基于PLC的果園氣爆松土注肥機控制系統設計

馬國梁,奚小波,單 翔,張劍峰,金亦富,張瑞宏

(揚州大學 機械工程學院,江蘇 揚州 225127)

0 引言

近年來,我國果樹產業發展迅速,但是管理粗放,技術投入低,單位面積產量和效益不容樂觀。在果樹產業發展的過程中,技術推廣是關鍵之一,實行精準技術和機械化、規模化,提高生產效率與優質果率,挖潛增值影響巨大[1]。在果樹生長結果過程中,施肥作業對果實的品質及產量的影響至關重要,決定著幼齡樹苗發育生長的態勢[2-3]。施肥技術與施肥機械的落后造成作物不能最大限度地利用肥料且增加了肥料的損失率[4],果園產業的發展促進果園機械化發展,但我國水果優勢產區與非優勢產區的綜合機械化分別水平不到20%、10%[5]。隨著勞動力不斷向城市進入,農村勞動人員數量越來越少,雇傭勞動力的成本也越來越高,人們對果樹機械化施肥技術的需求也就越來越高[6]。

現有果樹施肥機械中,開溝機械應用最為廣泛,開溝作業的不足表現為耕作阻力大、易傷樹木根系;果園地因常年不翻耕,土壤較板結,不利于天然降水的貯存,致使土內上下水氣熱得不到貫通,土壤毛細管破損,養分輸送能力下降,土壤生物及有機質驟減,果樹根系生長受阻[7-8]。因此,果園土壤深松十分必要,國內外已有研究利用氣爆深松技術,在土壤內注入高壓氣體使土壤產生裂隙,從而打破犁底層,實現耕地的深松[9]。國內學者將氣爆作用引入深松施肥機械中,但是研制出的機具多為獨立操控作業和人工手持操作,自動化控制程度低,勞動負荷較大[10-11]。

本文設計了一種果園氣爆松土注肥機控制系統,采用PLC系統提高整機控制程度,以期實現鉆土、松土及注肥全過程自動化,減輕人工操作負擔,提高機具作業效率。

1 機具結構及工作原理

果園氣爆松土注肥機主要由肥料罐、儲氣罐、空壓機、機架、注射鉆桿、液壓桿、電動推桿、螺桿泵、控制傳感器、動力輸入裝置、液泵及液壓站等部件組成,如圖1所示。

1.空壓機 2.液壓站 3.流量傳感器 4.機架 5.電動推桿 6.液肥箱 7.氣鏟 8.液壓桿 9.注射鉆桿 10.氣壓傳感器 11.儲氣罐 12.懸掛架 13.擺臂圖1 總體機構圖Fig.1 Overall structure of machine

圖1不涉及傳感器接線和具體液路管路連接,傳感器的接線直接接到電控箱內。電控箱集中放置了電源開關、PLC控制器、數字量模塊、繼電器、模擬量模塊、斷路器、電流互感器、電流表及電壓表等元件。

將程序下載到PLC的控制器中,啟動后依次設置深度、氣壓、流量等參數。注肥機工作過程如下:程序初始化,機具開始工作,電動推桿推動液壓桿與注射鉆桿向兩側伸展,直到機構完全展開;氣鏟開始工作,注射鉆桿在液壓桿的輔助作用下開始下降鉆土,通過深度傳感器定位下降深度;當鉆桿到達指定鉆土深度時,控制器發出指令控制液壓桿停止下降,同時氣鏟停止工作;空壓機對氣缸進行增壓,氣缸達到指定氣壓時氣壓傳感器輸出信號到PLC控制器中,控制空壓機停止加壓,接著打開氣缸閥門進行氣爆松土;執行完畢后,施肥閥門開啟,由液泵將液肥抽出從鉆桿施肥孔噴出,達到預設流量時流量傳感器輸出信號到PLC控制器中,停止施肥,鉆桿自行收回,從而實現一系列自動鉆土、自動松土、自動注肥及自動回收的功能。

2 控制系統硬件設計

2.1 系統組成及工作原理

PLC控制系統包含硬件和軟件。硬件主要由控制模塊、執行模塊、驅動模塊和傳感器模塊組成,外加斷路器等保護元件。控制模塊使用西門子PLC作為核心控制器,包括CPU、開關量擴展模塊、模擬量模塊;執行模塊包括空壓機、單螺桿泵、各路繼電器和施肥電磁閥、回流攪拌閥及氣缸電磁閥等各路電磁閥;驅動模塊包括擺線液壓馬達、電動推桿及齒輪泵;傳感器模塊由深度傳感器、氣壓傳感器、流量傳感器組成。控制系統組成如圖2所示。

圖2 控制系統組成Fig.2 Control system

控制系統以PLC為主機,輸入信號14個,輸出信號17個。輸入信號由傳感器信號、啟停開關、磁限位開關組成,完成對鉆土深度、氣罐壓力、注肥流量的監測,空壓機、單螺桿泵的啟停,作業臂的選擇,還有推桿、液壓桿的起始位置和終點位置的定位。輸出信號由各路繼電器和電磁閥組成,其 I/O 端口定義如表1所示。PLC控制器接線圖如圖3所示。

表1 PLC的I/O定義Table 1 Definition of I/O for PLC

圖3 PLC控制器接線圖Fig.3 PLC wiring diagram

2.2 硬件選型

2.2.1 PLC控制器

根據機具的控制需要,本系統選擇西門子S7-200系列PLC,采用臺灣明緯MDR-20-24開關電源供電,核心為14輸入/10輸出的西門子CPU224(6ES7 214-1BD2323-0XB0),額定輸入電壓24V,輸出電壓220V。在此基礎上,擴展4輸入/4輸出西門子EM223(6ES7 223-1BF22-0XA0)開關量模塊和4輸入的西門子EM231(6ES7 231-0HC22-0XA8)模擬量模塊。

2.2.2 深度傳感器

磁致伸縮深度傳感器利用磁致伸縮原理,通過兩個不同磁場相交產生一個應變脈沖信號來準確地測量位置[12]。由于作為確定位置的活動磁環和敏感元件并無直接接觸,能應用在高溫、高壓和高振蕩的環境中。根據機具鉆土深度要求,最大深度為650mm,選用菲爾斯特的FST-700位移傳感器。其有效行程700mm,分辨率達到0.01mm,非線性度±0.03%,輸出信號4～20mA,采樣時間0.5ms,最大允許工作電壓33V,工作電流小于70mA,極限運動速度10m/s,防護等級IP67,溫度影響小于0.007%F.S/℃。

2.2.3 氣壓傳感器

氣壓傳感器測量膜片受氣壓影響產生的位移與被測介質的壓力成正比,測量膜片和兩個電容固定極板的差動電容被放大器電路線性地轉換成4～20mA電流信號。根據機具氣爆松土要求,最大氣壓為0.8MPa,選用江蘇華海測控技術有限公司的SHH308-MA1B16A1N型擴散硅壓力變送器,外加壓力通過不銹鋼膜片、內部密封的硅油傳遞到敏感芯片上,敏感芯片不直接接觸被測介質。具體參數如下:測量范圍0～2MPa,精度0.1%F.S,穩定性0.2%F.S,使用溫度-10°～+80℃,過載極限可達量程的1.5～3倍,電源電壓24VDC,信號輸出電流4～20mA。

2.2.4 流量傳感器

要提高化肥的利用率,施肥量必須精確控制,因此對注肥流量的實時測量是注肥設備必不可少的一部分。根據機具的注肥工作要求,本機具選用G25-2型單螺桿泵,額定流量2m3/h,額定壓力1.2MPa。因此,本系統選用迪泰爾儀表機電設備有限公司的LWGY25A型渦輪流量變送器,24VDC供電,二線制4～20mA信號輸出,精度等級±0.5%R,公稱直徑25mm,正常流量范圍1～10m3/h。

3 軟件設計

本控制系統在西門子STEP 7 Micro-WIN平臺上進行軟件開發,根據機具的工作原理,系統軟件主要由信息采集模塊、數據分析模塊、執行驅動模塊和主程序模塊4部分組成。工作時,輸入執行參數后,PLC執行相應的程序,信號采集之后送至PLC。因為傳感器的電流信號均為4～20mA,所以需要通過軟件編程進行轉換數據,即當電流信號為4mA時代表被測物理量為0,再通過控制空壓機、肥料泵、驅動元件繼電器的開合和相應電磁閥的通斷,實現自動鉆土、自動松土、自動注肥、自動回收等一系列動作。程序流程圖如圖4所示。

圖4 控制程序流程圖Fig.4 Flow chart of control program

程序開始執行時,檢測設備是否運行正常,預設深度、氣壓、流量等參數被寫入程序;根據控制器指令選擇執行動作的工作臂,電動推桿開始伸出,電動推桿頂部限位開關變為高電平時停止,此時工作臂完全展開,液壓桿開始收縮,鉆桿下降,檢測位移信號是否正常。若正常,則氣鎬開始工作,執行鉆土操作;否則,停止工作。鉆土執行過程中,若位移數據檢測異常,如鉆桿在未到達指定深度時沒有繼續下降鉆土動作,則判斷此次鉆土遇到異常情況,氣鎬停止工作,鉆桿回升,重新選擇區域嘗試執行鉆土操作;否則,鉆土動作繼續執行,直到數據分析單元判斷達到預設深度,氣鏟、液壓桿停止工作。根據氣壓傳感器與預設氣壓參數的反饋差值,若差值>0,則啟動空壓機對氣室增壓;否則,打開松土電磁閥,執行松土操作。松土操作結束后,根據注射液肥指令調用預設液肥流量參數,關閉回流電磁閥,開啟施肥電磁閥,執行注肥動作。根據流量傳感器實時反饋信號,直到數據分析單元判斷注射完畢,關閉施肥電磁閥,開啟回流電磁閥,然后注射桿回升。當頂部限位開關變為高電平時,停止運動,電動推桿開始收回;當電動推桿底部限位開關變為高電平時停止,此時工作臂完全收回,若無后續指令則程序結束。

4 樣機與試驗

4.1 試驗基本條件

為了驗證本機具控制系統設計原理的正確性,試制了樣機,在揚州市江都區七里鎮進行試驗。試驗地土壤緊平均硬度4.09 MPa,土壤含水量14.3%,室外溫度15℃。試驗樣機如圖5所示。

4.2 測試指標及影響因素分析

本輪試驗預設機具注肥深度50cm,松土氣壓0.8MPa,單次注肥量1 L。試驗通過對液壓桿行程的測量獲得實際鉆土深度數據,通過對氣壓和流量傳感器顯示屏的讀數獲取實際氣壓和注肥流量數據,并對機具的工作效率進行了測試,運行試驗結果如表2所示。

表2 機具運行試驗結果Table 2 Operation test result of machine

試驗結果表明:機具完成一輪注肥操作約50s,拖拉機啟停移動約15s,深度誤差小于2%,氣壓誤差小于1.5%,注肥流量誤差小于2.5%。

5 結論

1)設計了基于PLC的果園氣爆松土注肥機控制系統,實現了機具鉆土、松土、注肥及回收的全過程自動化,簡化了人力操作,提高了注肥機具整體的工作效率。

2)在STEP 7 Micro-WIN平臺上進行了控制系統的軟件程序開發,配合液晶顯示屏可以進一步對人機交互單元進行設計開發。

3)進行了氣爆松土注肥機的作業試驗,系統工作性能穩定。試驗結果表明:機具深度誤差小于2%,氣壓誤差小于1.5%,注肥流量誤差小于1.5%,驗證了該控制系統的合理性。