基于PLC的新型智能配肥機系統設計

張業鵬，張 明，趙寅峰

（湖北工業大學 機械工程學院，武漢 430068）

0 引言

隨著我國經濟不斷發展，城鎮一體化不斷推進，實現全面小康社會、解決三農問題是重大問題，針對國家提出農業工業化戰略，農業行業向智能化方向發展是一個不可逆轉的趨勢，現有中國一些農村由于受到地理環境的限制，農業種植還不能做到農業產業化，基本靠個人或者以村為單位實行小規模種植農作物。然而各個地方土壤成分不一樣，農作物種植也不盡相同，要使農作物實行精細化種植，合理施肥，保護土壤，節約成本成為一個很大的挑戰，針對以上情況，本文所設計的智能配肥機能很好的解決普通農戶小規模種植的問題，根據土壤情況和農業專家指導意見進行精細化配肥，節約成本，保護環境，實現低投入高回報的農業種植。

1 智能配肥機總體結構

智能配肥機就是通過開發“智能終端配方施用技術專家系統”，將土壤養分含量、種植制度、作物需肥規律、產量目標等作為肥料配方的關鍵因素予以統籌管理，整合配肥設備、計算機終端于一體，通過互聯網絡將農業主管部門、配肥企業和智能終端配肥網點三者緊密結合起來，搭建共同管理、信息共享平臺。智能配肥機外觀圖如圖1智能配肥機外觀圖所示，其結構緊湊小巧，長為3.15米寬為2.18米，總占地面積為6.87平方米，遠遠小于市場上現有配肥機的平均占地面積，極大的節約了空間。

其內部結構圖如圖2智能配肥機內部結構圖所示。

圖1 智能配肥機外觀圖

圖2 智能配肥機內部結構圖

智能配肥機主要由機械系統和電氣控制系統組成。控制系統的嚴謹程度，是智能配肥機能否完成一系列功能的關鍵。電氣系統由硬件系統與軟件系統組成。

2 智能配肥機內部機構及工作流程

智能配肥機主要完成進料、稱量、混料、稱量、出料5個基本作業流程，智能配肥機完成一次的工作過程如下所述：

圖3 提升機構圖

1）將原料放置于倒袋板后，打開原料袋上口。

2）氣缸推動倒袋板翻轉，將原料倒入運料斗。

3）氣缸拉動運料斗提升，將原料倒入上料斗。

圖4 上料機構圖

4）系統控制上料斗下的出料控制器，控制原料進入稱量斗。

圖5 進料稱量機構圖

5）待稱量完成后，打開稱量斗下方的出料控制器，原料進入混料斗。

6）待所有原料均稱量完成并進入混料斗后，啟動混料電機，開始混料。

7）待混料完成后，氣缸拉動混料斗，將混料斗中的成品料倒入大提升斗。

圖6 混料機構圖

圖7 出料稱量機構圖

8）氣缸拉動大提升斗提升，將成品料倒入大存料斗。

9）系統控制大存料斗下的出料控制器，控制成品料進入大稱量斗。

10）待稱量完成后，打開大稱量斗下方的出料控制器，成品料進入出料口，通過夾袋器裝袋。

當智能配肥機接收到上位機控制系統所設定的配肥指標后，便以上述流程完成一次配肥工作。

3 電氣控制系統設計

電氣控制系統主要由硬件系統和軟件系統組成。硬件系統主要由PLC、觸摸屏、稱重傳感器、光電傳感器、電磁閥和伺服電機等組成。

系統選用西門子PLC做為主控制器進行智能配肥控制，主要接受和采集外部傳感器的信號完成對外部環境的檢測作用，控制配肥的伺服電機的啟動和停止，各個機構的進出料稱量的電磁閥控制，以及各附屬機構的控制。選用歐姆龍觸摸屏作為人機交互軟件，主要與PLC進行通信，實現用戶的手動操作與自動操作的功能。

軟件系統設計主要包括上位機配肥系統、PLC程序設計和觸摸屏程序設計。用戶根據土壤檢測的成分，啟動上位機配肥系統。上位機配肥模式操作流程如圖8所示。

圖8 配肥操作流程圖

依據圖8操作流程，進入配肥操作系統后，查找到需配肥農戶→選擇需配肥田塊→依專家推理得出配方→根據進貨原料選擇是否添加中微量元素（三種還是四種原料）→選擇需施用肥料面積→發送訂單到配肥訂單列表，即可完成上位機配肥配方工作。

PLC程序設計是整個智能配肥機智能化的核心，程序設計是否合理，關乎整個智能配肥機能否自動運行。西門子S7-200系列PLC與其他同類型PLC相比具有更多的輸入輸出點、更強的模塊拓展能力、更快的運算速度、更好的內部集成特殊功能。根據需要，本文選用西門子S7-200CPU226作為主控制器，使用西門子STEP7 MicroWIN V4.0進行編程。PLC程序主要包括啟動停止模塊，手動模塊，自動模塊，輸入輸出模塊，報警模塊等5個模塊。智能配肥機生產程序設計流程圖如圖9所示。

歐姆龍觸摸屏作為人機交互軟件，使用其自帶的編程軟件NB-Designer進行編程，主要程序設計包括設備初始化，界面程序編寫，參數設置，模式選擇和系統管理等部分。由于操作簡單，性能穩定，能在極端惡劣的條件下工作，適合普通工人在工廠操作使用。

4 運行調試及指標檢驗

經過調試后實際投入使用，智能配肥機能夠穩定運行，安全無故障生產，無意外事故發生，整機工作功率消耗小于5千瓦每小時，能連續24小時不間斷工作，生產的成品肥料混合均勻，符合抽樣標準，達到每小時2～3噸配肥生產量，最多能夠實現5種原料配肥，且成品肥料包裝精度為±0.5%。日產量為人工十倍，用戶經過簡單培訓，就可以安全生產。這套基于PLC的智能化配肥機具有高度自動化水平，能夠在十分惡劣的環境工作，能夠實現所有的設計要求和指標。

圖9 PLC程序流程圖

5 結束語

本文研制的基于PLC的全自化智能配肥機結構嚴謹，特點突出，運行可靠，人機交互性能優越，適合絕大多數普通用戶及企業的生產環境，具備極好的柔性化制造功能，能滿足產品多樣化的需求。同時該系統還具備高度的自動化水平，能大幅度降低企業的運營成本，大大減少工人勞動強度，生產效率和產能顯著提高，符合國內用戶實際生產需求，具有廣闊的市場前景。

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