基于PLC的果園氣爆松土注肥機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬國梁,奚小波,單 翔,張劍峰,金亦富,張瑞宏

(揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225127)

0 引言

近年來,我國果樹產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,但是管理粗放,技術(shù)投入低,單位面積產(chǎn)量和效益不容樂觀。在果樹產(chǎn)業(yè)發(fā)展的過程中,技術(shù)推廣是關(guān)鍵之一,實(shí)行精準(zhǔn)技術(shù)和機(jī)械化、規(guī)?；?提高生產(chǎn)效率與優(yōu)質(zhì)果率,挖潛增值影響巨大[1]。在果樹生長結(jié)果過程中,施肥作業(yè)對果實(shí)的品質(zhì)及產(chǎn)量的影響至關(guān)重要,決定著幼齡樹苗發(fā)育生長的態(tài)勢[2-3]。施肥技術(shù)與施肥機(jī)械的落后造成作物不能最大限度地利用肥料且增加了肥料的損失率[4],果園產(chǎn)業(yè)的發(fā)展促進(jìn)果園機(jī)械化發(fā)展,但我國水果優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)與非優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)的綜合機(jī)械化分別水平不到20%、10%[5]。隨著勞動(dòng)力不斷向城市進(jìn)入,農(nóng)村勞動(dòng)人員數(shù)量越來越少,雇傭勞動(dòng)力的成本也越來越高,人們對果樹機(jī)械化施肥技術(shù)的需求也就越來越高[6]。

現(xiàn)有果樹施肥機(jī)械中,開溝機(jī)械應(yīng)用最為廣泛,開溝作業(yè)的不足表現(xiàn)為耕作阻力大、易傷樹木根系;果園地因常年不翻耕,土壤較板結(jié),不利于天然降水的貯存,致使土內(nèi)上下水氣熱得不到貫通,土壤毛細(xì)管破損,養(yǎng)分輸送能力下降,土壤生物及有機(jī)質(zhì)驟減,果樹根系生長受阻[7-8]。因此,果園土壤深松十分必要,國內(nèi)外已有研究利用氣爆深松技術(shù),在土壤內(nèi)注入高壓氣體使土壤產(chǎn)生裂隙,從而打破犁底層,實(shí)現(xiàn)耕地的深松[9]。國內(nèi)學(xué)者將氣爆作用引入深松施肥機(jī)械中,但是研制出的機(jī)具多為獨(dú)立操控作業(yè)和人工手持操作,自動(dòng)化控制程度低,勞動(dòng)負(fù)荷較大[10-11]。

本文設(shè)計(jì)了一種果園氣爆松土注肥機(jī)控制系統(tǒng),采用PLC系統(tǒng)提高整機(jī)控制程度,以期實(shí)現(xiàn)鉆土、松土及注肥全過程自動(dòng)化,減輕人工操作負(fù)擔(dān),提高機(jī)具作業(yè)效率。

1 機(jī)具結(jié)構(gòu)及工作原理

果園氣爆松土注肥機(jī)主要由肥料罐、儲(chǔ)氣罐、空壓機(jī)、機(jī)架、注射鉆桿、液壓桿、電動(dòng)推桿、螺桿泵、控制傳感器、動(dòng)力輸入裝置、液泵及液壓站等部件組成,如圖1所示。

1.空壓機(jī) 2.液壓站 3.流量傳感器 4.機(jī)架 5.電動(dòng)推桿 6.液肥箱 7.氣鏟 8.液壓桿 9.注射鉆桿 10.氣壓傳感器 11.儲(chǔ)氣罐 12.懸掛架 13.擺臂圖1 總體機(jī)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of machine

圖1不涉及傳感器接線和具體液路管路連接,傳感器的接線直接接到電控箱內(nèi)。電控箱集中放置了電源開關(guān)、PLC控制器、數(shù)字量模塊、繼電器、模擬量模塊、斷路器、電流互感器、電流表及電壓表等元件。

將程序下載到PLC的控制器中,啟動(dòng)后依次設(shè)置深度、氣壓、流量等參數(shù)。注肥機(jī)工作過程如下:程序初始化,機(jī)具開始工作,電動(dòng)推桿推動(dòng)液壓桿與注射鉆桿向兩側(cè)伸展,直到機(jī)構(gòu)完全展開;氣鏟開始工作,注射鉆桿在液壓桿的輔助作用下開始下降鉆土,通過深度傳感器定位下降深度;當(dāng)鉆桿到達(dá)指定鉆土深度時(shí),控制器發(fā)出指令控制液壓桿停止下降,同時(shí)氣鏟停止工作;空壓機(jī)對氣缸進(jìn)行增壓,氣缸達(dá)到指定氣壓時(shí)氣壓傳感器輸出信號到PLC控制器中,控制空壓機(jī)停止加壓,接著打開氣缸閥門進(jìn)行氣爆松土;執(zhí)行完畢后,施肥閥門開啟,由液泵將液肥抽出從鉆桿施肥孔噴出,達(dá)到預(yù)設(shè)流量時(shí)流量傳感器輸出信號到PLC控制器中,停止施肥,鉆桿自行收回,從而實(shí)現(xiàn)一系列自動(dòng)鉆土、自動(dòng)松土、自動(dòng)注肥及自動(dòng)回收的功能。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成及工作原理

PLC控制系統(tǒng)包含硬件和軟件。硬件主要由控制模塊、執(zhí)行模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和傳感器模塊組成,外加斷路器等保護(hù)元件?？刂颇K使用西門子PLC作為核心控制器,包括CPU、開關(guān)量擴(kuò)展模塊、模擬量模塊;執(zhí)行模塊包括空壓機(jī)、單螺桿泵、各路繼電器和施肥電磁閥、回流攪拌閥及氣缸電磁閥等各路電磁閥;驅(qū)動(dòng)模塊包括擺線液壓馬達(dá)、電動(dòng)推桿及齒輪泵;傳感器模塊由深度傳感器、氣壓傳感器、流量傳感器組成?？刂葡到y(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)組成Fig.2 Control system

控制系統(tǒng)以PLC為主機(jī),輸入信號14個(gè),輸出信號17個(gè)。輸入信號由傳感器信號、啟停開關(guān)、磁限位開關(guān)組成,完成對鉆土深度、氣罐壓力、注肥流量的監(jiān)測,空壓機(jī)、單螺桿泵的啟停,作業(yè)臂的選擇,還有推桿、液壓桿的起始位置和終點(diǎn)位置的定位。輸出信號由各路繼電器和電磁閥組成,其 I/O 端口定義如表1所示。PLC控制器接線圖如圖3所示。

表1 PLC的I/O定義Table 1 Definition of I/O for PLC

圖3 PLC控制器接線圖Fig.3 PLC wiring diagram

2.2 硬件選型

2.2.1 PLC控制器

根據(jù)機(jī)具的控制需要,本系統(tǒng)選擇西門子S7-200系列PLC,采用臺(tái)灣明緯MDR-20-24開關(guān)電源供電,核心為14輸入/10輸出的西門子CPU224(6ES7 214-1BD2323-0XB0),額定輸入電壓24V,輸出電壓220V。在此基礎(chǔ)上,擴(kuò)展4輸入/4輸出西門子EM223(6ES7 223-1BF22-0XA0)開關(guān)量模塊和4輸入的西門子EM231(6ES7 231-0HC22-0XA8)模擬量模塊。

2.2.2 深度傳感器

磁致伸縮深度傳感器利用磁致伸縮原理,通過兩個(gè)不同磁場相交產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變脈沖信號來準(zhǔn)確地測量位置[12]。由于作為確定位置的活動(dòng)磁環(huán)和敏感元件并無直接接觸,能應(yīng)用在高溫、高壓和高振蕩的環(huán)境中。根據(jù)機(jī)具鉆土深度要求,最大深度為650mm,選用菲爾斯特的FST-700位移傳感器。其有效行程700mm,分辨率達(dá)到0.01mm,非線性度±0.03%,輸出信號4～20mA,采樣時(shí)間0.5ms,最大允許工作電壓33V,工作電流小于70mA,極限運(yùn)動(dòng)速度10m/s,防護(hù)等級IP67,溫度影響小于0.007%F.S/℃。

2.2.3 氣壓傳感器

氣壓傳感器測量膜片受氣壓影響產(chǎn)生的位移與被測介質(zhì)的壓力成正比,測量膜片和兩個(gè)電容固定極板的差動(dòng)電容被放大器電路線性地轉(zhuǎn)換成4～20mA電流信號。根據(jù)機(jī)具氣爆松土要求,最大氣壓為0.8MPa,選用江蘇華海測控技術(shù)有限公司的SHH308-MA1B16A1N型擴(kuò)散硅壓力變送器,外加壓力通過不銹鋼膜片、內(nèi)部密封的硅油傳遞到敏感芯片上,敏感芯片不直接接觸被測介質(zhì)。具體參數(shù)如下:測量范圍0～2MPa,精度0.1%F.S,穩(wěn)定性0.2%F.S,使用溫度-10°～+80℃,過載極限可達(dá)量程的1.5～3倍,電源電壓24VDC,信號輸出電流4～20mA。

2.2.4 流量傳感器

要提高化肥的利用率,施肥量必須精確控制,因此對注肥流量的實(shí)時(shí)測量是注肥設(shè)備必不可少的一部分。根據(jù)機(jī)具的注肥工作要求,本機(jī)具選用G25-2型單螺桿泵,額定流量2m3/h,額定壓力1.2MPa。因此,本系統(tǒng)選用迪泰爾儀表機(jī)電設(shè)備有限公司的LWGY25A型渦輪流量變送器,24VDC供電,二線制4～20mA信號輸出,精度等級±0.5%R,公稱直徑25mm,正常流量范圍1～10m3/h。

3 軟件設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)在西門子STEP 7 Micro-WIN平臺(tái)上進(jìn)行軟件開發(fā),根據(jù)機(jī)具的工作原理,系統(tǒng)軟件主要由信息采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、執(zhí)行驅(qū)動(dòng)模塊和主程序模塊4部分組成。工作時(shí),輸入執(zhí)行參數(shù)后,PLC執(zhí)行相應(yīng)的程序,信號采集之后送至PLC。因?yàn)閭鞲衅鞯碾娏餍盘柧鶠?～20mA,所以需要通過軟件編程進(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),即當(dāng)電流信號為4mA時(shí)代表被測物理量為0,再通過控制空壓機(jī)、肥料泵、驅(qū)動(dòng)元件繼電器的開合和相應(yīng)電磁閥的通斷,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鉆土、自動(dòng)松土、自動(dòng)注肥、自動(dòng)回收等一系列動(dòng)作。程序流程圖如圖4所示。

圖4 控制程序流程圖Fig.4 Flow chart of control program

程序開始執(zhí)行時(shí),檢測設(shè)備是否運(yùn)行正常,預(yù)設(shè)深度、氣壓、流量等參數(shù)被寫入程序;根據(jù)控制器指令選擇執(zhí)行動(dòng)作的工作臂,電動(dòng)推桿開始伸出,電動(dòng)推桿頂部限位開關(guān)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)停止,此時(shí)工作臂完全展開,液壓桿開始收縮,鉆桿下降,檢測位移信號是否正常。若正常,則氣鎬開始工作,執(zhí)行鉆土操作;否則,停止工作。鉆土執(zhí)行過程中,若位移數(shù)據(jù)檢測異常,如鉆桿在未到達(dá)指定深度時(shí)沒有繼續(xù)下降鉆土動(dòng)作,則判斷此次鉆土遇到異常情況,氣鎬停止工作,鉆桿回升,重新選擇區(qū)域嘗試執(zhí)行鉆土操作;否則,鉆土動(dòng)作繼續(xù)執(zhí)行,直到數(shù)據(jù)分析單元判斷達(dá)到預(yù)設(shè)深度,氣鏟、液壓桿停止工作。根據(jù)氣壓傳感器與預(yù)設(shè)氣壓參數(shù)的反饋差值,若差值>0,則啟動(dòng)空壓機(jī)對氣室增壓;否則,打開松土電磁閥,執(zhí)行松土操作。松土操作結(jié)束后,根據(jù)注射液肥指令調(diào)用預(yù)設(shè)液肥流量參數(shù),關(guān)閉回流電磁閥,開啟施肥電磁閥,執(zhí)行注肥動(dòng)作。根據(jù)流量傳感器實(shí)時(shí)反饋信號,直到數(shù)據(jù)分析單元判斷注射完畢,關(guān)閉施肥電磁閥,開啟回流電磁閥,然后注射桿回升。當(dāng)頂部限位開關(guān)變?yōu)楦唠娖綍r(shí),停止運(yùn)動(dòng),電動(dòng)推桿開始收回;當(dāng)電動(dòng)推桿底部限位開關(guān)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)停止,此時(shí)工作臂完全收回,若無后續(xù)指令則程序結(jié)束。

4 樣機(jī)與試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)基本條件

為了驗(yàn)證本機(jī)具控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理的正確性,試制了樣機(jī),在揚(yáng)州市江都區(qū)七里鎮(zhèn)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)地土壤緊平均硬度4.09 MPa,土壤含水量14.3%,室外溫度15℃。試驗(yàn)樣機(jī)如圖5所示。

4.2 測試指標(biāo)及影響因素分析

本輪試驗(yàn)預(yù)設(shè)機(jī)具注肥深度50cm,松土氣壓0.8MPa,單次注肥量1 L。試驗(yàn)通過對液壓桿行程的測量獲得實(shí)際鉆土深度數(shù)據(jù),通過對氣壓和流量傳感器顯示屏的讀數(shù)獲取實(shí)際氣壓和注肥流量數(shù)據(jù),并對機(jī)具的工作效率進(jìn)行了測試,運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 機(jī)具運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Operation test result of machine

試驗(yàn)結(jié)果表明:機(jī)具完成一輪注肥操作約50s,拖拉機(jī)啟停移動(dòng)約15s,深度誤差小于2%,氣壓誤差小于1.5%,注肥流量誤差小于2.5%。

5 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了基于PLC的果園氣爆松土注肥機(jī)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了機(jī)具鉆土、松土、注肥及回收的全過程自動(dòng)化,簡化了人力操作,提高了注肥機(jī)具整體的工作效率。

2)在STEP 7 Micro-WIN平臺(tái)上進(jìn)行了控制系統(tǒng)的軟件程序開發(fā),配合液晶顯示屏可以進(jìn)一步對人機(jī)交互單元進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。

3)進(jìn)行了氣爆松土注肥機(jī)的作業(yè)試驗(yàn),系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)果表明:機(jī)具深度誤差小于2%,氣壓誤差小于1.5%,注肥流量誤差小于1.5%,驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)的合理性。