基于PLC 果樹噴藥機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙小娟

（連云港生物工程中等專業(yè)學(xué)校 江蘇 連云港 222248）

0 引言

我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，在果樹種植和農(nóng)藥研發(fā)生產(chǎn)方面都處于世界領(lǐng)先水平，但農(nóng)業(yè)自動(dòng)化程度卻相對(duì)滯后。果樹的施藥技術(shù)直接影響著果樹成長(zhǎng)，進(jìn)而影響果實(shí)的品質(zhì)和產(chǎn)量。在果樹施藥期間，如果農(nóng)藥噴灑過(guò)量，會(huì)引起環(huán)境污染，同時(shí)果實(shí)攜帶過(guò)量農(nóng)藥也會(huì)影響食用者健康；如果農(nóng)藥噴灑不足，對(duì)果樹病蟲害防治效果會(huì)大打折扣。因此，本文研發(fā)了一套科學(xué)的果樹噴藥機(jī)控制系統(tǒng)，不僅能夠保證農(nóng)藥的病蟲害防治效果，提高果樹的產(chǎn)量和質(zhì)量，還可以減少藥物浪費(fèi)，對(duì)環(huán)境保護(hù)有重要作用，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 果樹噴藥機(jī)控制系統(tǒng)需求分析

精準(zhǔn)噴藥控制系統(tǒng)在果樹位置信息的基礎(chǔ)上，能夠準(zhǔn)確而及時(shí)地采集噴藥機(jī)行駛速度等信息并快速響應(yīng)，同時(shí)對(duì)噴藥量進(jìn)行調(diào)整，提高了農(nóng)藥利用率，滿足了系統(tǒng)控制方面的要求[1]。

從果園噴藥機(jī)近年的發(fā)展情況看，大型化、規(guī)模化是其發(fā)展的主流趨勢(shì)，噴藥機(jī)的結(jié)構(gòu)也日漸復(fù)雜，駕駛?cè)藛T不能僅依賴前期積累的經(jīng)驗(yàn)對(duì)噴藥機(jī)的具體情況做出判斷。本文針對(duì)這種情況設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，結(jié)合噴藥機(jī)的行駛速度實(shí)施精準(zhǔn)噴藥，控制好噴藥機(jī)的流量，并通過(guò)人機(jī)界面對(duì)噴藥機(jī)的行駛速度進(jìn)行測(cè)評(píng)，系統(tǒng)同時(shí)提供流量、開(kāi)關(guān)、壓力等方面的信息。駕駛員通過(guò)人機(jī)界面獲取自己需要的各種信息數(shù)據(jù)，了解噴藥機(jī)的工作狀態(tài)，根據(jù)傳感器提供的信息做出相應(yīng)的決策。人機(jī)界面功能的發(fā)揮，將會(huì)使噴藥機(jī)工作質(zhì)量、效率均有所提高。

本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具備如下性能。

（1）控制系統(tǒng)具備較高的自動(dòng)化水平，人機(jī)界面及時(shí)輸出多項(xiàng)參數(shù)，系統(tǒng)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行識(shí)別之后按需調(diào)整噴藥流量，可以減輕駕駛?cè)藛T的手動(dòng)操作負(fù)擔(dān)[2]。

（2）管制系統(tǒng)有較高的可靠性。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境極其復(fù)雜，噴藥機(jī)的每一種電子元件都面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，因此，要有良好的抗干擾能力，確保預(yù)期功能全部實(shí)現(xiàn)，增強(qiáng)噴藥機(jī)的穩(wěn)定性[3]。

（3）控制系統(tǒng)有較強(qiáng)的實(shí)用性。噴藥機(jī)操作人員多為種植農(nóng)民，他們難以操作復(fù)雜的系統(tǒng)，所以要降低系統(tǒng)操作難度，并且擴(kuò)大適應(yīng)范圍，以滿足不同類型果園與噴藥機(jī)的需求。

（4）控制系統(tǒng)有良好的經(jīng)濟(jì)性。我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員經(jīng)濟(jì)收入并不高，為了給農(nóng)民帶來(lái)便利，要在完善系統(tǒng)性能的前提下將價(jià)格控制到最低。

（5）控制系統(tǒng)有較強(qiáng)的靈活性，能同時(shí)滿足自動(dòng)化、手動(dòng)化兩種操作模式的要求，用戶可以根據(jù)自身情況做出合理選擇。

2 果樹噴藥機(jī)控制原理分析

控制系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)，藥箱中的藥液先經(jīng)過(guò)濾器，清除其中的雜質(zhì)之后再進(jìn)入藥泵，藥泵壓力與動(dòng)力都達(dá)到了一定水平，能夠把藥液傳輸至霧化噴嘴，再實(shí)施精準(zhǔn)噴藥。系統(tǒng)在對(duì)樹木靶標(biāo)信息進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，采用的是超聲波與紅外線兩種傳感器，并借助電磁閥獨(dú)立控制各個(gè)噴嘴。借助于壓力與流量?jī)纱髠鞲衅鳎到y(tǒng)能及時(shí)獲取藥液壓力與流量?jī)煞矫娴臄?shù)據(jù)信息，噴藥機(jī)行駛速度信息則是通過(guò)速度傳感器獲取的，傳感器提前設(shè)定了噴幅值，根據(jù)傳感器提供的真實(shí)參數(shù)，求出真實(shí)的噴藥流量值，在電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的輔助下調(diào)整流量，讓具體流量能契合理論值，由此產(chǎn)生良好的控制效果[4-5]。如果采用手工模式進(jìn)行操作，操作人員在調(diào)整噴藥量進(jìn)行調(diào)整時(shí)要重點(diǎn)控制好噴藥機(jī)的行駛速度，增強(qiáng)藥量穩(wěn)定性，同時(shí)噴藥量與行駛速度的調(diào)整保持同步。

3 果樹噴藥機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案研究

果樹噴藥機(jī)控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中主要需要考慮兩方面問(wèn)題：控制器選擇和噴藥控制方案選擇。

3.1 控制器選擇

控制器選擇中，主要有單片機(jī)技術(shù)和PLC 技術(shù)兩種。

方案1：利用單片機(jī)作為控制器。單片機(jī)是典型的嵌入式微控制器，由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備等構(gòu)成，相當(dāng)于一個(gè)微型計(jì)算機(jī)。與應(yīng)用在個(gè)人電腦中的通用型微處理器相比，它更強(qiáng)調(diào)自供應(yīng)（不用外接硬件）和節(jié)約成本。它的最大優(yōu)點(diǎn)是體積小，可放在儀表內(nèi)部，但存儲(chǔ)量小，輸入輸出接口簡(jiǎn)單，功能較低[6]。目前在噴藥機(jī)控制領(lǐng)域，已有很多設(shè)計(jì)研究者利用單片機(jī)作為控制器，實(shí)現(xiàn)噴藥機(jī)的智能控制。利用單片機(jī)作為噴藥機(jī)控制器進(jìn)行噴藥控制，優(yōu)勢(shì)是性價(jià)高，控制成本低；缺點(diǎn)是抗干擾能力差，不穩(wěn)定，在實(shí)際工作時(shí)會(huì)遇到一些未知問(wèn)題無(wú)法滿足實(shí)際工作需要。

方案2：利用PLC 作為控制器。PLC 是可編程邏輯控制器的簡(jiǎn)稱，是專門為在工業(yè)環(huán)境下自動(dòng)化控制而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)?？删幊炭刂破饔蓛?nèi)部CPU、指令及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、輸入輸出單元、電源模塊、數(shù)字模擬等單元所模塊化組合而成，通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來(lái)控制各種類型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程[7]。利用PLC 技術(shù)進(jìn)行噴藥機(jī)智能控制，不易受外界環(huán)境的影響，抗干擾能力強(qiáng)，控制較為精準(zhǔn)，尤其是在速度和噴藥精度方面表現(xiàn)尤為突出，可適用于多種復(fù)雜環(huán)境作業(yè)；PLC 控制器留有多個(gè)控制接口，可方便后期設(shè)備升級(jí)。

綜上所述，利用PLC 進(jìn)行噴藥機(jī)智能控制具有明顯優(yōu)勢(shì)，因此本文設(shè)計(jì)采用PLC 作為控制器。

3.2 噴藥控制方案選擇

目前農(nóng)業(yè)噴藥控制主要有電磁閥脈寬調(diào)制變量噴藥技術(shù)、壓力調(diào)節(jié)變量噴藥技術(shù)、在線注入農(nóng)藥變量噴藥技術(shù)、流量調(diào)節(jié)變量噴藥技術(shù)等。

方案1：電磁閥脈寬調(diào)制變量噴藥技術(shù)。該技術(shù)是利用控制電磁閥通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)噴藥流量控制，即單位時(shí)間內(nèi)電磁閥打開(kāi)和閉合數(shù)進(jìn)行噴藥流量的調(diào)節(jié)控制。理論上該方法可實(shí)現(xiàn)噴藥管道流量控制，且調(diào)控范圍大，但實(shí)際操作時(shí)由于該電磁閥開(kāi)關(guān)需要超高頻電磁來(lái)控制閥門通斷，因此對(duì)電磁閥本身提出了一定要求；另一方面，農(nóng)業(yè)噴藥機(jī)利用該噴藥技術(shù)進(jìn)行噴藥作業(yè)時(shí)，由于電磁閥門工作頻繁通斷造成噴藥過(guò)程產(chǎn)生間斷，會(huì)影響實(shí)際噴藥[8]。

方案2：壓力調(diào)節(jié)變量噴藥技術(shù)。該技術(shù)是利用調(diào)整噴藥機(jī)噴藥管道中的壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)噴藥控制。液壓控制調(diào)節(jié)一般是通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)：泵輸入壓力調(diào)節(jié)、調(diào)壓閥調(diào)節(jié)、液體回流調(diào)節(jié)等[9]。利用該方法可以實(shí)現(xiàn)噴藥機(jī)噴藥作業(yè)，但由于本身控制原理的局限性，噴藥流量可調(diào)控范圍較窄；另一方面，壓力控制噴藥，會(huì)導(dǎo)致起始噴灑的藥物濃度低，后期噴灑藥物濃度高，因此無(wú)法保證藥物均勻噴灑。

方案3：在線注入農(nóng)藥變量噴藥技術(shù)。該技術(shù)是通過(guò)在線農(nóng)藥量控制來(lái)調(diào)節(jié)藥液濃度，以實(shí)現(xiàn)噴藥量控制的方法。利用該方法進(jìn)行噴藥作業(yè)時(shí)，不會(huì)影響噴藥管路壓力、霧滴尺寸以及電氣元件。但這一方法從藥物濃度調(diào)節(jié)到藥物噴出整體操作周期較長(zhǎng)，控制過(guò)程會(huì)造成一定延遲，很難滿足實(shí)際噴藥需求。

方案4：流量調(diào)節(jié)變量噴藥技術(shù)。該技術(shù)是利用驅(qū)動(dòng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)流量控制。利用該方法進(jìn)行噴藥機(jī)噴藥作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)具行進(jìn)與噴藥狀態(tài)的協(xié)調(diào)控制，以達(dá)到預(yù)期噴藥效果。該方法的優(yōu)勢(shì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，控制穩(wěn)定，噴藥流量控制可調(diào)范圍寬，控制精度高，藥物噴灑均勻；不足之處是噴藥管道很難實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓控制，因此需要對(duì)其進(jìn)行回流設(shè)計(jì)。

綜上所述，流量調(diào)節(jié)變量噴藥技術(shù)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，精度高，性能穩(wěn)定，滿足本文設(shè)計(jì)需求，因此選用該技術(shù)進(jìn)行噴藥機(jī)噴藥控制。

4 果樹噴藥機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)果園果樹的實(shí)際情況，結(jié)合PLC 自動(dòng)控制理念，本文設(shè)計(jì)了一款基于PLC 果樹噴藥機(jī)控制系統(tǒng)，見(jiàn)圖1。系統(tǒng)主要由4 個(gè)模塊組成：信息采集模塊、可編程控制模塊、執(zhí)行模塊和人機(jī)界面。信息采集模塊主要由一系列傳感器收集果樹相關(guān)信息，如流量傳感器、速度傳感器、紅外線傳感器等；可編程控制模塊是由PLC 控制，該模塊是控制系統(tǒng)的核心，起到分析數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)的作用；執(zhí)行模塊是電磁閥和調(diào)節(jié)閥，控制果樹噴灑流量、噴灑壓力等；人機(jī)界面主要由觸摸屏構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)噴藥機(jī)控制系統(tǒng)控制與監(jiān)測(cè)[10]。

5 果樹噴藥機(jī)控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

5.1 手動(dòng)/自動(dòng)控制系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的果樹噴藥機(jī)有手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種方式，用戶可結(jié)合實(shí)際情況根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行選擇，具體控制流程見(jiàn)圖2。

果樹噴藥機(jī)可根據(jù)人機(jī)界面的提示，選擇手動(dòng)模式或自動(dòng)模式。當(dāng)選擇自動(dòng)模式進(jìn)行噴藥作業(yè)時(shí)，用戶可以對(duì)噴藥量及噴藥覆蓋面積進(jìn)行設(shè)置（數(shù)據(jù)數(shù)值可根據(jù)相關(guān)理論計(jì)算得出），此時(shí)噴藥機(jī)會(huì)根據(jù)設(shè)置的數(shù)據(jù)，結(jié)合傳感器檢測(cè)到的信息，對(duì)噴藥量和噴藥移動(dòng)速度進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以實(shí)現(xiàn)藥物的定量均勻噴灑。當(dāng)選擇手動(dòng)模式進(jìn)行噴藥作業(yè)時(shí)，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要對(duì)噴藥狀態(tài)進(jìn)行選擇，系統(tǒng)設(shè)置了3 種不同的噴藥工作狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)設(shè)備不同行駛速度下的噴藥狀態(tài)。上述無(wú)論是手動(dòng)模式還是自動(dòng)模式下，噴藥機(jī)每個(gè)噴嘴控制都相互獨(dú)立，可通過(guò)人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制。

5.2 精準(zhǔn)噴藥系統(tǒng)

為了獲取果樹準(zhǔn)確位置，本文設(shè)計(jì)的噴藥機(jī)控制系統(tǒng)利用兩種傳感器（超聲波傳感器和紅外線傳感器）采集信息，利用信息融合的方式實(shí)現(xiàn)果樹位置的標(biāo)定，系統(tǒng)在進(jìn)行運(yùn)行過(guò)程中，兩種傳感器只要有一種檢測(cè)到位置信息，便可以啟動(dòng)程序運(yùn)行。

在噴藥機(jī)控制系統(tǒng)中，為提高樹木靶標(biāo)信息檢測(cè)的精確度，系統(tǒng)使用紅外線傳感器和超聲波傳感器數(shù)據(jù)融合的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，只要有一種傳感器檢測(cè)到靶標(biāo)信息，便可以觸發(fā)程序。這里以2 號(hào)電磁閥為例，當(dāng)兩種傳感器中有一種采集到數(shù)據(jù)時(shí)，噴藥噴頭開(kāi)始工作，噴藥機(jī)開(kāi)始噴藥作業(yè)，當(dāng)噴藥機(jī)移動(dòng)噴藥作業(yè)工作一段時(shí)間時(shí)，傳感器失去信息，這時(shí)噴藥機(jī)噴藥作業(yè)停止，噴頭停止工作。

5.3 噴藥量控制系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的噴藥機(jī)控制系統(tǒng)中兩種工作模式的噴藥量控制不同。當(dāng)噴藥機(jī)處于自動(dòng)控制模式時(shí)，噴藥量的控制可以根據(jù)噴藥機(jī)移動(dòng)速度調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)單位面積噴藥均勻；當(dāng)噴藥機(jī)處于手動(dòng)控制模式時(shí)，用戶可根據(jù)果樹需要，進(jìn)行3 種噴藥方式選擇，實(shí)現(xiàn)3 種變量噴藥。

自動(dòng)控制狀態(tài)噴藥機(jī)根據(jù)果樹單位面積噴藥數(shù)值進(jìn)行判斷來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。通過(guò)傳感器采集實(shí)際藥液流量Q2，與噴藥機(jī)設(shè)定的藥液流量Q1 進(jìn)行對(duì)比，在誤差范圍內(nèi)結(jié)束噴藥，如果超過(guò)誤差范圍則進(jìn)行閥門流量調(diào)節(jié)，直至達(dá)到藥液噴灑要求。自動(dòng)控制狀態(tài)下噴藥機(jī)噴藥量控制流程見(jiàn)圖3。

在手動(dòng)控制狀態(tài)下，根據(jù)噴藥機(jī)行進(jìn)速度可實(shí)現(xiàn)3種環(huán)境下噴藥量控制：（1）當(dāng)噴藥機(jī)行進(jìn)速度在1.5 ～2.5 km/h 時(shí)調(diào)節(jié)閥流量全部打開(kāi)；（2）當(dāng)噴藥機(jī)行進(jìn)速度在2.5 ～3.5 km/h 時(shí)調(diào)節(jié)閥流量開(kāi)啟50%；（3）當(dāng)噴藥機(jī)行進(jìn)速度在3.5 ～4.5 km/h 時(shí)調(diào)節(jié)閥流量開(kāi)啟25%。手動(dòng)控制狀態(tài)下噴藥機(jī)噴藥量控制流程見(jiàn)圖4。

6 果樹噴藥機(jī)控制系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

人機(jī)交互界面可以使用戶時(shí)刻觀測(cè)到噴藥機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。當(dāng)遇到突發(fā)情況時(shí)，用戶可根據(jù)界面指令功能實(shí)現(xiàn)對(duì)噴藥機(jī)的控制。果樹噴藥機(jī)的人機(jī)界面主要由用戶登錄界面、噴藥機(jī)控制界面、噴藥機(jī)狀態(tài)監(jiān)控界面等構(gòu)成。

圖5 為果樹噴藥機(jī)登錄界面，用戶可根據(jù)注冊(cè)的用戶名和密碼進(jìn)行登錄操作，當(dāng)密碼遺忘時(shí)也可以根據(jù)界面按鈕進(jìn)行密碼實(shí)時(shí)找回。

如圖6 所示，用戶進(jìn)去系統(tǒng)后默認(rèn)狀態(tài)是處于自動(dòng)控制界面，在自動(dòng)控制界面下可實(shí)現(xiàn)噴藥參數(shù)設(shè)置、噴藥機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)控、噴藥機(jī)歷史工作記錄查詢和手動(dòng)控制界面切換。在點(diǎn)擊噴藥參數(shù)設(shè)置按鈕后，用戶可實(shí)現(xiàn)噴藥流量設(shè)置和噴藥范圍設(shè)置；在點(diǎn)擊噴藥機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)控按鈕后，將跳轉(zhuǎn)至如圖7 所示界面，用戶可觀測(cè)每個(gè)噴頭電磁閥工作狀態(tài)，并可通過(guò)開(kāi)/關(guān)按鈕實(shí)現(xiàn)電磁閥的開(kāi)啟/關(guān)閉功能，還可動(dòng)態(tài)監(jiān)控目前噴頭的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，如噴藥流量、噴頭壓力等；當(dāng)點(diǎn)擊歷史數(shù)據(jù)查詢按鈕后，可查看以往設(shè)備工作記錄；在點(diǎn)擊手動(dòng)模式切換按鈕后，頁(yè)面將跳轉(zhuǎn)到手動(dòng)控制模式，具體界面實(shí)現(xiàn)功能可見(jiàn)上文。

7 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于PLC 的果樹噴藥機(jī)控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)果樹的精準(zhǔn)噴藥，有效避免了果樹噴藥時(shí)農(nóng)藥的浪費(fèi)情況，實(shí)現(xiàn)了果樹自動(dòng)、精準(zhǔn)、高效以及穩(wěn)定的噴藥需求，為農(nóng)業(yè)自動(dòng)化提供了良好借鑒，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。