基于PLC 的側深施肥裝置自動控制系統設計*

夏曉謙 ， 邱熹程 ， 朱愛元 ， 夏寧清

（1.益陽職業技術學院，湖南 益陽 413000；2.湖南中天龍舟股份有限公司，湖南 岳陽 414000）

0 引言

目前，我國的化肥施用量已居世界前列。2022年中央一號文件指出，為推動經濟社會平穩健康發展，要穩住農業基本盤、做好“三農”工作，持續推進種植業綠色健康發展，推動科學施肥技術普及，確保農業穩產增產。

目前，水稻側深施肥技術已經逐步得到推廣，但側深施肥只能實現定量施肥，未突破精準施肥技術[1]。首先，現有機型在一定范圍內可進行施肥量調節，但基于田塊地理條件、土壤性狀以及作物生長特征，實現作物定點、定量、定時的精準施肥技術急需突破，現有機型遠不能滿足肥料“減施”與面源污染控制要求。其次，針對目前采用的機械排肥、氣體送肥等施肥方式的機理研究不深入，提升機具工作性能的“瓶頸”依然存在[2-3]。最后，側深施肥裝置中堆肥區域以及排肥區域存在濕度大的問題，需要對其進行干燥，以避免由此產生的肥料顆粒黏結導致堵塞排肥管道以及肥料顆粒破碎等問題[4]，降低施肥效果。針對上述問題，課題組設計了一套帶恒濕功能的側深施肥自動控制系統，采用發動機自熱導流與閥門控制濕度，通過自動化系統，有效減輕了人員工作量，提高了工作效率。

1 肥料顆粒側深施放工藝流程

常用側深施肥機采用邊行走邊施肥的工作方式，肥料通過積肥區域到達排肥管，再通過螺旋機構將肥料顆粒運送至土壤下層的施肥點，達到精準施肥的目的。肥料顆粒側深施放工藝流程如圖1所示。

圖1 肥料顆粒側深施放工藝流程圖

2 控制系統設計

2.1 系統硬件選型與設計

根據側深施肥工藝、車輛行走等要求，初步得出主控CPU 及擴展模塊分別為6 個數字量輸入點、15個數字量輸出點和6 路模擬量輸入點[5-7]。考慮系統可能會做進一步的拓展，根據經濟性，可采用西門子1200 系列產品作為控制系統主控單元，具體可選擇西門子1214C AC/DC/ALY 系列PLC（1 600 Ma）作為主控單元，本次選用主體中本體具備14 輸入點數、10 輸出點數，并具有2 個通道的模擬量輸入和4 路高速脈沖輸出。根據側深施肥控制系統要求，本體輸出點不足，需要進行數字量和模擬量擴展選用。通過查閱樣本手冊以及系統控制分析，需選配SM1222型號（135 Ma）數字量輸出擴展模塊，本模塊可擴展數字量16 點位。針對模擬量輸入信號要求，需選配SM1231 型號（90 Ma）模擬量擴展，本模擬量擴展模塊可增加8 通道模擬量輸入。最后，考慮到系統需要進行手動調試、自動化運行以及信息實時顯示與監控要求，需要選配人機界面，可選用KTP700 精簡7 寸系列設備。

本次所設計系統需要通過濕度傳感器等元件將模擬信號傳至PLC 主控系統進行分析與控制，根據信號采集不同，需要對濕度、限位、電機轉速反饋等方面選擇不同功能類型的傳感器。系統數據采集模塊包括電機轉速檢測、積肥盒內部濕度檢測、肥料位置高度檢測的各類傳感器，輸出電流4 mA~20 mA或輸出直流電壓0~10 V，同時具有一定的防水、防腐蝕和防潮功能。本次選用的濕度傳感器為華控興業產品，型號HSTL-107WS，其內部擁有高性能的單片機進行信號處理，性能優越，穩定性強，精準度高，適用于室內環境的溫濕度測量。其供電電源為24DC，輸出信號為DC0~10 V，濕度測量范圍為0~100%RH，濕度測量精度為±3%，滿足系統控制要求。

根據控制要求對需要控制的對象進行分析[8-10]，首先，在1#~6#積肥盒側面設置單獨的烘干閥門，通過閥門的開閉來實現對每個積肥盒的烘干作業。其次，1#~6#電機需要進行速度調節與速度信息反饋。最后，分析機架運動、烘干熱風啟動、缺肥顯示、報警燈常規輸出。

2.2 控制系統地址分配

本系統以西門子1214C AC/DC/ALY PLC為中央控制器，控制各個閥門、抬升液壓缸、電機的動作，并接收濕度傳感器的信號，通過觸摸屏與PLC 的通信，完成側深排肥系統的人機交互功能。設計的I/O接口有27個，其中開關量輸入6個、模擬量輸入6個、開關量輸出15 個，232、485 通信接口各1 個，具體PLC地址分配如表1所示。

表1 控制系統地址分配

2.3 控制程序設計

在進行程序設計之前，需要對系統控制要求進行梳理。根據側深施肥系統的工作流程和控制要求，該系統包括手動控制與自動控制兩部分，通過觸摸屏進行控制方式的切換。采用西門子專用的編程軟件博途V16 完成PLC 控制程序的編寫，系統模塊組成與程序框架如圖2 所示。手動程序通過面板上的機械按鈕進行操作，自動控制過程采用順序控制的方式，根據工作過程，先進行系統狀態自檢與初始化，將系統上電后，檢測肥料顆粒是否充足，通過每個積肥盒的濕度傳感器進行檢測，如濕度超標則停止螺旋電機運轉，停止行走并出現報警提示（除濕）。此時，啟動熱風裝置，并根據濕度數據開啟對應閥門，對其進行熱風干燥。待濕度合適后，關閉熱風裝置與閥門，開啟落料閥門并啟動螺旋電機，最終將肥料排入土壤中。由于整體程序較長，程序只截取部分1#號控制邏輯，2#~6#邏輯框架相同，詳情如圖3至圖9 所示。

圖3 主體系統初始化

圖4 通道模擬量運算子程序

圖5 螺旋電機、電磁閥開閉控制

圖6 缺肥提示

圖7 熱風啟動觸發

圖8 手動/自動狀態控制

2.4 觸摸屏軟件設計

控制程序中需要對一系列數據進行顯示，上位機軟件采用西門子WinCC V7.0 進行設計，設計系統監控畫面，詳情如圖10 所示。其中，包括肥料量、行走速度、旋轉速度、i#實時濕度值、各控制對象狀態。當出現肥料堵轉、電機過熱報警等狀態時，會適時進行報警和中斷。組態界面可以實現系統的啟動和停止，實時監測溫濕度環境參數值，觀察執行設備運行狀態，動態顯示溫濕度參數實時變化趨勢，并可瀏覽一段時間內的歷史變化趨勢[11-13]。

圖10 組態界面圖

3 結束語

與傳統電氣控制方式相比，利用PLC 進行側深施肥控制系統設計具有更高的系統穩定性。同時，通過模擬量控制使得肥料顆粒在施放過程中能保持干燥，能有效避免顆粒黏結和破碎帶來的效率問題，具有較好的工程價值。