高株果樹自動(dòng)噴藥機(jī)控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)

李蜀予 張清林

科學(xué)技術(shù)的提高帶動(dòng)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的發(fā)展，植保機(jī)械開始在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用，隨著國(guó)家大力度對(duì)農(nóng)業(yè)投入補(bǔ)貼，現(xiàn)代化植保機(jī)械逐步走進(jìn)了普通農(nóng)戶家庭。植保機(jī)械的應(yīng)用不僅解決了農(nóng)村勞動(dòng)力的不足，提高生產(chǎn)效率和農(nóng)業(yè)的精準(zhǔn)度，也在衛(wèi)生安全方面發(fā)揮了巨大作用。植物保護(hù)已成為農(nóng)林生產(chǎn)的重要組成部分，是推動(dòng)農(nóng)林業(yè)高產(chǎn)豐收的關(guān)鍵因素之一。我國(guó)植保機(jī)械是在解放后才逐步發(fā)展起來的，主要是化學(xué)農(nóng)藥噴灑機(jī)械從無到有，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的發(fā)展過程，雖然部分植保機(jī)械已達(dá)到或超過世界先進(jìn)水平，但與國(guó)外一流的植保機(jī)械相比，仍然滿足不了農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，植保機(jī)械已經(jīng)成為我國(guó)農(nóng)業(yè)全程機(jī)械化的短板?，F(xiàn)有的大多數(shù)植保設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能相似，專業(yè)水平不高，不能滿足不同植被、不同病蟲害防治的需求。傳統(tǒng)的背負(fù)式植保機(jī)械依然占據(jù)著主導(dǎo)地位，我國(guó)的大面積自動(dòng)化的植保機(jī)械的發(fā)展仍有很長(zhǎng)一段路要走。

果樹是重要的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)作物，做好果樹栽植是提高農(nóng)民收入的重要途徑之一。在果樹養(yǎng)護(hù)方面，做好病蟲害防治工作是保證果樹健康生長(zhǎng)的重要工作環(huán)節(jié)。防治樹木的病蟲害，就要噴灑農(nóng)藥。隨著高株果樹產(chǎn)業(yè)快速升級(jí)及農(nóng)村勞動(dòng)力的就業(yè)轉(zhuǎn)移，越來越多的果農(nóng)采用現(xiàn)代矮化密植栽培模式來提高產(chǎn)量，與之配套的噴藥機(jī)作業(yè)范圍及自動(dòng)化程度就提出了新的要求。

傳統(tǒng)的果樹噴藥設(shè)備是人工手動(dòng)背負(fù)式，不僅效率不高，還存在農(nóng)藥對(duì)作業(yè)人員毒害的隱患。這些人力大量參與的噴藥設(shè)備優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)與果樹的近距離噴灑，但作業(yè)范圍較小，同時(shí)對(duì)于大多數(shù)果樹植物，藏于樹葉底部的蚜蟲往往會(huì)在這種自上而下的噴灑作業(yè)中存活下來。我國(guó)目前使用的配有拖拉機(jī)等動(dòng)力拖曳的農(nóng)用噴藥設(shè)備大大改善了工作環(huán)境，可以進(jìn)行大面積噴灑。但動(dòng)力拖曳噴藥設(shè)備對(duì)作業(yè)空間、地平條件要求嚴(yán)格，屬于遠(yuǎn)距離噴灑，不能對(duì)果樹特定區(qū)域病蟲害進(jìn)行接觸防治，而且農(nóng)藥使用的效率較低，有資料統(tǒng)計(jì)不超過40%，大量的殘余農(nóng)藥飄移到空氣或地面，污染作業(yè)環(huán)境，對(duì)人體同樣造成傷害。有報(bào)道，國(guó)外有一種使用效率較高的隧道式循環(huán)噴霧機(jī)可以有效減小飄移、回收霧滴，提高農(nóng)藥利用率，但其結(jié)構(gòu)龐大，需要多人同時(shí)操作，使用成本較高，而且勞動(dòng)強(qiáng)度較大，不太適合小型農(nóng)戶使用。

綜上可知，高株果樹噴藥機(jī)未來的發(fā)展趨勢(shì)就是智能化、自動(dòng)化。將現(xiàn)代先進(jìn)的計(jì)算機(jī)智能技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)的噴藥設(shè)備，結(jié)合PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)，不僅可以提高噴藥的精準(zhǔn)度和有效性，還可以減少農(nóng)藥噴灑過程對(duì)人體的傷害，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度。

一、研究思路

現(xiàn)有的高株果樹噴藥機(jī)最大的缺陷就是需要人工操作，存在藥物危害隱患，如何讓噴藥機(jī)無人駕駛就是關(guān)鍵。本文提出一種用于高株果樹的自動(dòng)噴藥機(jī)，可以在遠(yuǎn)程控制下實(shí)現(xiàn)自走功能，進(jìn)行無人駕駛操作，從而避免因噴藥對(duì)操作人員身體健康的危害;可實(shí)現(xiàn)一人多機(jī)控制管理，提高生產(chǎn)效率，減輕勞動(dòng)力;機(jī)架結(jié)構(gòu)可以自動(dòng)調(diào)整行距，提高噴藥機(jī)的通用性;可根據(jù)果樹株高實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)噴藥架高度，減少噴藥作業(yè)過程中藥物的揮發(fā)，提高藥物利用率。

基于此，整套噴藥設(shè)備從機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩個(gè)方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)，機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、高度升降機(jī)構(gòu)、噴藥架伸縮機(jī)構(gòu)、機(jī)架調(diào)整機(jī)構(gòu)組成，在噴藥機(jī)行走中前輪可以根據(jù)作業(yè)需求自動(dòng)轉(zhuǎn)向，噴藥架高度可以調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)不同果樹株高的噴灑要求，噴藥架長(zhǎng)度伸縮進(jìn)行噴灑工作面積的改變，機(jī)架調(diào)整機(jī)構(gòu)可以改變車輪間距以適應(yīng)不同的果樹行距?？刂葡到y(tǒng)由液壓系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)組成。液壓系統(tǒng)是動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，在PLC的控制下工作，PLC下達(dá)指令進(jìn)行液壓系統(tǒng)各個(gè)電磁閥的通斷，實(shí)現(xiàn)液壓缸活塞的升降從而推動(dòng)各機(jī)械結(jié)構(gòu)間的運(yùn)動(dòng)，最終達(dá)到噴藥機(jī)的作業(yè)要求。PLC是控制系統(tǒng)的核心，根據(jù)傳感器的信號(hào)及時(shí)調(diào)整噴藥機(jī)的運(yùn)行過程。

二、系統(tǒng)組成

液壓系統(tǒng)按照功能劃分主要由噴藥架升降和啟閉系統(tǒng)，噴藥機(jī)行走系統(tǒng)，噴藥機(jī)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)三個(gè)系統(tǒng)組成。噴藥機(jī)的各個(gè)液壓系統(tǒng)由中央控制器控制，該控制器由FX2N-64MR型PLC組成，執(zhí)行各個(gè)控制程序，實(shí)現(xiàn)控制功能。整個(gè)液壓系統(tǒng)總體采用電磁控制技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的控制，由三個(gè)雙向定量液壓泵提供動(dòng)力，分別給噴藥架升降和啟閉系統(tǒng)、噴藥機(jī)行走系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)提供動(dòng)力。

噴藥架升降和啟閉系統(tǒng)的液壓工作原理見圖1，圖中系統(tǒng)使用兩個(gè)三位四通電磁換向閥控制兩個(gè)二級(jí)伸縮液壓缸來分別實(shí)現(xiàn)駕駛室與噴藥架的升降功能，用兩個(gè)普通液壓缸控制噴藥架主桿的啟閉與閉合，用兩個(gè)擺動(dòng)馬達(dá)控制噴藥架支桿的啟閉與閉合。液壓缸和擺動(dòng)馬達(dá)使用同樣的三位四通電磁換向閥來控制，操作人員也可以遠(yuǎn)程控制電磁閥來進(jìn)行兩個(gè)主桿、兩個(gè)支桿的啟閉和閉合。

噴藥機(jī)行走系統(tǒng)液壓工作原理見圖2，該行走液壓系統(tǒng)采用由一個(gè)雙向定量泵供壓，四個(gè)雙向變量液壓馬達(dá)并聯(lián)控制四個(gè)車輪，車輪轉(zhuǎn)速的大小通過雙向變量馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)來控制，采用三位四通電磁換向閥、調(diào)速閥、先導(dǎo)溢流閥組成的自由分流系統(tǒng)以達(dá)到提高功率利用率和節(jié)能的效果。該液壓系統(tǒng)采用閉式靜液壓傳動(dòng)方法，并設(shè)有一對(duì)先導(dǎo)閥實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全保護(hù)。

噴藥機(jī)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)液壓工作原理見圖3，由圖可知，噴藥機(jī)的四個(gè)轉(zhuǎn)向液壓缸連接了四個(gè)車輪的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，分別由四個(gè)電磁比例方向閥控制，噴藥機(jī)的PLC控制系統(tǒng)可根據(jù)輸入變量控制四個(gè)電磁比例方向閥的輸出變量，從而對(duì)四個(gè)轉(zhuǎn)向液壓缸的伸出長(zhǎng)度進(jìn)行控制，以達(dá)到噴藥機(jī)轉(zhuǎn)向控制的目的。

自動(dòng)噴藥機(jī)控制系統(tǒng)使用柴油發(fā)電機(jī)電，采用FX2N-64MR型PLC作為核心控制裝置，操作者利用觸摸屏通過串口通訊發(fā)送的控制參數(shù)命令PLC執(zhí)行程序，PLC與傳感器進(jìn)行串口通訊，采集植物高度、壟間距、轉(zhuǎn)向輪位置等信息迅速做出反饋，PLC通過串口通訊控制伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)噴藥機(jī)的行走和轉(zhuǎn)向，控制液壓泵和噴頭電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)噴藥架的噴藥工作，控制安裝在噴藥機(jī)機(jī)架上的電動(dòng)推桿運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)噴藥機(jī)架高度的調(diào)節(jié)、車輪間距的調(diào)節(jié)等動(dòng)作，從而完成噴藥機(jī)自動(dòng)化行走和合理化噴藥等過程。

三、工作原理

自動(dòng)噴藥機(jī)控制系統(tǒng)的PLC控制程序主要包括：伺服電機(jī)控制程序、傳感器信息采集與噴藥架高度調(diào)節(jié)程序、觸摸屏與PLC串口通訊程序。控制系統(tǒng)電路分為主電路和控制電路兩部分，主電路給整個(gè)系統(tǒng)中的伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、電動(dòng)推桿、PLC等供電。控制電路是由以PLC為核心的伺服系統(tǒng)控制電路、電動(dòng)推桿控制電路等組成。

伺服系統(tǒng)控制電路給DVP-20PM控制器供電，連接伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)高精度的定位。電動(dòng)推桿控制電路中將交流電轉(zhuǎn)換為24V的直流電，給兩個(gè)噴藥架高度控制電機(jī)供電。DVP-32HN控制器完成噴藥架主桿、支桿的啟閉動(dòng)作，以噴藥架閉合動(dòng)作為例，控制器通過控制電磁閥的啟閉來完成噴藥架主桿的閉合動(dòng)作，當(dāng)操作人員遠(yuǎn)程發(fā)出一個(gè)主桿閉合指令時(shí)，控制器接受主桿閉合信號(hào)，并開始判斷支桿是否閉合，若支桿沒有閉合，則指令無效，主桿無法閉合;如支桿己經(jīng)閉合，則控制器發(fā)出信號(hào)觸發(fā)主桿電磁閥工作，主桿閉合至觸發(fā)行程開關(guān)位置，運(yùn)動(dòng)停止，主桿閉合動(dòng)作完成，噴藥架展開動(dòng)作類似。

傳感器信息采集與噴藥架高度調(diào)節(jié)程序通過傳感器用于采集噴藥架與果樹之間的距離，將采集到的距離與預(yù)設(shè)的噴藥架與果樹之間的距離作比較，并驅(qū)動(dòng)用于噴藥架高度調(diào)節(jié)的電動(dòng)推桿運(yùn)行，使噴藥架與果樹保持較好的噴藥距離，減少噴藥過程中農(nóng)藥的過度揮發(fā)，提高農(nóng)藥的利用率。

觸摸屏與PLC串口通訊程序控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)噴藥機(jī)的行走及轉(zhuǎn)向功能，由觸摸屏、PLC、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)組成。觸摸屏向PLC發(fā)送布爾型行走控制命令，PLC接受到控制命令后，使程序中相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制功能塊工作，PLC就向伺服驅(qū)動(dòng)器傳輸脈沖，伺服驅(qū)動(dòng)器接收到脈沖并解析后發(fā)送到伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)噴藥機(jī)的行走功能。

控制系統(tǒng)有兩套伺服電機(jī)系統(tǒng)來完成噴藥架的行走與轉(zhuǎn)向，采用功率較大的伺服電機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行噴藥機(jī)前行、后退等動(dòng)作，采用功率小的伺服電機(jī)系統(tǒng)作為噴藥機(jī)的轉(zhuǎn)向裝置，PLC通過控制這兩套伺服系統(tǒng)工作情況就可實(shí)現(xiàn)噴藥機(jī)的行走過程。噴藥機(jī)控制系統(tǒng)的PLC接收到觸摸屏發(fā)送的前行命令后，首先根據(jù)傳感器發(fā)送的信號(hào)判斷噴藥機(jī)前行方向是否有不可超越的障礙，如果有障礙，PLC不執(zhí)行前行指令并產(chǎn)生報(bào)警信息，同時(shí)PLC將障礙信息反饋給觸摸屏，由操作者判斷是否改變噴藥機(jī)前行方向繞開障礙;如果沒有障礙，PLC執(zhí)行前行命令，使噴藥機(jī)按照觸摸屏指定的路線前行。

總上所述，本文主要對(duì)高株果樹自動(dòng)噴藥機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)，機(jī)械結(jié)構(gòu)做了次要說明，控制系統(tǒng)包括噴藥架升降和啟閉系統(tǒng)，噴藥機(jī)行走系統(tǒng)，噴藥機(jī)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)。分別繪制了各系統(tǒng)的液壓傳動(dòng)原理圖，及自動(dòng)噴藥機(jī)控制系統(tǒng)的PLC控制程序的部分電路原理圖、控制框圖和控制流程圖。為高株果樹噴藥機(jī)的自動(dòng)化研究提供一定的參考價(jià)值。

為了適應(yīng)不同用戶、不同地形的需求，高株果樹噴藥機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)在未來的設(shè)計(jì)中應(yīng)需要注意以下要求：（1）控制模式要求：既可以人工遠(yuǎn)程控制，也可以自主控制;（2）行走要求：行走速度可以自由調(diào)控，可以自由轉(zhuǎn)向;（3）信息采集要求：可以采集果樹的株高，便于調(diào)控噴藥架與果樹之間的距離，能夠采集前轉(zhuǎn)向輪的左、右極限位置和正中位置，以防噴藥機(jī)行走過程中因轉(zhuǎn)角過大自停。

（作者單位：750021寧夏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院）