基于PLC 的小型智能噴藥機(jī)控制系統(tǒng)的研究*

王炯錫 ，胡天讓 ，陳立濤 ，孫麗萍 ，陳創(chuàng)業(yè) ，孔 祥

（甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 武威 733006）

農(nóng)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱，而噴藥機(jī)作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中必不可少的農(nóng)業(yè)機(jī)械之一，其精準(zhǔn)、高效的噴藥操作對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和效益有著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的手動(dòng)噴藥方式存在著噴藥量不精確、噴藥范圍難以控制、工作效率低等問(wèn)題，嚴(yán)重影響著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和效益。為解決這些問(wèn)題，研發(fā)一種高效、可靠的噴藥機(jī)控制系統(tǒng)成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)。而基于可編程邏輯控制器（PLC）的小型智能噴藥機(jī)控制系統(tǒng)作為一種現(xiàn)代化的農(nóng)機(jī)控制技術(shù)，具有精度高、穩(wěn)定性好、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受研究者和農(nóng)民的青睞。因此，本研究旨在通過(guò)基于PLC 的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)小型智能噴藥機(jī)的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)、智能控制和穩(wěn)定運(yùn)行，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和效益，以期為推動(dòng)農(nóng)機(jī)智能化、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平和經(jīng)濟(jì)效益作出積極的貢獻(xiàn)。

1 基于PLC的小型智能噴藥機(jī)控制系統(tǒng)研究意義

小型智能噴藥機(jī)控制系統(tǒng)的研究意義主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益。傳統(tǒng)的手動(dòng)噴藥方式存在著噴藥量不精確、噴藥范圍難以控制、工作效率低等問(wèn)題，嚴(yán)重影響著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和效益?；赑LC 的小型智能噴藥機(jī)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)噴藥量的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)和噴藥范圍的智能控制，提高了噴藥的準(zhǔn)確性和工作效率，降低了噴藥成本，從而提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益。2）推進(jìn)農(nóng)機(jī)智能化。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，智能化農(nóng)機(jī)的研究和應(yīng)用已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一個(gè)重要方向?；赑LC 的小型智能噴藥機(jī)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化的噴藥操作，為農(nóng)機(jī)智能化的推廣和應(yīng)用提供了可行的技術(shù)手段，推動(dòng)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的綠色化。綜上所述，小型智能噴藥機(jī)控制系統(tǒng)的研究對(duì)于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益、降低噴藥成本、推進(jìn)農(nóng)機(jī)智能化和推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的綠色化具有重要的意義和價(jià)值。

2 PLC基本工作原理

可編程邏輯控制器（PLC）是一種現(xiàn)代化的數(shù)字化控制設(shè)備，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。其基本工作原理是將用戶需要控制的各種輸入信號(hào)（如傳感器信號(hào)、按鈕信號(hào)等）通過(guò)輸入模塊輸入到PLC 中，然后經(jīng)過(guò)PLC 內(nèi)部的邏輯處理、運(yùn)算和控制輸出模塊，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各種執(zhí)行器（如電機(jī)、氣缸等）的控制。PLC 具有可編程、可擴(kuò)展、可靠性高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。PLC 的基本工作原理可以簡(jiǎn)單地描述為3 個(gè)步驟：輸入、處理和輸出。

1）輸入：PLC 的輸入部分由輸入模塊組成，用于接收各種外部輸入信號(hào)，例如開(kāi)關(guān)、傳感器、編碼器等，將這些信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，輸入到PLC 的中央處理器（CPU）中。PLC 根據(jù)輸入信號(hào)的狀態(tài)來(lái)判斷工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制[1]。

2）處理：PLC 的中央處理器（CPU）負(fù)責(zé)處理輸入信號(hào)，根據(jù)程序邏輯進(jìn)行運(yùn)算和處理，最終產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)輸出到輸出模塊中。中央處理器的處理過(guò)程由3 個(gè)部分組成：存儲(chǔ)器、算術(shù)邏輯單元（ALU）和控制單元（CU）。

3）輸出：PLC 的輸出部分由輸出模塊組成，用于輸出控制信號(hào)到各種執(zhí)行器（如電機(jī)、氣缸等），從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各種設(shè)備的控制。PLC 的輸出模塊通常使用繼電器或半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，可以根據(jù)需要靈活選擇[2]。

3 基于PLC的小型智能噴藥機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于小型智能噴藥機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景需求和PLC 自動(dòng)控制理念對(duì)系統(tǒng)整體框架進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。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(shù)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)行模塊由電磁閥和調(diào)節(jié)閥組成，控制果樹(shù)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)的控制與監(jiān)測(cè)[3]。

3.2 傳感器設(shè)計(jì)

在小型智能噴藥機(jī)控制系統(tǒng)中，傳感器是不可或缺的部分，它可以采集系統(tǒng)所需的各種信號(hào)，如溫度、濕度、壓力、位置、速度等。傳感器的設(shè)計(jì)對(duì)于小型智能噴藥機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度具有重要影響。

溫度傳感器是小型智能噴藥機(jī)控制系統(tǒng)中常用的傳感器之一，可以用來(lái)檢測(cè)液體或氣體的溫度，常用的溫度傳感器有熱敏電阻、熱電偶等。液位傳感器是小型智能噴藥機(jī)控制系統(tǒng)中用于測(cè)量液位高度的傳感器，常用的液位傳感器有浮球式液位傳感器、壓力式液位傳感器等。壓力傳感器是小型智能噴藥機(jī)控制系統(tǒng)中用于測(cè)量壓力的傳感器[4]，常用的壓力傳感器有壓阻式傳感器、電容式傳感器等。位置傳感器是小型智能噴藥機(jī)控制系統(tǒng)中用于測(cè)量位置的傳感器，常用的位置傳感器有光電式傳感器、霍爾傳感器等。速度傳感器是小型智能噴藥機(jī)控制系統(tǒng)中用于測(cè)量速度的傳感器，常用的速度傳感器有霍爾傳感器、光電式傳感器等。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該選擇適合的傳感器，綜合考慮傳感器的精度、穩(wěn)定性、響應(yīng)速度等因素，以確保傳感器的性能能夠滿足小型智能噴藥機(jī)控制系統(tǒng)的要求。此外，還需要將傳感器與PLC 進(jìn)行連接，并編寫相應(yīng)的程序，以確保傳感器數(shù)據(jù)能夠被正確地采集和處理。

3.3 PLC主控板設(shè)計(jì)

PLC 主控板是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)各個(gè)部件的工作，包括傳感器、執(zhí)行器、人機(jī)界面等。在設(shè)計(jì)PLC主控板時(shí)，需要注意以下幾方面：

1）需要選擇適合的主控芯片。常用的PLC 主控芯片有德州儀器（TI）的TMS320 系列、富士電機(jī)的MICREX-SX 系列等。選擇主控芯片時(shí)，需要考慮系統(tǒng)所需的性能和功能，如運(yùn)算速度、存儲(chǔ)容量、輸入輸出接口等。

2）PLC 主控板需要穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)。電源電路的設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮到系統(tǒng)所需的功率、電壓等因素，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。通常采用穩(wěn)壓電源電路，以保證輸出電壓的穩(wěn)定性。

3）PLC 主控板的輸入輸出接口應(yīng)該與各個(gè)部件相連接，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和控制。常用的輸入輸出接口有模擬輸入輸出接口、數(shù)字輸入輸出接口、通信接口等。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮到接口的數(shù)量、類型、接口電平等因素。

4）通信接口是PLC 主控板的重要組成部分，它可以與其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和控制指令的傳輸。常用的通信接口有RS232、RS485、以太網(wǎng)接口等。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮到通信協(xié)議、通信速率、數(shù)據(jù)傳輸方式等因素。

5）PLC主控板的程序設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制和協(xié)調(diào)的關(guān)鍵步驟。程序設(shè)計(jì)應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)功能需求，編寫相應(yīng)的程序，包括數(shù)據(jù)采集、處理、控制指令輸出等。

在PLC 主控板的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要充分考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和可擴(kuò)展性。為了確保系統(tǒng)的性能，需要進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試和調(diào)試，并對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。此外，還需要充分考慮系統(tǒng)的安全性和保密性，以確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性[5]。

3.4 人機(jī)界面模塊設(shè)計(jì)

人機(jī)界面是小型智能噴藥機(jī)控制系統(tǒng)中重要的一部分，它提供了用戶與系統(tǒng)交互的方式。在基于PLC 小型智能噴藥機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，人機(jī)界面模塊設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮到用戶操作的便利性、界面的美觀性、信息的直觀性等因素。

1）在人機(jī)界面模塊設(shè)計(jì)中，顯示屏是人機(jī)界面模塊的核心部分，它可以顯示系統(tǒng)狀態(tài)、參數(shù)、操作指令等信息。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮到顯示屏的分辨率、尺寸、顯示方式等因素。通常采用液晶顯示屏，以實(shí)現(xiàn)高清晰度、低功耗、易于維護(hù)等目的。

2）操作按鈕是人機(jī)界面模塊的重要組成部分，它可以通過(guò)按鈕的方式輸入操作指令，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制和調(diào)整[6]。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮到操作按鈕的數(shù)量、位置、形狀等。通常采用觸摸按鈕，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、便捷的操作。

3）蜂鳴器是人機(jī)界面模塊的輔助部分，它可以通過(guò)聲音的方式向用戶提供系統(tǒng)狀態(tài)、警告等信息。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮到蜂鳴器的聲音大小、音調(diào)等，以實(shí)現(xiàn)清晰、易于辨識(shí)的聲音提示[7]。

4）人機(jī)界面模塊還可以包括其他輔助部件，如LED 燈、鍵盤等。LED 燈可以通過(guò)不同顏色的燈光表示不同的系統(tǒng)狀態(tài)；鍵盤可以提供更多的操作方式和參數(shù)輸入方式。

在人機(jī)界面模塊設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮到用戶的操作習(xí)慣、視覺(jué)需求等因素。為了實(shí)現(xiàn)良好的用戶體驗(yàn)，需要進(jìn)行用戶測(cè)試和反饋收集，并對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

3.5 軟件設(shè)計(jì)

在基于PLC 小型智能噴藥機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，PLC 編程設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的一環(huán)，它直接決定了系統(tǒng)的運(yùn)行效率和準(zhǔn)確性。以下將從PLC 編程的基本結(jié)構(gòu)、PLC 編程語(yǔ)言和PLC 編程設(shè)計(jì)的流程等方面進(jìn)行闡述[8]。

1）PLC 編程是基于圖形化的編程界面進(jìn)行的，其中PLC 程序包含多個(gè)模塊，每個(gè)模塊都是由一系列的程序指令構(gòu)成。PLC 程序的基本結(jié)構(gòu)包括輸入模塊、輸出模塊、中間模塊和功能模塊。其中，輸入模塊用來(lái)讀取傳感器的狀態(tài)信息；輸出模塊用來(lái)控制執(zhí)行器的動(dòng)作；中間模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和邏輯運(yùn)算；功能模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的功能需求。

2）PLC 編程語(yǔ)言包括多種類型，如梯形圖、函數(shù)塊圖、指令列表、結(jié)構(gòu)化文本等。在基于PLC 小型智能噴藥機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，通常采用梯形圖和函數(shù)塊圖。梯形圖是一種圖形化的編程語(yǔ)言，用來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理，通過(guò)連接和組合不同的邏輯元件來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制任務(wù)。函數(shù)塊圖是一種結(jié)構(gòu)化的編程語(yǔ)言，可以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理，通過(guò)函數(shù)塊之間的連接和調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)功能的分配和協(xié)調(diào)[9]。

3）PLC 編程設(shè)計(jì)的流程包括需求分析、概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、編程實(shí)現(xiàn)、測(cè)試調(diào)試等多個(gè)環(huán)節(jié)。需求分析是指對(duì)系統(tǒng)需求和功能進(jìn)行詳細(xì)分析和定義，包括系統(tǒng)的輸入輸出、控制邏輯、數(shù)據(jù)處理、故障處理等方面。概念設(shè)計(jì)是在需求分析的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定各個(gè)模塊之間的關(guān)系和數(shù)據(jù)流動(dòng)。詳細(xì)設(shè)計(jì)是對(duì)概念設(shè)計(jì)進(jìn)行細(xì)化和具體化，確定各個(gè)模塊的具體實(shí)現(xiàn)方式和程序指令。編程實(shí)現(xiàn)是將詳細(xì)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為PLC程序的實(shí)現(xiàn)，包括選擇編程語(yǔ)言、編寫程序指令、設(shè)置變量和調(diào)用函數(shù)等。測(cè)試調(diào)試是對(duì)編程實(shí)現(xiàn)進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證，檢查程序的正確性和穩(wěn)定性，保證系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行[10]。

4 結(jié)論

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的農(nóng)藥和化肥數(shù)量越來(lái)越多，這些農(nóng)藥和化肥在不當(dāng)使用時(shí)容易造成環(huán)境污染和農(nóng)產(chǎn)品污染，甚至對(duì)人體健康造成危害。因此，開(kāi)發(fā)一種能夠精確控制噴灑量和噴灑方向的小型智能噴藥機(jī)控制系統(tǒng)是十分必要的。本研究設(shè)計(jì)的基于PLC 的小型智能噴藥機(jī)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥和化肥的精準(zhǔn)噴灑，并減少農(nóng)藥和化肥的浪費(fèi)和污染，以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量。此外，小型智能噴藥機(jī)控制系統(tǒng)還可以應(yīng)用于城市園林、果園、葡萄園、大田等多種作物的噴灑和施肥作業(yè)中，具有廣泛的應(yīng)用前景。