基于PLC的新型智能配肥机系统设计

张业鹏，张 明，赵寅峰

（湖北工业大学 机械工程学院，武汉 430068）

0 引言

随着我国经济不断发展，城镇一体化不断推进，实现全面小康社会、解决三农问题是重大问题，针对国家提出农业工业化战略，农业行业向智能化方向发展是一个不可逆转的趋势，现有中国一些农村由于受到地理环境的限制，农业种植还不能做到农业产业化，基本靠个人或者以村为单位实行小规模种植农作物。然而各个地方土壤成分不一样，农作物种植也不尽相同，要使农作物实行精细化种植，合理施肥，保护土壤，节约成本成为一个很大的挑战，针对以上情况，本文所设计的智能配肥机能很好的解决普通农户小规模种植的问题，根据土壤情况和农业专家指导意见进行精细化配肥，节约成本，保护环境，实现低投入高回报的农业种植。

1 智能配肥机总体结构

智能配肥机就是通过开发“智能终端配方施用技术专家系统”，将土壤养分含量、种植制度、作物需肥规律、产量目标等作为肥料配方的关键因素予以统筹管理，整合配肥设备、计算机终端于一体，通过互联网络将农业主管部门、配肥企业和智能终端配肥网点三者紧密结合起来，搭建共同管理、信息共享平台。智能配肥机外观图如图1智能配肥机外观图所示，其结构紧凑小巧，长为3.15米宽为2.18米，总占地面积为6.87平方米，远远小于市场上现有配肥机的平均占地面积，极大的节约了空间。

其内部结构图如图2智能配肥机内部结构图所示。

图1 智能配肥机外观图

图2 智能配肥机内部结构图

智能配肥机主要由机械系统和电气控制系统组成。控制系统的严谨程度，是智能配肥机能否完成一系列功能的关键。电气系统由硬件系统与软件系统组成。

2 智能配肥机内部机构及工作流程

智能配肥机主要完成进料、称量、混料、称量、出料5个基本作业流程，智能配肥机完成一次的工作过程如下所述：

图3 提升机构图

1）将原料放置于倒袋板后，打开原料袋上口。

2）气缸推动倒袋板翻转，将原料倒入运料斗。

3）气缸拉动运料斗提升，将原料倒入上料斗。

图4 上料机构图

4）系统控制上料斗下的出料控制器，控制原料进入称量斗。

图5 进料称量机构图

5）待称量完成后，打开称量斗下方的出料控制器，原料进入混料斗。

6）待所有原料均称量完成并进入混料斗后，启动混料电机，开始混料。

7）待混料完成后，气缸拉动混料斗，将混料斗中的成品料倒入大提升斗。

图6 混料机构图

图7 出料称量机构图

8）气缸拉动大提升斗提升，将成品料倒入大存料斗。

9）系统控制大存料斗下的出料控制器，控制成品料进入大称量斗。

10）待称量完成后，打开大称量斗下方的出料控制器，成品料进入出料口，通过夹袋器装袋。

当智能配肥机接收到上位机控制系统所设定的配肥指标后，便以上述流程完成一次配肥工作。

3 电气控制系统设计

电气控制系统主要由硬件系统和软件系统组成。硬件系统主要由PLC、触摸屏、称重传感器、光电传感器、电磁阀和伺服电机等组成。

系统选用西门子PLC做为主控制器进行智能配肥控制，主要接受和采集外部传感器的信号完成对外部环境的检测作用，控制配肥的伺服电机的启动和停止，各个机构的进出料称量的电磁阀控制，以及各附属机构的控制。选用欧姆龙触摸屏作为人机交互软件，主要与PLC进行通信，实现用户的手动操作与自动操作的功能。

软件系统设计主要包括上位机配肥系统、PLC程序设计和触摸屏程序设计。用户根据土壤检测的成分，启动上位机配肥系统。上位机配肥模式操作流程如图8所示。

图8 配肥操作流程图

依据图8操作流程，进入配肥操作系统后，查找到需配肥农户→选择需配肥田块→依专家推理得出配方→根据进货原料选择是否添加中微量元素（三种还是四种原料）→选择需施用肥料面积→发送订单到配肥订单列表，即可完成上位机配肥配方工作。

PLC程序设计是整个智能配肥机智能化的核心，程序设计是否合理，关乎整个智能配肥机能否自动运行。西门子S7-200系列PLC与其他同类型PLC相比具有更多的输入输出点、更强的模块拓展能力、更快的运算速度、更好的内部集成特殊功能。根据需要，本文选用西门子S7-200CPU226作为主控制器，使用西门子STEP7 MicroWIN V4.0进行编程。PLC程序主要包括启动停止模块，手动模块，自动模块，输入输出模块，报警模块等5个模块。智能配肥机生产程序设计流程图如图9所示。

欧姆龙触摸屏作为人机交互软件，使用其自带的编程软件NB-Designer进行编程，主要程序设计包括设备初始化，界面程序编写，参数设置，模式选择和系统管理等部分。由于操作简单，性能稳定，能在极端恶劣的条件下工作，适合普通工人在工厂操作使用。

4 运行调试及指标检验

经过调试后实际投入使用，智能配肥机能够稳定运行，安全无故障生产，无意外事故发生，整机工作功率消耗小于5千瓦每小时，能连续24小时不间断工作，生产的成品肥料混合均匀，符合抽样标准，达到每小时2～3吨配肥生产量，最多能够实现5种原料配肥，且成品肥料包装精度为±0.5%。日产量为人工十倍，用户经过简单培训，就可以安全生产。这套基于PLC的智能化配肥机具有高度自动化水平，能够在十分恶劣的环境工作，能够实现所有的设计要求和指标。

图9 PLC程序流程图

5 结束语

本文研制的基于PLC的全自化智能配肥机结构严谨，特点突出，运行可靠，人机交互性能优越，适合绝大多数普通用户及企业的生产环境，具备极好的柔性化制造功能，能满足产品多样化的需求。同时该系统还具备高度的自动化水平，能大幅度降低企业的运营成本，大大减少工人劳动强度，生产效率和产能显著提高，符合国内用户实际生产需求，具有广阔的市场前景。

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