基于PLC 的農業機電設備電氣系統設計

江蘇省聯合職業技術學院淮安分院 李其龍

引言

隨著我國農業生產水平的不斷提升，傳統的種植經驗以及農耕設備已然無法滿足農業生產人員的農耕需求。對此相關設計人員也逐漸將信息時代先進的科學技術應用到農業生產與管理工作中，積極推動我國農業生產領域向數字化和信息化方向邁進。對此相關設計人員可從農業機電設備入手，將PLC 等先進技術融入農業機電設備的改進與完善中，以此來切實有效地提高農業機電設備的整體質量水平，使其能夠在農業生產中充分發揮積極作用。這也是筆者將要同大家分享和探究的主要內容。

1 PLC 在電氣系統設計中的理論綜述

1.1 基本概述

PLC 即可編程邏輯控制器，其通常是指一種設有微處理器的數字運算控制器，在其內部可執行順序控制、計數等操作指令，最終以數字的形式來完成數據輸入與數據輸出，繼而實現控制其他機電設備生產運行的目的。PLC 控制器的運行過程主要分為輸入采樣、輸出刷新以及程序執行等階段，這些階段可組成一個完整的掃描周期。在PLC 控制器的運行期間，PLC 控制器的CPU 便會按照特定的掃描速度不斷地重復輸入、執行、輸出三個階段從而完成對機電設備的有效控制。

1.2 結構組成

PLC 控制器的內部結構主要包括以下構件：一是電源，其主要是將機電設備所供應的交流電轉化為直流電，為PLC 控制器運行提供源動力。二是中央處理器，在PLC 控制器中發揮控制中樞的職能，屬于核心結構。三是存儲器，具備數據信息記憶功能的電路系統，主要作用是存放PLC 控制器中的邏輯變量等數據信息。四是輸入單元，主要是用于接收由檢測元件等結構所產生的數據信號。五是輸出單元，主要用于將PLC 控制器的數據信號傳輸至被控機電設備中來完成相應的操作指令。六是外部設備，目前比較常見的PLC 控制器外部設備有計算機等，這些外部設備主要用于幫助PLC 控制器實現網絡通信等其他功能。

1.3 應用優勢

PLC 控制器在機電設備的實際應用中體現出以下突出優勢：首先是可靠性高，因為PLC 控制器的集成度相對較高，且具備自我診斷、電路保護等功能，因此其在電氣系統的實際應用中具有較高的可靠性。其次是編程操作簡單，PLC 控制器通常是以繼電器控制梯形圖的形式來完成相應的操作指令，由于梯形圖很容易掌握并且使用便捷，因此PLC 控制器相對應的編程操作流程也十分簡單。再次是組態靈活，以積木式結構為主的PLC 控制器只需用戶對其進行簡單的組合便可輕松改變機電設備控制系統的規格和功能，因此PLC 控制器還具備組態靈活的優勢特征。最后是功能模塊齊全，針對電流、電壓、數字量以及不同型號的農業機電設備，PLC 控制器均可采用相應的功能模板與機電設備的控制閥、傳感器等相關器件進行連接。

2 PLC 在溫室灌溉設備中的電氣系統設計要點

2.1 硬件設計

溫室灌溉設備主要是由PLC 控制器、傳感器、A/D 轉換器等硬件結構所構成，設計人員需針對不同農作物所處環境的差異性來針對性地優化灌溉設備的硬件設計。設計人員可結合灌溉設備的實際運行情況，以此作為依據來合理選擇PLC 控制器設備。以S7-200PLC 設備為例，其包括14 個輸入端口和10 個輸出端口，輸入端口與輸出端口之間可以通過相互連接的方式來對現有模塊進行進一步擴展[1]。傳感器則可進一步細致地分為土壤濕度傳感器和水位傳感器兩種類型。其中土壤濕度傳感器是指利用電磁脈沖技術來實現對土壤水分的監測作業，而水位傳感器則是通過將水位信號傳遞至PLC 控制器使其根據實際水位與設計水位比對來自動實現各對閥門系統開閉狀態的有效控制，以確保灌溉設備中的水位量能夠持續處于穩定狀態。

2.2 軟件設計

PCL 控制器在溫室灌溉設備的電氣系統軟件設計主要包括兩方面內容：一方面是針對水生植物的軟件設計。從客觀角度上來看，水生植物對溫室灌溉設備的要求比土壤植物要高出許多，對此設計人員應在基于PLC 控制器的基礎上將其與灌溉設備中傳感器的水位信號建立一定的關聯。當溫室灌溉設備投入正常使用后，PLC 控制器會將所獲取到的水位信號與設計信號值進行對比，并根據對比結果對電閥門執行開啟或者關閉的操作指令，以給予水生植物最佳的生長環境[2]。另一方面是針對土壤植物的軟件設計。設計人員可先設計出土壤環境所需含水量的最小值，并且保障農業生產的區域范圍內土壤含水量均在設計最小值之上，在此基礎上再利用傳感器對其進行檢測，并將檢測數據傳輸至PLC 控制器上，與最初設計的最值范圍加以對比，同時根據數據對比分析結果對電閥門執行開啟或者關閉的操作指令。

3 PLC 在智能監控設備中的電氣系統設計要點

3.1 電氣系統總體設計

智能監控設備也是農業生產中能夠發揮極大作用的機電設備，其主要是通過傳感器設備來采集大棚中的溫度、土壤濕度、二氧化碳濃度、光照強度等與農業種植環境相關的參數信息，以此來輔助農業工作人員完成對農業生產環節的實時性監控。將PLC 控制器作為整個智能監控設備中的控制核心，其不僅可以通過對電流信號中的參數信息進行識別和儲存，同時還可以結合設計值以及所獲取的數據信息進行統籌分析，再驅動監控設備中的執行器，從而實現對農作物所處環境的智能化調節。智能監控設備中的組態軟件主要用于創建人機交互的界面，從而提高智能監控設備操作的便捷性。而PLC 控制器中的云網關模塊還可將監控設備所獲取的參數信息即時地傳輸至用戶平臺。這樣不僅可以通過大數據平臺對參數信息進行實時性分析，并將異常情況向管理員進行預警，同時管理員也可自行通過電子設備登錄相關網站來查看農業生產現狀。

3.2 電氣系統硬件設計

農業生產現場所處地區的環境參數采集工作通常需要借助傳感器來完成, 傳感器在應用時會將環境參數信號傳輸至PLC控制系統中, 對此設計人員需結合PLC 控制器的輸入口進行型號的選擇。目前應用比較廣泛的模擬量傳感器主要以四線制和兩線制兩種類型為主。當四線制模擬量傳感器與PLC 控制器模板所對應的輸入通道進行連接時，PLC 控制器此時只具備采集信號的功能。當兩線制模擬量傳感器與PLC 控制器模板所對應的輸入通道進行連接時，PLC 控制器的模板通道還需對外輸出24V 的直流電源，通過這種方式來驅動模擬量傳感器進行正常工作。

3.3 電氣系統軟件設計

在智能監控設備中，農作物在不同生長階段最適宜的環境參數存在一定的差異性，對此設計人員可從環境溫度、環境濕度、光照強度等角度利用PLC 程序來獲取相關參數信息，而管理者則可通過修改和完善組態軟件的參數設計值與環境監測實際結果進行對比分析，從而更好地選擇手動操作或自動操作兩種模式。其中手動模式中管理者可在組態界面中進行啟停或其他操作[3]。例如當PLC 控制器出現故障時，管理者可以采用手動模式來快速啟停設備。自動模式則是先將獲取的數據信息與設計值加以對比分析，若二者的誤差在允許范圍內，則掃描任務完成即可，此時智能監控設備可進入下一個周期循環。若二者的誤差已經超出設計值范圍，則PLC 控制器便會自行驅動智能監控系統中的執行設備，使機電設備能夠始終處于正常的運行狀態。

4 PLC 在精準施水播種機中的電氣系統設計要點

4.1 排種器設計

目前農業生產中比較常見的排種器以氣力式和勺輪式兩種排種器為主，排種器設備大多呈現四連桿的仿形結構，其主要通過振動搖桿來有效改變播種機設備所承受的鎮壓力，提高排種器在運行中的穩定性。在此基礎上，設計人員可通過PLC 控制器在排種器中增加漏播警報的功能。若播種機設備在播種過程中出現漏種情況，則PLC 控制器便會控制播種機對漏種區域進行補種。設計人員還可利用PLC 控制器對補種設備的行進速度和株距進行合理設計。一般情況下，播種機設備的輸種管長度越長、株距越大，則系統所獲取數據信息的準確率及可靠性便會越低，對此設計人員需充分利用PLC 控制器對排種器電氣系統進行優化，科學計算最佳補種株距，合理縮短輸種管的長度，以此來提高排種器的補種質量。

4.2 測速輪設計

播種機的測速輪主要以北斗導航系統為主, 在PLC 控制器旋轉編碼的輔助下可高效完成測速作業。為了進一步提高測速輪的精確性，設計人員可以將其置于播種單體的間隙，從而起到一定的保護作用。與此同時，設計人員還可通過在測速輪外側安裝防滑齒來進一步加強測速輪的防滑性。而PLC 控制器則可以在測速輪的仿真設計中進行合理的應用。通過對齒輪傾斜角針對播種機設備在運行過程中所接觸土壤的受力情況以及飛濺速度進行計算，以此來設計出測速輪的最佳角度。此外，設計人員還可利用PLC 控制器對播種設備的橫向穩定性加以測定，以進一步確保測速輪在實際播種過程中能夠具有較高的安全穩定性。

4.3 水箱設計

精準施水播種機中的水箱設備通常以輕量承載式水箱為主，水箱的加水全程自動化，無須駕駛員進行輔助操作。通常情況下，水箱中的傳感器可使用電容性液壓傳感器，因為其與超聲型和浮球型水箱傳感器相比成本更低，因此被人們廣泛應用在播種機設備中。水箱傳感器的工作原理是根據水的介電常數與空氣介電常數的差值來適當改變傳感器中的脈沖寬度，通過對應不同反應水位的編碼序列來實現對水箱的控制[4]。液壓傳感器的信號端需與單片機的引腳進行緊密連接，在此基礎上設計人員可利用PLC 來編寫相應的程序，當水箱傳感器自動檢測到水位降低時便可通過聲音和燈光來向駕駛員進行預警。

5 結論

本文筆者主要基于PLC 視角對農機設備的電氣系統設計要點進行詳細的闡述，并從溫室灌溉、智能監控以及精準施水播種機等設備電氣系統設計工作中所碰撞出的新火花加以討論，其目的是為了進一步完善和優化農業機電設備的應用成效，為提高農業增產創收創造條件。希望在PLC 的技術支持下相關人員能夠努力構造智慧農業平臺，為我國實現農業振興奠定堅實的基礎。