基于PLC的果树喷药机控制系统设计

2023-08-16王炯锡胡天让陈创业

乡村科技 2023年7期

王炯锡胡天让孔祥陈创业

甘肃畜牧工程职业技术学院，甘肃武威 733006

0 引言

为了探索一种可靠、高效、安全的果树喷药系统控制方案，笔者基于可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）设计了一套果树喷药机控制系统，通过将先进的电气控制技术应用于果树喷药系统，实现果树喷药过程的自动化和精确控制，进而提高果树喷药的质量和效率，同时减少喷药作业对环境和人体造成的伤害。

1 研究背景

传统的手动喷药方式存在很多问题，如工作效率低、施药方式不规范等，影响果树的生长发育和农民的经济效益。因此，采用自动化控制技术改进果树喷药方式具有重要意义。目前，引入PLC 已经成为自动化控制领域的重要手段之一。相对于传统的微型控制器，PLC具有更高的安全性和更好的兼容性，越来越受到农业机械研发与生产领域的重视。已有研究基于PLC 开发了各种类型的农业机械控制系统，如喷灌系统、播种机器人等［1］。这些研究证明了PLC 在农业机械化中的重要性。因此，基于PLC 的果树喷药机控制系统设计研究，不仅有助于提高果树喷药的效率和质量，而且有助于推动农业机械的智能化发展，提高农业生产效率和质量，实现农业现代化的目标。

2 果树喷药机的结构和工作原理

2.1 果树喷药机的结构

果树喷药机是一种常用的农业机械设备，用于果树病虫害防治。通常，果树喷药机主要由以下几个部分组成。①液压系统。液压系统包括油箱、油泵、阀门、油管等，用于提供喷药机的动力源和控制喷药机的运动。②喷雾系统。喷雾系统包括液压马达、高压水泵、喷雾管路等，用于将农药液体雾化并均匀地喷洒在果树上。③操控系统。操控系统包括控制台、操纵杆、开关等，用于控制喷雾系统和喷药机的运动。④架子系统。架子系统包括车架、轮子、悬挂系统等，用于支撑和运输喷药机。

通过液压系统提供的动力，喷药机可以实现前后、上下、左右等方向的运动。通过高压水泵和喷雾管路，喷药机可以将液体农药均匀地喷洒在果树上，从而达到防治果树病虫害的目的。同时，操控系统可以实现对喷雾系统和喷药机的精确控制，提高喷药的效率和质量。

2.2 果树喷药机喷药原理

果树喷药机利用喷雾系统将农药液体雾化成微小颗粒，并将其喷洒到果树的叶片和果实上，达到防治果树病虫害的目的。在喷药过程中，农药液体从液体储罐中被抽取出来，经过高压水泵进入喷雾管路，之后通过微孔喷头或其他雾化装置被雾化成微小液滴，最终由风扇或液压马达喷洒到果树上。喷药过程中，工作人员需要考虑多种因素，如气温、湿度、风向、风速及树冠密度等。这些因素会影响喷洒效果和喷药量。因此，喷药机通常配备有气象仪和液晶显示屏等设备，操作人员可以利用其监测当前环境参数，并通过PLC 调整喷药机的运行状态和喷药量，实现精准喷药。

3 基于PLC 的果树喷药机控制系统需求分析和功能设计

3.1 需求分析

在设计基于PLC 的果树喷药机控制系统时，主要考虑以下几方面需求。一是自动化控制。控制系统需要通过自动化方式实现喷药机的启停、转速控制、药液供应控制、喷头控制等功能，从而提高喷药效率和精度。二是精确控制。控制系统需要具有高精度的控制能力，从而精确控制喷药机的转速、流量、药液供应等参数，实现精准喷药。三是友好的人机交互界面。控制系统需要具有友好的人机交互界面，从而清晰地显示喷药机的工作状态和喷药效果，同时需要支持人工干预和调整。四是具备远程控制和监测能力。控制系统需要具有远程控制和监测能力，工作人员可以通过远程控制器和网络实现远程控制和监测，从而提高管理效率和降低管理成本。五是安全性。控制系统需要具有高度的安全性，能够保证操作人员的安全，同时需要保证喷药机的安全运行。六是可靠性。控制系统需要具有较高的可靠性，从而保证长期稳定运行，同时需要具有自动故障检测和报警功能，以便操作人员及时发现和处理故障。

设计人员通过分析基于PLC 的果树喷药机控制系统的需求，可以明确系统的功能和性能要求，从而有针对性地进行设计，最终实现高效、精准、安全、稳定的果树喷药机控制。

3.2 系统总体架构设计

根据果树实际喷药需求，笔者基于PLC 设计了一套果树喷药机控制系统。系统总体架构设计包括硬件系统设计和软件系统设计两个方面。

3.2.1 硬件系统设计。硬件系统设计是指选择适合的硬件设备（如传感器等）实现控制系统的各项功能。硬件系统设计包括以下4 个方面。①PLC 选择。由于控制系统需要实现较高的精度和稳定性，笔者选用高性能的PLC 进行控制，以确保控制系统运行稳定可靠。在选择PLC 时，开发设计人员需要考虑输入输出点数、通信接口、存储容量等因素。②传感器选择。喷药机需要实时感知相关参数，如温度、湿度、风速等，因此需要选用适合的传感器进行实时监测。③执行机构选择。喷药机需要实现液压控制和电机控制等功能，因此需要选用适合的执行机构，如液压缸、电机等。④人机交互界面选择。为了方便操作人员操作和监控，笔者在喷药机上设置触摸屏等人机交互界面设备，用以实现对控制系统的实时监控和参数调整。

3.2.2 软件系统设计。软件系统设计是指基于选定的硬件设备，设计能够实现各项功能的控制程序。软件系统设计包括以下3 个方面。①控制程序设计。基于PLC 编写控制程序实现各项功能，如液压控制、电机控制、传感器数据采集等，同时需要实现程序的自动化控制和故障诊断功能，保证系统运行稳定可靠。②数据处理和通信设计。控制系统需要实时处理各种传感器数据，并将处理后的数据传输到人机交互界面设备，以便进行实时监控和参数调整。因此，笔者需要设计出合理的数据处理和通信方案，保证数据的准确性和稳定性。③软件界面设计。为了方便操作和监控，笔者需要设计适合人机交互界面设备的软件界面，实现对控制系统的实时监控和参数调整，同时需要具有报警提示和故障诊断功能。

3.3 功能模块设计

基于PLC 的果树喷药机控制系统可以分为传感器模块、执行机构模块、人机交互模块、PLC 控制模块和通信模块5 个模块。①传感器模块负责感知果树喷药机的运行状态和环境参数，如喷雾压力、液位、速度、位置等信息。该模块需要具备高精度、稳定性和可靠性，能够在恶劣的工作环境下正常工作。②执行机构模块是指控制喷药机进行喷雾操作的部分，包括喷枪、电机、阀门等。该模块需要具备高精度、高速度、可靠性和耐腐蚀性能，能够满足不同条件下的工作要求［2］。③人机交互模块是指用户与果树喷药机之间的信息交互，包括触摸屏、按键、发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）显示屏等。该模块需要具备简单易用、直观清晰的界面，能够有效提高操作效率和用户体验。④PLC 控制模块是该系统的核心部分，负责控制整个果树喷药机的工作过程。该模块需要具备高速、高稳定性、高可靠性的控制能力，能够实现各个模块之间的协调与控制。⑤通信模块负责与其他设备或系统进行通信，包括传输控制指令、接收运行数据等。该模块需要具备高速、稳定、安全的数据传输能力，能够与其他设备或系统进行无缝连接。

4 控制系统硬件选型和软件设计方案

4.1 传感器模块硬件选型和软件设计

基于PLC 的果树喷药机控制系统需要使用多种传感器进行数据采集和监测，以实现精准的喷药控制。一是需要选用适合果树喷药机的传感器，包括液位传感器、压力传感器、温度传感器及风速传感器等。液位传感器主要用于检测药液的液位，以保证药液喷洒量；压力传感器主要用于检测液压系统的压力变化，以调整药液的流量；温度传感器用于检测药液和环境温度，以避免药液过热或结冰；风速传感器则用于检测风速，以调整喷药方向和喷雾粒径。二是传感器模块的硬件设计需要考虑传感器与PLC 之间的接口方式和数据传输方式，如可采用模拟信号输入、数字信号输入或通信接口方式。三是传感器模块的软件设计包括传感器数据采集和处理，以及数据与控制算法的集成。传感器数据采集需要编写相应的程序实现数据的读取和转换；数据处理可通过滤波、校准等方式实现数据的精确度和稳定性；控制算法的设计需要结合传感器数据进行实时调整和控制，以达到精确的喷药控制［3］。

4.2 执行机构模块硬件选型和软件设计

执行机构模块的设计和选择应根据所需的喷药精度、工作速度、喷药量等要求来确定［4］。针对果树喷药机的特点，在硬件设计方面，笔者选用了步进电机驱动器和相应的传感器模块。步进电机驱动器可以将控制信号转换为脉冲信号，从而驱动步进电机进行精确地旋转。传感器模块则用于检测喷药机的位置、喷雾速度等参数，并将检测结果传回PLC，以便控制系统进行实时调整。在软件设计方面，笔者先进行步进电机的参数设置，包括步数、旋转速度、旋转方向等；随后编写PLC程序，将所需的控制信号转换为脉冲信号，从而控制步进电机的旋转角度；通过读取传感器信号监测果树喷药机的位置、喷雾速度等参数，将检测结果传回PLC进行实时控制和调整。

4.3 人机交互模块硬件选型和软件设计

人机交互模块是用户与系统连接的桥梁。在核心硬件选型上，此次设计采用的是10 寸显示屏及西门子PLC，从而确保控制系统的可靠性和稳定性。在软件设计上，主要包括界面设计、控制逻辑设计及报警设计。第一，界面设计。界面是人机交互模块的重要组成部分。因此，设计人员需要设计出直观、易于操作的界面。设计人员可采用图形化界面，将各个功能模块分别设计成按钮、滑动条等形式。第二，控制逻辑设计。控制逻辑设计是控制系统的关键，需要根据喷药机的实际情况进行设计，将控制逻辑分成自动控制和手动控制两种模式。在自动控制模式下，系统可以根据传感器检测到的环境参数自动调节喷药机的喷雾量、喷雾方向等参数；在手动控制模式下，用户可以通过界面进行手动调节。第三，报警设计。在控制系统中，需要设计报警功能。当系统出现异常情况时，可以通过声音或者特定界面提示用户，还可以设置多个报警级别，根据不同的报警级别进行不同的处理。

4.4 PLC控制模块硬件选型和软件设计

PLC 控制模块设计需要考虑以下3 个方面。一是输入输出模块的设计。在PLC 控制模块中，需要设计合适的输入输出模块，包括数字输入输出模块、模拟输入输出模块等，以满足系统的输入输出需求。二是数据处理模块的设计。PLC控制模块需要对传感器采集的数据进行处理和判断，以便调节喷药机的喷雾量、喷雾方向等参数。在数据处理模块的设计中，可以采用比例-积分-导数（Proportion-Integral-Differential，PID）算法等控制算法对数据进行处理，以达到精确控制的目的。三是程序调试和优化。程序调试和优化可以采用模拟器、在线调试等方式，以确保程序的稳定性和实时性，同时需要对程序进行优化，以提高系统的效率和可靠性。

4.5 通信模块硬件选型和软件设计

在硬件选型方面，目前常用的通信模块有以太网模块和RS-485 模块。以太网模块可以实现高速稳定的数据传输，而RS-485模块则具有抗干扰能力强的优点。果树喷药机在户外作业，存在大量干扰因素。因此，笔者采用RS-485 模块进行通信［5］。在软件设计方面，系统需要编写PLC 程序实现通信模块的功能。程序需要实现与其他模块之间的数据交换和信息传递。例如，系统需要定义数据的格式和传输方式，以确保数据的准确性和稳定性。