喷雾流量瞬态特性的试验研究

程麒文 ，邱白晶

(1.日照职业技术学院 机电工程学院，山东 日照　276826； 2.江苏大学 现代农业装备与技术省部共建教育部/江苏省重点实验室，江苏 镇江　212013)



喷雾流量瞬态特性的试验研究

程麒文1，邱白晶2

(1.日照职业技术学院 机电工程学院，山东 日照276826； 2.江苏大学 现代农业装备与技术省部共建教育部/江苏省重点实验室，江苏 镇江212013)

摘要：选用SIEMENS SMART型PLC控制器和触摸屏，实现对喷雾流量系统的控制和参数检测。通过检测喷头的可调比、开口度-流量关系，选定了N11053型喷头。利用设定的4个流量数值，分别在流量增大和减小的两个过程中，测定达到稳定值所用的时间和流量最大差值分别为1.31s和0.044 L/min。选取了0.5～2.5L/min和2.5～4.5L/min两个流量变化范围，对其响应性能分别进行测定，每变化0.5L/min并且达到稳定状态所需的时间最多为0.6s，流量差别最大为0.049L/min。

关键词：PLC；喷头；喷雾流量；瞬态特性

0引言

随着经济的发展，环保已成为人类文明进步中关注的首要问题，农业信息化的发展使更多的设备代替了人力，对农作物的喷药也由机器取代了劳动者，减少了药物对人体的危害。但是，如果没有根据种植面积和受损程度进行合理喷施，会因农药的不合理使用而对周围环境造成污染。因此，对农药流量瞬态特性的研究成为变量喷施的关键问题。

国外许多学者已进行了较多的研究[1-4]，这些成果为后来的进一步发展提供了较好的基础。为了实现喷雾量的精确控制，以单片机为核心的变量喷雾控制系统得到广泛的研究[5-7]。近几年，PLC控制器因其精度高、稳定性好、故障率低等优势在自动化系统中得到广泛的应用，本文主要在PLC控制下，完成对喷雾流量的瞬态特性的研究。

1系统设计

1.1硬件组成

本试验中的硬件系统主要由控制部分、动力部分、调节部分和执行部分组成。其中，控制部分采用S7-200 SMART型PLC控制器和SIEMENS SMART型触摸屏，其间采用网线传输数据，具有响应快、稳定性好等优点。

1.2系统控制流程

为了不浪费农药、减少对环境的污染，在试验过程中主要用自来水来代替药液。

系统启动后，泵运行并将水箱中的水输送到平衡阀，再由平衡阀调节其输出液体的压力后，将水再输送到数字流量阀，由数字流量阀调节通过喷头的输出流量后完成喷雾。该系统喷头输出液体的流量主要靠数字流量阀开口度大小实现调节；喷头位置安装有流量传感器和压力传感器，用于反馈实际输出液体的流量和压力，以此来检测并校正输出精度。数字流量阀开口度的大小通过步进电机的脉冲实现变化，并由PLC程序完成对步进电机的输出控制。触摸屏作为人机交互部分，可视化和可触摸的界面可以很方便地完成PLC控制任务操作，并能直观显示反馈的输出流量和压力数值。其主要控制流程如图1所示。

图1　系统控制流程

在触摸屏中设定了不同的流量调节范围，通过人工操作触摸屏实现整个系统的启动及PLC控制程序的运行。工作时，可通过选用不同的流量变化范围，调节比例流量阀开口度完成喷头流量的输出；由流量传感器和压力传感器将喷出液体的流量数据和压力数据反馈到触摸屏的显示模块，并在不同的时间点上保存相应的数据。具体的触摸屏界面如图2所示。

图2　触摸屏界面

系统中共用了4个喷头，对不同的喷头可选择不同的流量变化范围，以实现不同的输出。其中，在程序设计中，通过调节数字流量阀开口度，使得每2s流量变化0.5L/min。

2喷头的选用及布置

2.1数字流量阀的结构与工作原理

流量阀主要靠节流口的开口度大小改变流量，不同形式的节流口对输出流量的损失和精度起决定性的作用。常见的节流口结构形式有针阀式、偏心槽式、三角槽式、旋转槽式和缝隙式[8]。通过综合比较，本系统选用了缝隙式型节流口阀，主要由步进电动机、滚珠丝杠、阀芯、阀套、连杆和零位移传感器组成，如图3所示。

1.步进电动机　2.滚珠丝杠　3.阀芯　4.阀套　5.连杆

步进电动机接收到PLC输出点动作，即转过△θ的角度，滚珠丝杠随即将△θ转换为轴向位移△x，并直接驱动阀芯开口度大小。阀套上开有2个节流口，当阀芯左移时先开启右边的节流口，移动一段距离后打开左节流口，此时两节流口同时通流使得开口增大；步进电动机利用转过的步数控制开口度，从而实现输出流量的控制。

2.2喷头的选用

作为喷雾系统执行元件，喷头的灵敏性和精确度直接决定整个系统的性能[9-10]。由于喷头输出的流量需要流量阀开口大小实现控制，而且流量阀开口度流量特性并非线性，存在回程误差[11]。所以，在阀门增大和减小情况下确定开口度与喷雾流量之间的关系，可为PLC控制器提供控制依据。试验中分别配置N11053型喷头和N6014型喷头，在采样频率为10Hz、滤波系数为1的条件下，记录流量增大和减小过程的开口度；为消除测量误差，重复此过程3次并取平均值，测量并记录数据。将实际开口度除以阀门全开时的开口度，并分别在开口度增大和减小两种情况下，得到数字流量阀开口度与喷雾流量关系曲线，如图4所示。

图4　调节阀开口度-流量关系曲线

由图4分析可知：N11053配置下开口度在0～38%变化时，对应的流量调节范围为0～5L/min达到流量饱和；N6014配置下对应的流量调节范围为0～3.8L/min达到流量饱和。综上分析，本试验选用N11053型喷头配置流量调节阀。

2.3喷头的布置

液体流过不同结构的管道，会导致损失的能量和压力也不相同，为了尽量降低由喷杆导致的压力和能量损失，本文采用了图5所示的布置样式[12]。

图5　喷头的布置

3流量影响因子的理论分析

液体流过流量阀和喷头时，由于结构和流通面积的原因，会造成压力和流量损失，在阀芯和阀座间的能量损失H为[13]

(1)

其中，H为单位质量流体经流量阀的能量损失；g为重力加速度；p1、p2为入口、出口压力；ρ为液体密度。

在流量阀开口度和液体密度不变的条件下，单位质量液体流经流量阀的能量损失为

(2)

其中，ξ为流量阀阻力系数；q为流量；A为面积。

由式(1)和式(2)可得流量方程式为

(3)

由式(3)可知，在A和△p/ρ不变时，流量q随阻力系数ξ不同而变化。在测定稳定流量时，主要考虑阻力系数对实际流量的影响。

4喷雾流量瞬态特性试验

当喷雾流量改变时，系统的延时[14]和摩擦等因素将影响喷雾的均匀性，并产生脉动冲击。因此，研究喷雾流量的瞬态特性，可以掌握流量达到稳定值的响应特性和稳定性。

4.1定量喷雾精度试验

研究稳定流量下实际喷雾量的差异，可为喷雾流量的瞬态特性奠定基础。参照图4的曲线，设定了0.5、2、3.5、4.5L/min 4个流量数值，用水代替农药，按照调大和调小流量的方向分别测量10次。每设定好目标流量，待其稳定后进行采集并取平均，得到表1所示的数据。由表1可看出：流量变化越大，达到稳定值所需的时间越多，本试验中最多用时1.31s；实际输出的流量均小于设定的稳定流量值，而且设定的稳定流量值越大，损失的流量值也越大，说明能量损失的越多。本试验中与理论流量值差别最大为0.044L/min。

表1　稳定喷量误差

4.2变量喷雾流量的瞬态特性

在定量喷雾试验的基础上测量喷雾动态变化的瞬态特性，选取了测量流量的范围为：0.5～2.5L/min和2.5～4.5L/min两个变化范围，每个范围分为5个流量阶段，待初始值达到稳定状态后，分别在增大和减小的情况下进行测定瞬间流量；每0.2s记录该点的流量值，一次试验记录10s，在直角坐标系内内将所测量的值用平滑曲线连接起来，并和实际值进行对比，结果如图6所示。

由图6可看出：该系统在喷雾流量增大和减小两种情况下均未出现超调现象，流量波动也较小；当流量增大和减小变化0.5L/min时，实际达到稳定状态所需的时间最多均为0.6s；随着输出流量的增大，实际的测量值与基准值差距增大，最大达0.049L/min，响应速度较快，可实现稳定输出。

图6　不同喷雾范围的瞬态特性曲线

5结论

在触摸屏上设定了不同的流量调节范围，利用PLC控制器实现对数字流量阀的开口度进行精确控制。根据流量可调范围大小选定了相应的喷头，对喷出液体的流量和压力数据进行反馈，在不同的时间点测定相应的数据。

通过流量增大和减小两个过程，对定量和变量下的响应精度分别进行测定：定量下，达到稳定状态所需的时间最多为1.31s，流量差别最大为0.044L/min；变量下，变化0.5L/min并且达到稳定状态所需的时间最多为0.6s，流量差别最大为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

文章编号：1003-188X(2016)01-0192-04

中图分类号：S49

文献标识码：A

作者简介：程麒文(1981-)，男，山东日照人，讲师，硕士，(E-mail)chengqi7243@163.com。

基金项目：国家公益性行业(农业)科研专项(201203025-04)；江苏省高校自然科学研究重大项目(10KJA47007)

收稿日期：2014-12-17