基于PLC 果樹噴藥機控制系統設計

趙小娟

（連云港生物工程中等專業學校 江蘇 連云港 222248）

0 引言

我國作為農業大國，在果樹種植和農藥研發生產方面都處于世界領先水平，但農業自動化程度卻相對滯后。果樹的施藥技術直接影響著果樹成長，進而影響果實的品質和產量。在果樹施藥期間，如果農藥噴灑過量，會引起環境污染，同時果實攜帶過量農藥也會影響食用者健康；如果農藥噴灑不足，對果樹病蟲害防治效果會大打折扣。因此，本文研發了一套科學的果樹噴藥機控制系統，不僅能夠保證農藥的病蟲害防治效果，提高果樹的產量和質量，還可以減少藥物浪費，對環境保護有重要作用，具有一定的現實意義。

1 果樹噴藥機控制系統需求分析

精準噴藥控制系統在果樹位置信息的基礎上，能夠準確而及時地采集噴藥機行駛速度等信息并快速響應，同時對噴藥量進行調整，提高了農藥利用率，滿足了系統控制方面的要求[1]。

從果園噴藥機近年的發展情況看，大型化、規模化是其發展的主流趨勢，噴藥機的結構也日漸復雜，駕駛人員不能僅依賴前期積累的經驗對噴藥機的具體情況做出判斷。本文針對這種情況設計控制系統，結合噴藥機的行駛速度實施精準噴藥，控制好噴藥機的流量，并通過人機界面對噴藥機的行駛速度進行測評，系統同時提供流量、開關、壓力等方面的信息。駕駛員通過人機界面獲取自己需要的各種信息數據，了解噴藥機的工作狀態，根據傳感器提供的信息做出相應的決策。人機界面功能的發揮，將會使噴藥機工作質量、效率均有所提高。

本文設計的控制系統具備如下性能。

（1）控制系統具備較高的自動化水平，人機界面及時輸出多項參數，系統對這些參數進行識別之后按需調整噴藥流量，可以減輕駕駛人員的手動操作負擔[2]。

（2）管制系統有較高的可靠性。農業生產環境極其復雜，噴藥機的每一種電子元件都面臨著嚴峻挑戰，因此，要有良好的抗干擾能力，確保預期功能全部實現，增強噴藥機的穩定性[3]。

（3）控制系統有較強的實用性。噴藥機操作人員多為種植農民，他們難以操作復雜的系統，所以要降低系統操作難度，并且擴大適應范圍，以滿足不同類型果園與噴藥機的需求。

（4）控制系統有良好的經濟性。我國農業生產人員經濟收入并不高，為了給農民帶來便利，要在完善系統性能的前提下將價格控制到最低。

（5）控制系統有較強的靈活性，能同時滿足自動化、手動化兩種操作模式的要求，用戶可以根據自身情況做出合理選擇。

2 果樹噴藥機控制原理分析

控制系統處于工作狀態時，藥箱中的藥液先經過濾器，清除其中的雜質之后再進入藥泵，藥泵壓力與動力都達到了一定水平，能夠把藥液傳輸至霧化噴嘴，再實施精準噴藥。系統在對樹木靶標信息進行檢驗時，采用的是超聲波與紅外線兩種傳感器，并借助電磁閥獨立控制各個噴嘴。借助于壓力與流量兩大傳感器，系統能及時獲取藥液壓力與流量兩方面的數據信息，噴藥機行駛速度信息則是通過速度傳感器獲取的，傳感器提前設定了噴幅值，根據傳感器提供的真實參數，求出真實的噴藥流量值，在電動調節閥的輔助下調整流量，讓具體流量能契合理論值，由此產生良好的控制效果[4-5]。如果采用手工模式進行操作，操作人員在調整噴藥量進行調整時要重點控制好噴藥機的行駛速度，增強藥量穩定性，同時噴藥量與行駛速度的調整保持同步。

3 果樹噴藥機控制系統設計方案研究

果樹噴藥機控制系統在設計過程中主要需要考慮兩方面問題：控制器選擇和噴藥控制方案選擇。

3.1 控制器選擇

控制器選擇中，主要有單片機技術和PLC 技術兩種。

方案1：利用單片機作為控制器。單片機是典型的嵌入式微控制器，由運算器、控制器、存儲器、輸入輸出設備等構成，相當于一個微型計算機。與應用在個人電腦中的通用型微處理器相比，它更強調自供應（不用外接硬件）和節約成本。它的最大優點是體積小，可放在儀表內部，但存儲量小，輸入輸出接口簡單，功能較低[6]。目前在噴藥機控制領域，已有很多設計研究者利用單片機作為控制器，實現噴藥機的智能控制。利用單片機作為噴藥機控制器進行噴藥控制，優勢是性價高，控制成本低；缺點是抗干擾能力差，不穩定，在實際工作時會遇到一些未知問題無法滿足實際工作需要。

方案2：利用PLC 作為控制器。PLC 是可編程邏輯控制器的簡稱，是專門為在工業環境下自動化控制而設計的數字運算操作電子系統。可編程控制器由內部CPU、指令及數據存儲器、輸入輸出單元、電源模塊、數字模擬等單元所模塊化組合而成，通過數字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機械設備或生產過程[7]。利用PLC 技術進行噴藥機智能控制，不易受外界環境的影響，抗干擾能力強，控制較為精準，尤其是在速度和噴藥精度方面表現尤為突出，可適用于多種復雜環境作業；PLC 控制器留有多個控制接口，可方便后期設備升級。

綜上所述，利用PLC 進行噴藥機智能控制具有明顯優勢，因此本文設計采用PLC 作為控制器。

3.2 噴藥控制方案選擇

目前農業噴藥控制主要有電磁閥脈寬調制變量噴藥技術、壓力調節變量噴藥技術、在線注入農藥變量噴藥技術、流量調節變量噴藥技術等。

方案1：電磁閥脈寬調制變量噴藥技術。該技術是利用控制電磁閥通斷來實現噴藥流量控制，即單位時間內電磁閥打開和閉合數進行噴藥流量的調節控制。理論上該方法可實現噴藥管道流量控制，且調控范圍大，但實際操作時由于該電磁閥開關需要超高頻電磁來控制閥門通斷，因此對電磁閥本身提出了一定要求；另一方面，農業噴藥機利用該噴藥技術進行噴藥作業時，由于電磁閥門工作頻繁通斷造成噴藥過程產生間斷，會影響實際噴藥[8]。

方案2：壓力調節變量噴藥技術。該技術是利用調整噴藥機噴藥管道中的壓力來實現噴藥控制。液壓控制調節一般是通過以下方式實現：泵輸入壓力調節、調壓閥調節、液體回流調節等[9]。利用該方法可以實現噴藥機噴藥作業，但由于本身控制原理的局限性，噴藥流量可調控范圍較窄；另一方面，壓力控制噴藥，會導致起始噴灑的藥物濃度低，后期噴灑藥物濃度高，因此無法保證藥物均勻噴灑。

方案3：在線注入農藥變量噴藥技術。該技術是通過在線農藥量控制來調節藥液濃度，以實現噴藥量控制的方法。利用該方法進行噴藥作業時，不會影響噴藥管路壓力、霧滴尺寸以及電氣元件。但這一方法從藥物濃度調節到藥物噴出整體操作周期較長，控制過程會造成一定延遲，很難滿足實際噴藥需求。

方案4：流量調節變量噴藥技術。該技術是利用驅動電動調節閥來實現系統流量控制。利用該方法進行噴藥機噴藥作業，可實現機具行進與噴藥狀態的協調控制，以達到預期噴藥效果。該方法的優勢是結構設計簡單，控制穩定，噴藥流量控制可調范圍寬，控制精度高，藥物噴灑均勻；不足之處是噴藥管道很難實現穩壓控制，因此需要對其進行回流設計。

綜上所述，流量調節變量噴藥技術，設計簡單，精度高，性能穩定，滿足本文設計需求，因此選用該技術進行噴藥機噴藥控制。

4 果樹噴藥機控制系統總體設計

根據果園果樹的實際情況，結合PLC 自動控制理念，本文設計了一款基于PLC 果樹噴藥機控制系統，見圖1。系統主要由4 個模塊組成：信息采集模塊、可編程控制模塊、執行模塊和人機界面。信息采集模塊主要由一系列傳感器收集果樹相關信息，如流量傳感器、速度傳感器、紅外線傳感器等；可編程控制模塊是由PLC 控制，該模塊是控制系統的核心，起到分析數據、處理數據的作用；執行模塊是電磁閥和調節閥，控制果樹噴灑流量、噴灑壓力等；人機界面主要由觸摸屏構成，實現噴藥機控制系統控制與監測[10]。

5 果樹噴藥機控制系統關鍵技術

5.1 手動/自動控制系統

本文設計的果樹噴藥機有手動控制和自動控制兩種方式，用戶可結合實際情況根據需要對其進行選擇，具體控制流程見圖2。

果樹噴藥機可根據人機界面的提示，選擇手動模式或自動模式。當選擇自動模式進行噴藥作業時，用戶可以對噴藥量及噴藥覆蓋面積進行設置（數據數值可根據相關理論計算得出），此時噴藥機會根據設置的數據，結合傳感器檢測到的信息，對噴藥量和噴藥移動速度進行協調控制，以實現藥物的定量均勻噴灑。當選擇手動模式進行噴藥作業時，用戶可以根據實際需要對噴藥狀態進行選擇，系統設置了3 種不同的噴藥工作狀態，分別對應設備不同行駛速度下的噴藥狀態。上述無論是手動模式還是自動模式下，噴藥機每個噴嘴控制都相互獨立，可通過人機界面實現獨立控制。

5.2 精準噴藥系統

為了獲取果樹準確位置，本文設計的噴藥機控制系統利用兩種傳感器（超聲波傳感器和紅外線傳感器）采集信息，利用信息融合的方式實現果樹位置的標定，系統在進行運行過程中，兩種傳感器只要有一種檢測到位置信息，便可以啟動程序運行。

在噴藥機控制系統中，為提高樹木靶標信息檢測的精確度，系統使用紅外線傳感器和超聲波傳感器數據融合的方式進行數據采集，只要有一種傳感器檢測到靶標信息，便可以觸發程序。這里以2 號電磁閥為例，當兩種傳感器中有一種采集到數據時，噴藥噴頭開始工作，噴藥機開始噴藥作業，當噴藥機移動噴藥作業工作一段時間時，傳感器失去信息，這時噴藥機噴藥作業停止，噴頭停止工作。

5.3 噴藥量控制系統

本文設計的噴藥機控制系統中兩種工作模式的噴藥量控制不同。當噴藥機處于自動控制模式時，噴藥量的控制可以根據噴藥機移動速度調整來實現單位面積噴藥均勻；當噴藥機處于手動控制模式時，用戶可根據果樹需要，進行3 種噴藥方式選擇，實現3 種變量噴藥。

自動控制狀態噴藥機根據果樹單位面積噴藥數值進行判斷來實現控制。通過傳感器采集實際藥液流量Q2，與噴藥機設定的藥液流量Q1 進行對比，在誤差范圍內結束噴藥，如果超過誤差范圍則進行閥門流量調節，直至達到藥液噴灑要求。自動控制狀態下噴藥機噴藥量控制流程見圖3。

在手動控制狀態下，根據噴藥機行進速度可實現3種環境下噴藥量控制：（1）當噴藥機行進速度在1.5 ～2.5 km/h 時調節閥流量全部打開；（2）當噴藥機行進速度在2.5 ～3.5 km/h 時調節閥流量開啟50%；（3）當噴藥機行進速度在3.5 ～4.5 km/h 時調節閥流量開啟25%。手動控制狀態下噴藥機噴藥量控制流程見圖4。

6 果樹噴藥機控制系統界面設計

人機交互界面可以使用戶時刻觀測到噴藥機運行狀態，達到實時監控的目的。當遇到突發情況時，用戶可根據界面指令功能實現對噴藥機的控制。果樹噴藥機的人機界面主要由用戶登錄界面、噴藥機控制界面、噴藥機狀態監控界面等構成。

圖5 為果樹噴藥機登錄界面，用戶可根據注冊的用戶名和密碼進行登錄操作，當密碼遺忘時也可以根據界面按鈕進行密碼實時找回。

如圖6 所示，用戶進去系統后默認狀態是處于自動控制界面，在自動控制界面下可實現噴藥參數設置、噴藥機工作狀態監控、噴藥機歷史工作記錄查詢和手動控制界面切換。在點擊噴藥參數設置按鈕后，用戶可實現噴藥流量設置和噴藥范圍設置；在點擊噴藥機工作狀態監控按鈕后，將跳轉至如圖7 所示界面，用戶可觀測每個噴頭電磁閥工作狀態，并可通過開/關按鈕實現電磁閥的開啟/關閉功能，還可動態監控目前噴頭的實時工作狀態，如噴藥流量、噴頭壓力等；當點擊歷史數據查詢按鈕后，可查看以往設備工作記錄；在點擊手動模式切換按鈕后，頁面將跳轉到手動控制模式，具體界面實現功能可見上文。

7 結語

本文設計的基于PLC 的果樹噴藥機控制系統，能實現果樹的精準噴藥，有效避免了果樹噴藥時農藥的浪費情況，實現了果樹自動、精準、高效以及穩定的噴藥需求，為農業自動化提供了良好借鑒，具有重要現實意義。