基于PLC 的农业机电设备电气系统设计

江苏省联合职业技术学院淮安分院 李其龙

引言

随着我国农业生产水平的不断提升，传统的种植经验以及农耕设备已然无法满足农业生产人员的农耕需求。对此相关设计人员也逐渐将信息时代先进的科学技术应用到农业生产与管理工作中，积极推动我国农业生产领域向数字化和信息化方向迈进。对此相关设计人员可从农业机电设备入手，将PLC 等先进技术融入农业机电设备的改进与完善中，以此来切实有效地提高农业机电设备的整体质量水平，使其能够在农业生产中充分发挥积极作用。这也是笔者将要同大家分享和探究的主要内容。

1 PLC 在电气系统设计中的理论综述

1.1 基本概述

PLC 即可编程逻辑控制器，其通常是指一种设有微处理器的数字运算控制器，在其内部可执行顺序控制、计数等操作指令，最终以数字的形式来完成数据输入与数据输出，继而实现控制其他机电设备生产运行的目的。PLC 控制器的运行过程主要分为输入采样、输出刷新以及程序执行等阶段，这些阶段可组成一个完整的扫描周期。在PLC 控制器的运行期间，PLC 控制器的CPU 便会按照特定的扫描速度不断地重复输入、执行、输出三个阶段从而完成对机电设备的有效控制。

1.2 结构组成

PLC 控制器的内部结构主要包括以下构件：一是电源，其主要是将机电设备所供应的交流电转化为直流电，为PLC 控制器运行提供源动力。二是中央处理器，在PLC 控制器中发挥控制中枢的职能，属于核心结构。三是存储器，具备数据信息记忆功能的电路系统，主要作用是存放PLC 控制器中的逻辑变量等数据信息。四是输入单元，主要是用于接收由检测元件等结构所产生的数据信号。五是输出单元，主要用于将PLC 控制器的数据信号传输至被控机电设备中来完成相应的操作指令。六是外部设备，目前比较常见的PLC 控制器外部设备有计算机等，这些外部设备主要用于帮助PLC 控制器实现网络通信等其他功能。

1.3 应用优势

PLC 控制器在机电设备的实际应用中体现出以下突出优势：首先是可靠性高，因为PLC 控制器的集成度相对较高，且具备自我诊断、电路保护等功能，因此其在电气系统的实际应用中具有较高的可靠性。其次是编程操作简单，PLC 控制器通常是以继电器控制梯形图的形式来完成相应的操作指令，由于梯形图很容易掌握并且使用便捷，因此PLC 控制器相对应的编程操作流程也十分简单。再次是组态灵活，以积木式结构为主的PLC 控制器只需用户对其进行简单的组合便可轻松改变机电设备控制系统的规格和功能，因此PLC 控制器还具备组态灵活的优势特征。最后是功能模块齐全，针对电流、电压、数字量以及不同型号的农业机电设备，PLC 控制器均可采用相应的功能模板与机电设备的控制阀、传感器等相关器件进行连接。

2 PLC 在温室灌溉设备中的电气系统设计要点

2.1 硬件设计

温室灌溉设备主要是由PLC 控制器、传感器、A/D 转换器等硬件结构所构成，设计人员需针对不同农作物所处环境的差异性来针对性地优化灌溉设备的硬件设计。设计人员可结合灌溉设备的实际运行情况，以此作为依据来合理选择PLC 控制器设备。以S7-200PLC 设备为例，其包括14 个输入端口和10 个输出端口，输入端口与输出端口之间可以通过相互连接的方式来对现有模块进行进一步扩展[1]。传感器则可进一步细致地分为土壤湿度传感器和水位传感器两种类型。其中土壤湿度传感器是指利用电磁脉冲技术来实现对土壤水分的监测作业，而水位传感器则是通过将水位信号传递至PLC 控制器使其根据实际水位与设计水位比对来自动实现各对阀门系统开闭状态的有效控制，以确保灌溉设备中的水位量能够持续处于稳定状态。

2.2 软件设计

PCL 控制器在温室灌溉设备的电气系统软件设计主要包括两方面内容：一方面是针对水生植物的软件设计。从客观角度上来看，水生植物对温室灌溉设备的要求比土壤植物要高出许多，对此设计人员应在基于PLC 控制器的基础上将其与灌溉设备中传感器的水位信号建立一定的关联。当温室灌溉设备投入正常使用后，PLC 控制器会将所获取到的水位信号与设计信号值进行对比，并根据对比结果对电阀门执行开启或者关闭的操作指令，以给予水生植物最佳的生长环境[2]。另一方面是针对土壤植物的软件设计。设计人员可先设计出土壤环境所需含水量的最小值，并且保障农业生产的区域范围内土壤含水量均在设计最小值之上，在此基础上再利用传感器对其进行检测，并将检测数据传输至PLC 控制器上，与最初设计的最值范围加以对比，同时根据数据对比分析结果对电阀门执行开启或者关闭的操作指令。

3 PLC 在智能监控设备中的电气系统设计要点

3.1 电气系统总体设计

智能监控设备也是农业生产中能够发挥极大作用的机电设备，其主要是通过传感器设备来采集大棚中的温度、土壤湿度、二氧化碳浓度、光照强度等与农业种植环境相关的参数信息，以此来辅助农业工作人员完成对农业生产环节的实时性监控。将PLC 控制器作为整个智能监控设备中的控制核心，其不仅可以通过对电流信号中的参数信息进行识别和储存，同时还可以结合设计值以及所获取的数据信息进行统筹分析，再驱动监控设备中的执行器，从而实现对农作物所处环境的智能化调节。智能监控设备中的组态软件主要用于创建人机交互的界面，从而提高智能监控设备操作的便捷性。而PLC 控制器中的云网关模块还可将监控设备所获取的参数信息即时地传输至用户平台。这样不仅可以通过大数据平台对参数信息进行实时性分析，并将异常情况向管理员进行预警，同时管理员也可自行通过电子设备登录相关网站来查看农业生产现状。

3.2 电气系统硬件设计

农业生产现场所处地区的环境参数采集工作通常需要借助传感器来完成, 传感器在应用时会将环境参数信号传输至PLC控制系统中, 对此设计人员需结合PLC 控制器的输入口进行型号的选择。目前应用比较广泛的模拟量传感器主要以四线制和两线制两种类型为主。当四线制模拟量传感器与PLC 控制器模板所对应的输入通道进行连接时，PLC 控制器此时只具备采集信号的功能。当两线制模拟量传感器与PLC 控制器模板所对应的输入通道进行连接时，PLC 控制器的模板通道还需对外输出24V 的直流电源，通过这种方式来驱动模拟量传感器进行正常工作。

3.3 电气系统软件设计

在智能监控设备中，农作物在不同生长阶段最适宜的环境参数存在一定的差异性，对此设计人员可从环境温度、环境湿度、光照强度等角度利用PLC 程序来获取相关参数信息，而管理者则可通过修改和完善组态软件的参数设计值与环境监测实际结果进行对比分析，从而更好地选择手动操作或自动操作两种模式。其中手动模式中管理者可在组态界面中进行启停或其他操作[3]。例如当PLC 控制器出现故障时，管理者可以采用手动模式来快速启停设备。自动模式则是先将获取的数据信息与设计值加以对比分析，若二者的误差在允许范围内，则扫描任务完成即可，此时智能监控设备可进入下一个周期循环。若二者的误差已经超出设计值范围，则PLC 控制器便会自行驱动智能监控系统中的执行设备，使机电设备能够始终处于正常的运行状态。

4 PLC 在精准施水播种机中的电气系统设计要点

4.1 排种器设计

目前农业生产中比较常见的排种器以气力式和勺轮式两种排种器为主，排种器设备大多呈现四连杆的仿形结构，其主要通过振动摇杆来有效改变播种机设备所承受的镇压力，提高排种器在运行中的稳定性。在此基础上，设计人员可通过PLC 控制器在排种器中增加漏播警报的功能。若播种机设备在播种过程中出现漏种情况，则PLC 控制器便会控制播种机对漏种区域进行补种。设计人员还可利用PLC 控制器对补种设备的行进速度和株距进行合理设计。一般情况下，播种机设备的输种管长度越长、株距越大，则系统所获取数据信息的准确率及可靠性便会越低，对此设计人员需充分利用PLC 控制器对排种器电气系统进行优化，科学计算最佳补种株距，合理缩短输种管的长度，以此来提高排种器的补种质量。

4.2 测速轮设计

播种机的测速轮主要以北斗导航系统为主, 在PLC 控制器旋转编码的辅助下可高效完成测速作业。为了进一步提高测速轮的精确性，设计人员可以将其置于播种单体的间隙，从而起到一定的保护作用。与此同时，设计人员还可通过在测速轮外侧安装防滑齿来进一步加强测速轮的防滑性。而PLC 控制器则可以在测速轮的仿真设计中进行合理的应用。通过对齿轮倾斜角针对播种机设备在运行过程中所接触土壤的受力情况以及飞溅速度进行计算，以此来设计出测速轮的最佳角度。此外，设计人员还可利用PLC 控制器对播种设备的横向稳定性加以测定，以进一步确保测速轮在实际播种过程中能够具有较高的安全稳定性。

4.3 水箱设计

精准施水播种机中的水箱设备通常以轻量承载式水箱为主，水箱的加水全程自动化，无须驾驶员进行辅助操作。通常情况下，水箱中的传感器可使用电容性液压传感器，因为其与超声型和浮球型水箱传感器相比成本更低，因此被人们广泛应用在播种机设备中。水箱传感器的工作原理是根据水的介电常数与空气介电常数的差值来适当改变传感器中的脉冲宽度，通过对应不同反应水位的编码序列来实现对水箱的控制[4]。液压传感器的信号端需与单片机的引脚进行紧密连接，在此基础上设计人员可利用PLC 来编写相应的程序，当水箱传感器自动检测到水位降低时便可通过声音和灯光来向驾驶员进行预警。

5 结论

本文笔者主要基于PLC 视角对农机设备的电气系统设计要点进行详细的阐述，并从温室灌溉、智能监控以及精准施水播种机等设备电气系统设计工作中所碰撞出的新火花加以讨论，其目的是为了进一步完善和优化农业机电设备的应用成效，为提高农业增产创收创造条件。希望在PLC 的技术支持下相关人员能够努力构造智慧农业平台，为我国实现农业振兴奠定坚实的基础。