PLC 控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用效果和可靠性分析*

閆興瑞

（酒泉職業(yè)技術(shù)學院，甘肅 酒泉 735000）

隨著社會經(jīng)濟水平的不斷提升，我國農(nóng)業(yè)機械化程度不斷提高，但是，目前部分地區(qū)農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)仍然依賴于人工作業(yè)模式，對自動化控制系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用不足[1]。在這樣的背景下，本文以農(nóng)業(yè)機器人電氣控制系統(tǒng)、全自動碼垛機電氣控制系統(tǒng)為案例，研究PLC 控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用效果。強化對PLC 控制技術(shù)的應(yīng)用具有重要意義，可以促使農(nóng)機智能控制程度不斷提升，推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向智能化、數(shù)字化方向不斷發(fā)展[2]。

1 PLC控制技術(shù)概述

1.1 PLC控制技術(shù)定義與特點

可編程邏輯控制器（P r o g r a m m a b l e L o g i c Controller, PLC）控制技術(shù)作為一種常用的電子計算機技術(shù)，被廣泛地應(yīng)用于自動化控制領(lǐng)域。運用該技術(shù)，可以對機器和設(shè)備的運行過程和狀態(tài)進行實時化、智能化控制，提高產(chǎn)品智能化生產(chǎn)程度[3]。中央處理器（CPU）作為PLC 的重要組成部分，借助輸入輸出接口，與外部設(shè)備之間建立良好的通信關(guān)系，并嚴格按照預(yù)設(shè)的邏輯規(guī)則智能化控制設(shè)備。借助編程軟件，可直接編寫和修改PLC 程序，從而滿足不同應(yīng)用場景。另外，PLC 控制技術(shù)具有易編程、可靠性高、功能強大等特點，在農(nóng)業(yè)機械電氣控制系統(tǒng)中凸顯出重要應(yīng)用價值[4]。在應(yīng)用PLC 控制技術(shù)時，可借助PLC 控制系統(tǒng)，智能化管控農(nóng)業(yè)機械電氣控制系統(tǒng)運行性能，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械數(shù)據(jù)的自動化采集和分析，為保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精確性和高效性提供重要的技術(shù)支持。

1.2 PLC控制技術(shù)分類

目前，PLC 控制技術(shù)主要分為以下兩種類型：1）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)內(nèi)含有海量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，通過將其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械電氣控制系統(tǒng)中，可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的高效化、精確化傳輸，為保證設(shè)備生產(chǎn)質(zhì)量和效率提供一定的輔助性作用，同時，還提升了電氣控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信性能。2）分散控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要適用于集中式控制、危險性管理等領(lǐng)域。該系統(tǒng)綜合運用了通信技術(shù)、人工智能技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等現(xiàn)代化技術(shù)，借助穩(wěn)定良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，確保生產(chǎn)部門與建設(shè)站之間形成良好的互通互聯(lián)關(guān)系，以達到統(tǒng)一化管理重要信息的目的。

2 PLC 控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機器人電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1 農(nóng)業(yè)機器人智能控制結(jié)構(gòu)設(shè)計

該農(nóng)業(yè)機器人作為一種常用的水果采摘機器人，主要用于對水果的智能化采摘。該農(nóng)業(yè)機器人電氣控制系統(tǒng)主要由伺服單元、末端執(zhí)行器、機械手、機器視覺系統(tǒng)等部分組成。農(nóng)業(yè)機器人電氣控制系統(tǒng)工作流程如下：首先，在履帶式行走機構(gòu)的驅(qū)動下，農(nóng)業(yè)機器人快速前進并移動到果樹前，由機器視覺系統(tǒng)利用工業(yè)相機完成對所有果樹水果圖像的拍照，并按照所設(shè)置好的順序，對末端執(zhí)行器與待采摘水果位置之間的距離進行精確化計算，然后對采摘機械手采摘路線進行科學規(guī)劃。當末端執(zhí)行器精確移動到待采摘果樹目標位置前，工業(yè)相機可自動完成對目標果實圖像的拍攝，并對果樹的重心進行有效提取，然后對下次采摘目標移動路線進行科學規(guī)劃，為下個果實的自動化采摘打下堅實的基礎(chǔ)?？傊r(nóng)業(yè)機器人會嚴格按照上述步驟進行循環(huán)處理，當目標區(qū)域內(nèi)的所有水果全部采摘完畢后，可自動移動到下一個采摘區(qū)域中，從而達到智能化采摘果實的目的[5]。

2.1.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

PLC 控制系統(tǒng)屬于農(nóng)業(yè)機器人電氣控制系統(tǒng)的重要組成部分。應(yīng)用PLC 控制系統(tǒng)，不僅可以智能化控制末端執(zhí)行器，還能確保各個工控機中上位機之間建立良好的通信關(guān)系。在PLC 控制系統(tǒng)軟件中，主要包含4 個程序段，其中：程序段1 為故障報警控制；程序段2 為變頻電機驅(qū)動控制；程序段3 為行走控制；程序段4 為目標果實識別定位。PLC 控制系統(tǒng)主程序框圖如圖1所示。

2.1.3 WinCC 上位機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

在農(nóng)業(yè)機器人電氣控制系統(tǒng)中，為確保各個遠程上位機之間建立良好的通信關(guān)系，需要借助視窗控制中心（Windows Control Center, WinCC），提高農(nóng)業(yè)機器人監(jiān)控系統(tǒng)運行性能。農(nóng)業(yè)機器人監(jiān)控系統(tǒng)在具體應(yīng)用時，需要借助WinCC，確保工控機與農(nóng)業(yè)機器人之間形成良好穩(wěn)定的信息共享關(guān)系。WinCC 和農(nóng)業(yè)機器人通信流程如圖2所示。

圖2 WinCC 和農(nóng)業(yè)機器人通信流程

2.1.4 驅(qū)動系統(tǒng)模塊設(shè)計

在農(nóng)業(yè)機器人中，借助變頻器，可以驅(qū)動各個關(guān)節(jié)進行有效移動，為保證對農(nóng)業(yè)機器人各個關(guān)節(jié)控制的精確度，需要在各個關(guān)節(jié)部位安裝和固定相應(yīng)的電機。為保證農(nóng)業(yè)機器人的實際應(yīng)用效果，需要做好對農(nóng)業(yè)機器人生產(chǎn)成本的控制。所以，在設(shè)計驅(qū)動系統(tǒng)模塊時，優(yōu)先選用ZVF9V-Z型號變頻器，從而實現(xiàn)對電動機驅(qū)動控制系統(tǒng)的搭建。為保證驅(qū)動系統(tǒng)的定位精確度，避免驅(qū)動系統(tǒng)運行期間出現(xiàn)振蕩問題，需要采用半步工作方式進行運行。

2.2 系統(tǒng)應(yīng)用效果

當農(nóng)業(yè)機器人電氣控制系統(tǒng)設(shè)計完成后，需要對該系統(tǒng)的有效性和可靠性進行驗證和測試。通過進行多次果園采摘測試，發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機器人均可以完成果實采摘目標，取得良好的采摘效果[6]。與人工采摘模式相比，應(yīng)用農(nóng)業(yè)機器人電氣控制系統(tǒng)，有效地提高了果實的采摘速度，同時，該電氣控制系統(tǒng)表現(xiàn)出運行穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強等特點。

3 PLC 控制技術(shù)在全自動碼垛機電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)設(shè)計

全自動碼垛機電氣控制系統(tǒng)工作原理如下：借助回轉(zhuǎn)氣缸、翻轉(zhuǎn)機構(gòu)、平移機構(gòu)等多個機構(gòu)，全面碼垛處理目標作物秸稈[7]；借助限位開關(guān)，精確化、智能化控制碼垛機各個部分；利用各類傳感器，檢測和判斷各個機構(gòu)是否運動到預(yù)設(shè)的位置。應(yīng)用全自動碼垛機，可以識別農(nóng)作物秸稈料包大小，并對其姿勢進行科學調(diào)整，以達到碼垛處理物料包的目的。全自動碼垛機電氣控制系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容如下。

3.1.1 I/O端子分配

結(jié)合該電氣控制系統(tǒng)的輸入信號和輸出信號，分配處理PLC 的I/O 端子。在進行輸入點分配時，將I0.0、I0.1、I0.2 分別設(shè)置為啟動、停止、急停三種狀態(tài)；將I0.6、I0.80、I2.2 分別設(shè)置為進料正極限、進料反極限、運輸帶正極限。在進行輸出點分配時，將Q0.6、Q0.7、Q1.2 分別設(shè)置為運輸帶電機、回轉(zhuǎn)電機正轉(zhuǎn)、回轉(zhuǎn)電機反轉(zhuǎn)；將Q1.3、Q1.7 分別設(shè)置為提升電機正轉(zhuǎn)、提升電機反轉(zhuǎn)[8]。

3.1.2 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)

在全自動碼垛機中，需要智能化調(diào)整和控制輸送機速度和回轉(zhuǎn)馬達的轉(zhuǎn)動速度，同時，還要保證該系統(tǒng)具有寬泛的調(diào)節(jié)區(qū)間。為保證速度控制模塊設(shè)計和實現(xiàn)效果，需要結(jié)合實際應(yīng)用需求，借助變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，對相關(guān)機構(gòu)的速度進行智能化調(diào)整和控制。變頻調(diào)速控制系統(tǒng)運行原理如下：借助PLC，從系統(tǒng)屏幕上獲取用戶所設(shè)置的碼垛速度，然后，對碼垛速度進行換算，使其換算為對應(yīng)的作業(yè)頻率。接著，借助PLC，對變頻器脈沖值進行調(diào)整，以達到智能化控制電機變頻速度的目的。

3.1.3 伺服驅(qū)動系統(tǒng)

在全自動碼垛機電氣控制系統(tǒng)中，借助運輸帶，需要將物料傳輸和發(fā)送至方便抓取手搬運的位置，然后，再次返回到原始位置，為下次傳輸操作做準備。此外，運輸帶在運行期間，必須保證所運輸?shù)奈锪暇_地轉(zhuǎn)移到所設(shè)定好的位置。為保證運輸帶位置控制的精確度，需要運用交流伺服控制系統(tǒng)，精確化控制運輸帶的移動位置。在設(shè)計伺服驅(qū)動系統(tǒng)時，運用PLC 控制器，完成對伺服驅(qū)動器脈沖頻率的精確化設(shè)置，從而達到智能化、精確化控制伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)動速度的目的[9-10]。伺服驅(qū)動系統(tǒng)在具體運行時，需要借助PLC 控制器，參照脈沖個數(shù)，智能化控制電機轉(zhuǎn)動角度，從而快速、精確地確定驅(qū)動設(shè)備當前運動位置。伺服電機設(shè)計原理如下：在PLC 脈沖輸出模式下，伺服電機借助同步齒形帶，驅(qū)動傳輸帶精確地運行至指定位置，并借助定位器實時檢測傳輸位置是否正確。

3.1.4 PLC程序流程

在全自動碼垛機電氣控制系統(tǒng)中，借助PLC控制器，可以智能化控制運輸帶傳輸、抓取夾夾緊、抓取夾松開三個環(huán)節(jié)。該電氣控制系統(tǒng)軟件控制流程如下：1）進行I/O 初始化處理，確保PLC 控制器處于正常啟動狀態(tài)；2）借助PLC 控制器檢測上料是否成功，如果成功，自動啟用運輸帶，反之，則上料失敗，需要再次進入上料檢測環(huán)節(jié)；3）檢測上料是否到位，如果到位，提升電機緩慢下降，并借助抓取夾快速夾緊氣缸，然后，提升電機緩慢上升，抓取夾置于松開狀態(tài)，碼垛操作圓滿完成。PLC程序流程如圖3所示。

圖3 PLC程序流程

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用效果

當全自動碼垛機電氣控制系統(tǒng)設(shè)計工作完成后，需要對該系統(tǒng)的有效性和可靠性進行驗證。將該系統(tǒng)應(yīng)用于某農(nóng)場中，經(jīng)過系統(tǒng)多次操作測試，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用全自動碼垛機可自動碼垛處理目標物料，同時，還能借助變頻器，智能化控制碼垛機平移機構(gòu)的運行速度。經(jīng)過測試驗證，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、抗干擾能力強等特點，完全滿足實際應(yīng)用需求。

4 結(jié)語

綜上所述，將PLC 控制技術(shù)科學地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械電氣控制系統(tǒng)中，可以有效優(yōu)化和完善農(nóng)業(yè)機器人、全自動碼垛機等機械的功能，提高這些電氣控制系統(tǒng)的運行性能和效率，促進我國農(nóng)業(yè)向自動化、智能化方向不斷發(fā)展。相關(guān)人員在實際工作中，應(yīng)實時關(guān)注和把握當前PLC 控制技術(shù)應(yīng)用情況，并嚴格遵循科學合理原則，按照統(tǒng)一化應(yīng)用標準，結(jié)合實際應(yīng)用需求，不斷地優(yōu)化和完善農(nóng)業(yè)機械電氣控制系統(tǒng)設(shè)計方案，提高電氣控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和可靠性。