜苗植株，检测数据传递至PLC单元，PLC单元分析获取蒜苗植株高度数据，然后结合蒜苗植株高度以及实时基准流量计算理论流量，进而输出电压控制信号，放大器接收该电压控制信号并将其转变为电流信号后输出给比例阀6，通过控制比例阀6的开口大小来控制喷头11喷出的药液量，实现精准变量喷雾施药；

其中，理论流量通过如下方法确定：PLC单元取检测到的四株蒜苗植株高度平均值作为植株检测高度，将植株检测高度与内部预设植株高度进行比较；当植株检测高度与预设植株高度相差不超过15％时，无需改变此时比例阀6的开口大小；当植株检测高度相较预设植株高度减少15％时，则在基准流量基础上增加10％作为理论流量；当植株检测高度相较预设植株高度增加15％时，则在基准流量基础上减少10％作为理论流量。

在精量施药机工作的过程中，位于比例阀6与喷头11之间水管12上的流量传感器9将实时检测的管路内流量数据传递至PLC单元，PLC单元计算该检测值与理论流量之间的差值，据此进一步调节比例阀6开口大小，实现闭环控制，最终实现精准的变量喷雾施药。

在精量施药机工作的过程中，当药箱8中的药液量不足20L时，液位传感器10向PLC单元传输信号，PLC单元控制“流量警告”指示灯亮起，实现液位报警，提醒操作人员注意补充药液；当PLC单元计算分析出当前车速为0且持续了8秒后，控制“速度报警”指示灯亮起，并控制电动三通球阀5以及比例阀6关闭，喷嘴11停止喷雾施药。

溢流阀3通过预先设置压力阀值来实现多余药液的回流控制，当管路内部压力大于预设压力阈值时，溢流阀3开口，部分药液通过溢流阀3回到药箱8中，使得管路内压力恒定，使得精量施药机雾化性能得到保证。

当蒜田喷雾施药工作全部完成后，按下“停止”按钮，即可停止喷雾施药。

当“复位”按钮按下时，电动三通球阀5连通出口C21，隔膜泵4将药箱8内的药液从出口A19抽取出来，药液依次经过滤器1、三通管2、隔膜泵4、电动三通球阀5后，从出口C21流回药箱8。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于PLC的蒜田精量施药机，其特征在于，包括田间行走机构，田间行走机构的驾驶室内安装有电控箱(7)，电控箱(7)上设置有控制指示单元，田间行走机构前端安装有由电控箱(7)控制的精量施药模块，精量施药模块包括支架，支架下方安装有车轮(18)，车轮(18)上均布有多块磁片(17)，支架上安装有霍尔传感器(13)、药箱(8)，药箱(8)通过水管(12)与隔膜泵(4)、比例阀(6)连接，比例阀(6)输出端的水管(12)末端安装有多个喷头(11)；支架前端还固定有多根支承架(15)，支承架(15)的末端均伸出至支架前方且均安装有用于检测大蒜植株的光学传感器(14)。

2.根据权利要求1所述的基于PLC的蒜田精量施药机，其特征在于，所述药箱(8)上设置有三个出口，其中，出口A(19)通过水管(12)依次连接过滤器(1)、三通管(2)、隔膜泵(4)、电动三通球阀(5)、比例阀(6)，比例阀(6)输出端的水管(12)上安装有流量传感器(9)；出口B(20)通过水管(12)与溢流阀(3)连接，溢流阀(3)通过水管(12)连接至三通管(2)的另一端口；出口C(21)通过水管(12)连接至电动三通球阀(5)的另一端口。

3.根据权利要求2所述的基于PLC的蒜田精量施药机，其特征在于，所述控制指示单元包括设置在电控箱(7)上的三个按钮和两个指示灯，三个按钮分别用于控制精量施药装置“复位”、“启动”、“停止”，两个指示灯分别对应“流量警告”与“速度报警”。

4.根据权利要求1所述的基于PLC的蒜田精量施药机，其特征在于，所述药箱(8)内安装有液位传感器(10)。

5.利用上述权利要求3所述基于PLC的蒜田精量施药机的施药方法，其特征在于，包括如下过程：

在药箱(8)内装入药液，启动田间行走机构，并且按下电控箱(7)上的“启动”按钮，精量施药机工作，同时，在电控箱(7)的控制下，电动三通球阀(5)的阀芯转动，比例阀(6)打开，隔膜泵(4)将药箱(8)内的药液从出口A(19)抽取出，药液经过滤器(1)、三通管(2)、隔膜泵(4)、比例阀(6)、流量传感器(9)后从喷头(11)喷出，进行喷雾施药；

在此过程中，霍尔传感器(13)实时发送脉冲信号至电控箱(7)，电控箱(7)中的PLC单元对脉冲个数进行分析计算，得到当前车速v，

Z表示磁片(17)总数量，t表示时间，N表示在时间t内检测到的磁片(17)数量，n表示车轮(18)轮毂的转速，v表示当前车速，D表示轮毂直径；

然后PLC单元基于当前车速v计算出实时的基准流量Q：

式中，T表示行驶一亩地所需时间，L表示四个喷头(11)总的作业幅宽，V表示每亩地理论施药量，Q表示基准流量；

同时，PLC单元接收光学传感器(14)检测的植株数据，处理后获取植株检测高度，结合植株检测高度以及基准流量计算理论流量，基于理论流量调整比例阀(6)的开口，进而控制喷头(11)喷出的药液量，实现实时变量喷雾施药。

6.根据权利要求5所述的施药方法，其特征在于，所述理论流量通过如下方法确定：PLC单元取检测到的多个植株的高度平均值作为植株检测高度，将植株检测高度与内部预设植株高度进行比较；当植株检测高度与预设植株高度相差不超过15％时，此时基准流量等于理论流量；当植株检测高度相较预设植株高度减少15％时，则在基准流量基础上增加10％作为理论流量；当植株检测高度相较预设植株高度增加15％时，则在基准流量基础上减少10％作为理论流量。

7.根据权利要求6所述的施药方法，其特征在于，所述精量施药机工作过程中，流量传感器(9)将实时检测的管路内流量数据传递至PLC单元，PLC单元计算实时检测的管路内流量数据与理论流量之间的差值，据此进一步调节比例阀(6)开口，实现闭环控制，精准变量喷雾施药。

8.根据权利要求5所述的施药方法，其特征在于，所述药箱(8)内安装有液位传感器(10)，精量施药机工作过程中，当药箱(8)中的药液量不足时，液位传感器(10)向PLC单元传输信号，PLC单元控制“流量警告”指示灯亮起。

9.根据权利要求5所述的施药方法，其特征在于，所述精量施药机工作过程中，当PLC单元计算分析出当前车速为0且持续了8秒后，PLC单元控制“速度报警”指示灯亮起，并控制电动三通球阀(5)以及比例阀(6)关闭，喷嘴(11)停止喷雾施药。

10.根据权利要求5所述的施药方法，其特征在于，所述精量施药机工作过程中，当管路内部压力大于压力阈值时，溢流阀(3)开口，部分药液通过溢流阀(3)回到药箱(8)中，保证管路内压力恒定。

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