PLC小型農用噴藥機控制系統

馮尚濤

傳統的手動噴藥方式一是工作效率低，浪費勞動力，而且對人體健康有一定影響；二是不容易控制藥量，藥量多了易使病蟲產生抗藥性，農藥殘留較大，也會造成土壤環境污染。針對這種情況，本研究設計了一套智能高效控制系統，這個系統是基于PLC設計研究的，可以實現農藥智能控制和精確調校的功能。

一、研究的意義

現代化農業與傳統農業相比有兩大特點，一是數字化；二是信息化。就小型農用噴藥機控制系統而言，一方面PLC電子設備控制系統應用在農用噴藥機械上，可以輕松實現智能化和自動化；另一方面可以有效提高農業生產效率。傳統方式下，噴藥量、噴灑區域均難控制，效率又低，而帶有PLC電子設備控制系統的農用噴藥機則能完美解決這些問題。

二、PLC邏輯控制器工作原理

PLC為可編程邏輯控制器的簡稱，是一種電子控制設備，廣泛應用于自動化領域。PLC一般由CPU、輸入接口、存儲器、通信接口、輸出接口和擴展接口組成。

PLC的工作過程最基本的有三步，輸入信號、處理信號、輸出信號。常見的輸入裝置有開關、按鈕等，通過這些裝置，就把外部的信號先轉換成數字信號，再輸入到PLC內部，也就是CPU內。接下來就是處理，CPU會計算和處理輸入的信號。最后，再把控制信號輸出到對應的裝置上，也就是執行器上（常見的有氣缸），這就實現了裝置的控制作用。

三、智能農用噴藥機控制系統總體設計

（一）整體設計框架

根據應用場合及PLC的控制特點，其設計框架相對簡單，整個系統由人機界面、PLC控制裝置、信息采集裝置、執行裝置四個部分組成（見上圖）。信息采集裝置由多個傳感器構成，比如速度傳感器、壓力傳感器等；PLC控制裝置是整個控制系統的核心，它的功能是分析接受的數據；執行裝置的主要部分有調節閥，以及電磁閥，其作用是控制農藥液體的流量和壓力等；人機界面是用戶的操作界面，主要部件是觸摸屏，方便用戶操作和監控噴灑條件以及噴藥情況。

（二）傳感器的選擇和設計

在這個系統中，傳感器是很重要的組件，它的功能是采集各種信號，比如說位置、溫度、速度等。傳感器影響著控制系統的穩定，同樣影響著其精度。

在整個系統設計過程當中，傳感器的選擇要綜合考慮其響應速度以及其精度等，保證選擇的傳感器能夠滿足整個系統的穩定性。另外需要注意，傳感器最終要連接到PLC上，這樣才能保證傳感器傳輸的數據能正常處理。

（三）PLC控制裝置設計

農用噴藥設備控制系統中最重要的部分就是PLC控制裝置，它就像整個系統的大腦，控制其他裝置工作，其他裝置包括人機界面和執行裝置等等，在設計PLC控制裝置時，要密切注意如下幾點：

1.主控芯片的選擇。要考慮其運算能力、接口、存儲量等因素。比如中控的DCS ECS-100的ARM芯片，意法半導體公司（ST）的STM32芯片，美國TI（德州儀器）產的DSP芯片，都是比較常用的芯片。

2.PLC控制裝置的電源。選擇電源要考慮整個噴藥裝置需要最大功率，最大電壓，這樣才能保證噴藥裝置的安全和穩定。PLC控制裝置的電源分為直流電源，組態電源和交流電源等類型。

3.PLC控制裝置的輸入接口和輸出接口。選擇輸入接口和輸出接口時，要考慮需要連接多少組件，這些接口的功能，有的傳送模擬信號，有的是用于通信。還要考慮需要用到多少接口，確定好用什么類型的接口，才能選擇合適的接口進行組裝。

4.通信接口的選擇。PLC控制裝置的一個重要部件是通信接口，它的功能是實現數據交換，傳輸指令。在選擇時，考慮的因素有通信速率，傳輸數據的方式等。

5.PLC控制裝置的程序。設計時既要考慮整個噴藥裝置的功能，又要考慮裝置的可擴展性。程序要能順暢處理數據和控制指令的執行，最終目的是確保系統穩定和安全。

（四）人機界面的設計

人機界面是使用者和機器交互的方式，是噴藥裝置的重要組件。人機界面設計時，要考慮以下幾個方面：

1.選擇合適的顯示屏。顯示屏功能是將系統的主要參數直觀地呈現在操作人員面前。選擇顯示屏時要考慮尺寸大小、分辨率等參數。小型農用噴藥機一般選擇液晶顯示屏。

2.蜂鳴器。其功能是系統處在某些關鍵狀態時，以聲音方式向用戶提醒。設計蜂鳴器時要考慮聲音分貝、清晰度等因素以保證使用人員能夠及時、清晰地得到來自系統的反饋。

3.按鈕設計。按鈕是人員輸入指令最直觀、最方便的方式，通過它控制整個噴藥機。設計時要考慮按鈕數量、分布、大小形狀等因素。

4.輔助組件的設計。人機界面還包括很多輔助組件，如鼠標、鍵盤、LED燈等。

（五）PLC的軟件編輯設計

對于小型智能農用噴藥機器來說，軟件的準確有效是非常重要的，軟件不能有bug，在這個系統中，我們使用PLC的編程來實現軟件的設計。下面解釋一下PLC編程的框架、整個流程及編程語言。

1.PLC編程是電氣專業的基礎課程，它的界面是圖形化的。在這個界面上，輸入一段段的程序指令，來實現某個指定的功能。也就是說，整個系統的所有功能，都是由若干段的程序指令來實現的。

2.PLC編程語言有很多種，在小型農用噴藥機的系統中，采用的是順序功能流程圖語言和梯形圖語言（FBD）。對于梯形圖來說，它比較直觀，跟電氣圖較像。

3.編程設計步驟。整套流程包括六個步驟：第一步是需求分析。主要分析確認PLC要控制什么對象，控制什么目標。第二步是系統設計。這是很關鍵的一步，在這里會設計出PLC的硬件組成，還會制定出PLC的軟件框架和大致內容。第三步是編程。編程過程中，要注意其邏輯性和順暢性。第四步是PLC調試。即在整個程序編寫完之后，將軟件和硬件結合進行調試驗證，出現問題和漏洞，及時修改調試，最終目的是保證這個程序沒有任何技術上的問題，軟件和硬件配合完美，整個系統運行順暢。第五步是安裝。最好是在實時的現場環境中進行。第六步是維護保養。系統投入使用后，要定期檢查，并和使用者互動交流。

（作者單位：菏澤市單縣農業機械服務中心）