厉害了！精准、高效、安全的土壤熏蒸消毒作业，这款装备不在话下！
【摘要】近年来，以设施高品质果蔬栽培为代表的高附加值作物在京郊发展迅速，特点 是规模化、连续化、高效化，但这种高效生产的模式多为连茬种植，造成土传病害和根 结线虫土壤病加重，导致减产 20%~40%，严重的甚至绝收。为了采用机械化方式高效 控制土壤疾病，减轻劳动强度和避免操作工人接触农药时中毒的可能性，设计了一种新 型土壤精准消毒机，以满足新型生物农药投入使用后对智能药械的需求。根据土壤消毒 作业规范，设计了消毒机各部分结构。完成新型消毒机结构的三维模型。设计土壤消毒 机专用防堵塞装置和管路，采用盘式转动分流技术，开发出专门的多通道药剂量均量分 配器。基于霍尔传感器、转速编码器等信息手段，开发新型消毒机变量控制器，实现圆 盘注药药量和速度之间的精准伺服调节。开发完成基于液晶界面的单位面积消毒剂用量 PID 调节的一体化调控消毒机终端。最后对消毒机进行了田间测试试验，测试结果表明 最佳调节频率为 6 Hz，控制模型的误差小于 1%。消毒机实际作业试验结果表明 86% 以上的线虫得到抑制，比传统人工消毒控制线虫高 5%。
机械结构设计
消毒机结构如图1所示。机架上方固定连接药液传输装置，在机架下方固定一组入土铲，并连接注药装置。拖拉机通过悬挂装置与机架连接，药液传输装置、注药装置在拖拉机牵引下完成移动施药作业。控制器用于接收用户指令，并根据用户指令控制药液传输装置作业，采用气体加压方式实现精准注药。储气罐位于拖拉机前部，作为配重使用，同时在施药时，能储存高压气体，并将高压气体输入到药液灌内后方的消毒机药液罐内用来为施药提供作业所需的压力。
a. 拖拉机左视图
b. 后视图
图 1 1G-J800 型土壤精准消毒机结构图
施药控制系统由拖拉机蓄电池供电，控制系统主要包括控制器、电磁阀、显示屏、流量传感器、速度传感器等。控制器主要功能是产生PWM脉冲信号、计算存储各个传感器数值以及实时与显示屏通讯。电磁阀为执行单元，控制器产生6路PWM控制信号，控制6个电磁阀开闭，实现各路注射单元实现了独立精准施药。采用显示屏作为人机交互界面，与控制器进行数据交换，通过显示屏可以分别输入6个注射单元的出药量数值，并将出药量及相关的频率、占空比等数据信息实时显示数据信息。
限深缓冲装置如图2所示，限深缓冲装置设置在机架下方，包括连接杆件、滚轮和弹性装置；连接杆件与机架通过销轴接，弹性装置连接机架和连接杆件，用于缓冲消毒机与地面间的冲击力及限制消毒机的入土深度。
图 2 限深缓冲装置结构图
流量显液管结构图如图3所示，显液管内具有轻质浮球，药液从流量显液管的药液入口进入流量显液管后，浮球浮起，流量显液管内没有药液时，浮球依靠重力落到流量显液管底部，通过流量显液管的透明玻璃视窗，便于在外部清楚观察施药管路内有无药液流动，能够及时获知是否需要补加药液，防止漏施药。
图 3 流量显液管结构图
注药装置结构如图4所示，流量显液管的出口经过软管与各个注药装置连通，药液最终通过注射嘴注入土壤，注射嘴的药液入口处装有过滤限流装置，其中，过滤限流装置内包含通径大小一致的限流片，保证各个注药装置管路中通药量相同，实现每个注药针出药量均匀、精准可控。过滤限流装置还能够进一步有效滤除药液中的残余杂质保证注射嘴不堵塞。注射嘴安装在入土铲的后侧，即入土铲背向牵引机车前进方向的侧面设置有注射嘴，且将入土部设置为与牵引机车前进方向具有锐角α，从而使得作业过程中，当入土铲的入土部插入土壤并挖掘的过程中，有效避免注射嘴的出液口直接与土壤接触；注射嘴的出液口距离地面的高度大于入土铲的入土部的自由端距离地面的高度，能够有效防止土壤堵塞注射嘴的出液口；此外，通过调整支撑部上安装孔的位置，可以调节入土铲的入土深度。各个注药装置在基架上并排设置，彼此的间隔距离可以根据施药幅宽进行调整。
图 4 注药装置结构图
液态消毒剂输送分配系统的开发
针对液态消毒剂安全环保的精准调节，开发液态消毒剂输送分配系统，系统包括：过滤器，流量传感器，电磁阀，单向阀，注药单元，溢流阀，调压阀等部分。通过控制器发出的信号实现药剂的精准分配和定量控制。如图5所示。
图 5 液态消毒剂输送分配系统示意图
土壤消毒作业时，调节储气罐的调压阀向液箱输入气体稳定气压的气体，药液罐内的药液从液罐底部出液口进入过滤器，经过过滤后药液进入流量传感器、压力表、溢流阀后再经过分流器分流，药液分为6路进入6路注药单元，每路注药单元装有电磁阀控制管路开闭，注药单元将药液注入土壤中。控制器产生6路独立的控制的PWM信号控制每一路的电磁阀开闭。显示屏作为人机交互界面，与控制器实现数据交换。通过显示屏可以分别输入六个注药单元的出药量数值，显示屏能够实时显示出药量及相关的频率、占空比等数据信息。图6所示，为土壤消毒机械结构及注药管路系统三维模拟图。
图 6 土壤消毒机械结构及注药管路系统三维模拟图
施药量PID闭环控制模型
由于施药时，药剂需要被机械化的投入到土壤中，和传统的向空气中喷雾存在差异。因此通过建立面向土壤消毒的精准施药PID闭环控制模型，建立PWM动态调节的方法，解决施药误差的问题。由于土壤消毒时，土壤颗粒包裹注射嘴的出液口，引起的施药管路压力波动。通过控制系统解决施药量控制的精度问题，实现土壤环境下的施药量精准控制。图7是控制模型图。
图 7 PID 控制模型图
变量控制器的开发
针对密闭湿热环境条件，变量控制器采用隔离防潮和模块化设计，外设温度补偿电路对流量传感器信号进行优化，实现变量控制器在环境下的可靠运行，图8是变量控制器结构框图。采用基于光电耦合的专用驱动器模块，通过控制器发出经过调制的PWM调节信号对电磁阀进行在线调控，实现土壤施药的精准变量调节。
图 8 变量控制器结构框图
控制器包括2个显示屏和3个外围电缆接口，见图9。控制器的药量初始化校准采用实际注药测量称重的方法。选用待测消毒机，直接通过往土壤采样箱里注射药剂后，称量出土壤重量增加量，多次平均后计算从而得出土壤阻力系数对控制器药量控制精度影响的校准加权系数，采用加权系数对不同土质进行施药量控制精度进行校准。
图 9 变量控制器实物图
流量测定试验及分析
试验基于PWM实现变量施药，利用试验结果建立施药的流量模型。设定PWM信号的占空比和频率来控制电磁阀在施药系统中开闭时间和频率，记录控制施药系统中的出药流量。本文中流量测定试验是在系统额定压力0.28MPa下，用清水代替药液，测定PWM信号的频率和占空比对施药流量的影响，从而建立施药流量模型。试验方法设计为利用洁净干燥的量筒预先装满水再倒空，使筒壁沾水后，用精度为0.1g的电子秤测量量筒初始重量，然后将量筒放在注药单元下方。打开储气罐阀门向储液罐内充加压气体，调节调压阀并将充气压力稳定在系统额定压力0.28MPa。液罐内压力稳定后，接通控制器电源，通过显示屏设置控制器输出PWM信号的频率和占空比。通过试验测定，当频率超过8Hz时，系统震动强烈，缩短阀体寿命，影响注药准确率，因此设定频率从1~8Hz分8个频段变化，在每个频段下设置占空比以10%的步长从10%~100%变化。设定测量时间为30s，用精度为0.1g的电子秤，将每个频率下不同占空比时注药单元30s的出水量杯称重并记录。试验数据如表1所示。通过对试验数据分析得出，施药量与占空比呈正比线性关系，施药量与频率关系不显著。
表 1 额定压力下出药量
因此，通过表1选取线性拟合程度最好的频率，采用固定频率下变换占空比来实现流量精准控制。对PWM信号不同频率下占空比与剂量进行了线性回归，建立了不同频率下基于PWM信号占空比的施药流量控制模型并得出不同频率下对应的决定系数，如表2所示，线性决定系数越高表明控制器在该频率下流量控制越精准。
表 2 不同频率下出药量决定系数
由表2所示，频率对流量控制的决定系数都相对理想，其中在频率为6Hz时决定系数最大，其流量调节模型为y=59.203x-6.5067线性拟合度R2为0.9978，它有最好的线性关系，控制器在此频率下能最精准控制剂量。
基于变化车速的施药量精准控制试验及分析
试验采用PWM占空比和脉冲频率双参数对药量进行精准在线调节的方法，通过控制器采集作业速度信号，根据预先设定施药量等级，实现了不同作业速度下动态在线调节。通过田间试验研究多次校正，本系统控制模型选取频率为6Hz，控制模型的误差小于1%。图10为变化车速的施药量精准控制曲线。
图 10 变化车速的施药量精准控制曲线
精准消毒机施药作业对产量的影响试验及分析
试验用精准消毒机在农田对番茄开展土壤施药试验研究，研究中共选取3个地块，每个地块分5个小区，共15个小区，每个小区按照下表的一种处理进行消毒作业，作业前先获取土壤线虫数量得出病情指数，采用20%辣根素水乳剂施药后，对不同区域进行防治效果统计，试验数据的结果表明86%的线虫得到有效抑制，机械化施药处理平均病情指数为3.75%，平均防治效果为54.27%。收获时统计出的产量结果表明，机械化施药收获产量为157.6kg/667m2，人工施药平均为135.61kg/667m2。从试验产量数据可得，机械化施药能提高茄子每667m2产量22kg以上，通过平均防治效果可得机械化施药收效最低的处理比传统人工消毒控制线虫高5%。土壤消毒机田间试验结果表明，整个系统的施药安全稳定施药能力性，流量控制精准性得到验证。
试验设计了消毒机各部分结构，完成新型消毒机结构的三维模型。通过样机田间试验得出以下结论：
专用防堵塞装置和管路有效解决了土壤施药堵塞问题，采用盘式转动分流技术，以及多通道药剂量均量分配器能提高机械化施药效果。
基于霍尔传感器、转速编码器等信息手段，开发新型消毒机变量控制器，实现圆盘注药药量和速度之间的精准伺服调节，结果表明系统控制模型选取频率为6Hz时，控制模型的误差小于1%。
引用信息
马伟 , 王秀 , 苏帅 , 等 . 温室智能装备系列之一百零九 1G-J800 型土壤精准消毒机的设计与试验 [J]. 农业工程技术 ,2018,38(28):54-59.