农业机械电器控制原理的升级改造

谢艳艳

（内蒙古机电职业技术学院，内蒙古 呼和浩特 010070）

如今是农业经济转型高质量发展的关键时期。农业智能化是现代化农业的发展趋势，也是现代化农业发展的必然选择［1］。电器控制在农业自动化发展进程中发挥着不可替代的作用。而可编辑逻辑控制器（Pngraunmable Logic Controller，PLC）作为电器控制流程中最具代表性的技术，被广泛应用于农业机械电器控制领域［2］。然而，由于历史发展的局限性和经济的水平差异性，我国农业自动化发展进程相对缓慢，并长期面临推广难、应用难等现实窘境［3］。面对这一现实问题，学术界已经进行了相关研究并取得了一定成果。朱焕立等设计开发了基于土壤信息采集的自动化控制系统。该系统通过墒情传感器实时检测土壤参数，并通过中央控制系统依据事先设定好的决策模型控制灌溉泵机的开启和关闭，以实现自动灌溉，大幅度提升了农田灌溉效率和用水节约能力［4］。闫兵研究设计了一种智能生态环境测量仪表，能够对农田中的土壤、空气等条件进行探测，并通过内置的全球定位系统（GPS）对海拔、方位等参数予以汇报［5］。付焕森等在前人研究的基础上，通过组合运用PLC 技术及无线通信技术等技术手段，实现了基于PLC 的全球移动通信（GSM）报警系统［6］。该系统能够实时发送远程环境参数，自动执行接收的相关指令，有效提升了农民的工作效率，减轻了农民的工作负担，提高了农地作物的产量和质量。魏国莲等运用多种技术研究制作了自动化果蔬收取机器人，试验后发现该机器在大棚环境下整体正确识别率高达90%，无损伤收取达成比率约为68.5%，具有较强的可靠性，能够适应各种复杂条件的实际生产工作［7］。但是梳理已有文献发现，学者对于农业机械电器控制方面的研究较少，对于农业机械控制原理升级层面的研究更是欠缺。因此，本研究以农业机械设备中最具代表性的播种机为实例，探讨PLC 在机械控制中的应用原理，并针对PLC 实际应用中的装置顺序启动、延时控制、IO 设计等方面提出升级改造方案，以期为PLC 技术在电器控制领域的应用提供建设性意见。

1 农业机械中的PLC技术

1.1 技术概念

PLC 技术是一种可编程控制器技术，广泛应用于各个工业控制领域。随着近年来国家推动农业现代化进程，我国农业机械化水平显著提升，基于PLC的农业自动化设计成为业界广泛关注的焦点［8-9］。分析PLC 技术特点可知，该技术能够通过预先设定好的存储程序，完成机械数据计算、机械运行计时等功能［10-11］。

1.2 参数

PLC 由中央处理器、输入口接口、通信接口、可扩展接口、智能接口、存储器和智能单元等硬件构成，其性能指标包括存储容量、输入/出点数、扫描速度、智能单元的数量和扩展能力等。编程语言方面主要包括PLC常用指令表、状态流程图、梯形图等。多种语言的应用配合为PLC 电气控制系统的程序表达提供了方便，同时也为系统属性和功能的优化设计提供了更多可能。

1.3 技术应用

在农业机械中合理应用PLC 技术，能够实现对农业生产活动的智能控制，有效降低原有农业生产的人力需求和实践需求，为农业经济发展提供驱动力。而为充分发挥PLC 技术的功能特点，在进行农业机械控制研究过程中，需要与传统工业中的PLC 控制程序在逻辑上保持一致。与传统PLC 不同的是，将PLC 应用于农业机械领域，需要严格执行农业机械适用守则，在保证设备运行流畅的前提下，提升农业机械电器的控制质量与控制效率。分析农业生产特点可知，农业机械要求的精密度远低于工业机械的精密度。因此，在PLC设计过程中，要尽量兼顾实用性和成本控制原则，确保PLC 技术能够合理应用于农业生产活动中。值得注意的是，PLC 具有抗干扰性强、操作灵活、适应性和稳定性好等技术特点，这也是PLC之所以能够成为内燃机车电气控制系统的重要原因［12］。应用PLC可以实现对内燃机车电气控制系统功能的延展，优化系统设计，提高系统工作的可靠性、安全性，简化系统结构及线路设计，从而方便系统安全、调试和检修。就抗干扰层面而言，在PLC原有抗干扰设计基础上，此次研究为尽可能消弭电源干扰对试验结果带来的影响，采取电源线平行走线，促使电源线对大地呈现低阻抗，以减少电源噪声干扰。输入、输出线应用双绞线且屏蔽层应可靠接地，以抑制共摸干扰。就操作灵活层面而言，此次研究为保证最后设计出来的系统具有较强的场景应用型，针对农业特定场景进行一定改良，既保证了机械的可操作性和可控制性，又能够保证不会对原有PLC板功能造成损害。

2 PLC技术在农业机械中的控制原理

2.1 PLC应用原理

此次研究选用西门子PLC 控制器，探究PLC 应用原理。研究过程中，由农业机械电池提供电源，总体控制部件包括中央处理器、编程器、存储器、I/O设备以及一定数量的扩展槽（见图1）。PLC的核心部件为CPU，其上分布的数据输入与输出点分别有10、14 个，完全满足农业机械控制要求。具体而言，此次研究选用的PLC 控制板分布有7个扩展槽，能够将输入点和输出点增加至168路数字量和35 路模拟量。人机接口用于参数设计和运维数据控制。外部感知设备收取信息经由A/D转换器改变为数字信号后传输至中央处理器形成控制指令。中央处理器形成的控制指令再传输到D/A 转换器变为模拟信号，传输到相应的执行设备上。

图1 PLC控制部件

2.2 机械控制原理

以农业播种机械为例，探讨PLC 在农业机械控制中的工作原理。首先，在对应农业机械上安装型霍尔传感器，收集行进过程中的脉冲信号，并传输至PLC处计算和控制播种机械运转速度。与此同时，在导种管末尾处安装2个光电传感器，利用2个光电传感器发出的对射红外线采集种子下落产生的信号。具体原理为没有捕捉到种子信号时光电传感器维持低平正常电信号；当有种子经过时，光电传感器捕捉相关信息，产生高平电信号。基于此原理，此次研究为光电传感器设置程序，即当低平信号持续2 s 时，PLC 报警种子已排空。当高平信号持续2 s时，PLC报警导管堵塞。当出现上述状况时，PLC向声光报警器发送信号，启动报警以提示故障。其控制原理如图2所示。当播种机械正常运转后，PLC可依据播种机械前进速度和信号间隔时间计算播种速率和瞬时播种量。当播种速率和瞬时播种量与预先设定的数值不同时，PLC产生相关控制指令，及时纠正播种过程。

图2 控制原理

3 PLC技术在播种机电器控制中的应用设计

3.1 PLC的电气自动化控制系统架构

在播种机从事农业生产的过程中，需要在播种过程中及时完成耕地、填土、灌溉等工作。采用PLC技术对播种机进行自动化控制的过程中，需要首先对农业机械执行的各个过程完成基本控制调节，以此为基础对整个电器控制系统进行优化升级。以播种机为例，在其PLC 自动化控制中，主要包含启动、停止、I/O 接口等各个装置。PLC 系统通过各类I/O 接口实现各个部件与主机的链接工作，实现与主机间的实时通信。在这一机制下，控制主机能够快速、便捷地下达相关指令，精准接收各子部件反馈信息。而后，控制主机能够通过各子部件的反馈信息计算实际播种情况，进而对耕地、排种、报警、填土和灌溉等流程实现控制，保证播种工作顺利完成。

3.2 各装置顺序启动

在农业生产实践中，播种机执行的各项生产活动需要由对应的精细流程加以控制，以保证工作的有效性和准确性。在PCL 控制系统中，研究人员通过对相关模块进行程序编写，能够实现对播种机各类部件实现算法层面的控制。运用程序控制播种及执行的意义在于，PCL控制系统在生产进行时，动态对比现行执行流程，保证农业生产流程严谨、快速进行，确保播种质量。具体执行流程为首先感知模块，将感知到的生产信息发送到控制主板中，控制主板在判定当前信息显示的机械活动类型后，发出对应指令信号，并通过电磁线圈的通电断电效应实现对机械各部件动作控制。在对机械系统各个装置顺序延时启动流程进行控制之前，需对其进行初始化核查，保证系统运行的流畅性。

3.3 各装置延时控制

在播种机械运作的各个流程中，PCL 控制系统需保证机械各个部分精准执行，实现精细化播种。在这一过程中，播种装置的延时性控制尤为重要。一般装置延时性控制表现为循环等待过程，并在过程中反复接收相关延时控制讯号。在特定时间段内，PCL 控制系统将控制等待信息存储到自带的数据存储装置中，并在约束条件完成的条件下将指令信息再次调出，实现对应动作的细节化控制。这一控制模式下，PCL 控制系统能够实现多任务并发情况下的机械稳定运行。这一控制机制下，播种机执行完当前动作流程后，控制板会发出控制指令，停止当前活动，并启动下一活动流程。以播种机排种为例，当在控制系统设置好具体排种时间后，会基于排种时间对机械动作进行调整。当播种机完成上一操作后，播种机将会进入暂停状态。直到判定当前任务为播种动作，机械才会进入排种流程，如此反复。

3.4 I/O端口信号

在整个农业机械控制系统中，动作信号均由I/O端口发出和接收。因此，只有重新对端口信号进行定义，才能保证系统通信正常运转。一般而言，PLC控制板的I/O端信号被定义为输入输出2 种信号，并经由位移传感器进行信息转换，从而对播种机各子部件的使用情况进行控制，达到对播种活动的精确控制。在此次试验过程中，研究人员将I/O通道分配为内部通道与外部通道。其中，外部通道主要设计为输入、输出通道，用于与其他机械设计模块进行信息联结和沟通。与此同时，在内部通道设置了特定的继电器以代传统触点控制形式。具体来看，该研究将传输通道编码设定为十三进制数字。在实际使用过程中，当需要改变通道物理地址时，只需要进一步为其增加两位十进制数字即可。这一模式大大增加了PCL 的I/O模块运行速率以及可扩展性。

4 结语

“十四五”时期是我国实现乡村振兴战略的关键五年。值此时机，发展农业机械自动化既有利于实现农业经济高质量转型，也有利于推动农业现代化进程。然而，在农业机械化发展过程中，技术壁垒高，设备应用窄，农业从业人员素质不高等问题异常突出。因此，实现农业自动化、机械化对农业发展具有重大意义。在推动农业机械化、自动化过程中，PLC 融合了计算机与自动化技术，所以在实际应用的过程中，其会体现出其他技术并不具备的优势，如在抗干扰方面表现出能够面对多种情况的特性。基于PLC控制系统对于基础系统性能和功能的优化，笔者建议农业企业一定要积极探索PLC控制系统，并推广可编程控制器的应用。

伴随国家互联网技术的逐步发展，人工智能、大数据、区块链等现代技术逐渐深入各个领域。农业是我国的支柱性产业，新技术局的应用能够大大提高农业生产效率。相信在不久的未来，农业自动化将会被应用于农业产业的各个方面，实现农业现代化发展。