基于PLC 的小型智能喷药机控制系统的研究*

王炯锡 ，胡天让 ，陈立涛 ，孙丽萍 ，陈创业 ，孔 祥

（甘肃畜牧工程职业技术学院，甘肃 武威 733006）

农业是国民经济的重要支柱，而喷药机作为现代农业生产中必不可少的农业机械之一，其精准、高效的喷药操作对农业生产的质量和效益有着至关重要的作用。传统的手动喷药方式存在着喷药量不精确、喷药范围难以控制、工作效率低等问题，严重影响着农业生产的质量和效益。为解决这些问题，研发一种高效、可靠的喷药机控制系统成为当前研究的重点。而基于可编程逻辑控制器（PLC）的小型智能喷药机控制系统作为一种现代化的农机控制技术，具有精度高、稳定性好、操作简单等优点，越来越受研究者和农民的青睐。因此，本研究旨在通过基于PLC 的控制系统设计，实现小型智能喷药机的精准调节、智能控制和稳定运行，提高农业生产的质量和效益，以期为推动农机智能化、提高农业生产水平和经济效益作出积极的贡献。

1 基于PLC的小型智能喷药机控制系统研究意义

小型智能喷药机控制系统的研究意义主要表现在以下几个方面：1）提高农业生产效益。传统的手动喷药方式存在着喷药量不精确、喷药范围难以控制、工作效率低等问题，严重影响着农业生产的质量和效益。基于PLC 的小型智能喷药机控制系统可以实现喷药量的精准调节和喷药范围的智能控制，提高了喷药的准确性和工作效率，降低了喷药成本，从而提高了农业生产效益。2）推进农机智能化。随着信息技术的不断发展，智能化农机的研究和应用已经成为农业生产的一个重要方向。基于PLC 的小型智能喷药机控制系统可以实现自动化、智能化的喷药操作，为农机智能化的推广和应用提供了可行的技术手段，推动了农业生产的绿色化。综上所述，小型智能喷药机控制系统的研究对于提高农业生产效益、降低喷药成本、推进农机智能化和推动农业生产的绿色化具有重要的意义和价值。

2 PLC基本工作原理

可编程逻辑控制器（PLC）是一种现代化的数字化控制设备，广泛应用于工业自动化领域。其基本工作原理是将用户需要控制的各种输入信号（如传感器信号、按钮信号等）通过输入模块输入到PLC 中，然后经过PLC 内部的逻辑处理、运算和控制输出模块，从而实现对各种执行器（如电机、气缸等）的控制。PLC 具有可编程、可扩展、可靠性高、响应速度快等优点，因此被广泛应用于各种自动化控制系统中。PLC 的基本工作原理可以简单地描述为3 个步骤：输入、处理和输出。

1）输入：PLC 的输入部分由输入模块组成，用于接收各种外部输入信号，例如开关、传感器、编码器等，将这些信号转化成数字信号，输入到PLC 的中央处理器（CPU）中。PLC 根据输入信号的状态来判断工作状态，实现自动控制[1]。

2）处理：PLC 的中央处理器（CPU）负责处理输入信号，根据程序逻辑进行运算和处理，最终产生相应的控制信号输出到输出模块中。中央处理器的处理过程由3 个部分组成：存储器、算术逻辑单元（ALU）和控制单元（CU）。

3）输出：PLC 的输出部分由输出模块组成，用于输出控制信号到各种执行器（如电机、气缸等），从而实现对各种设备的控制。PLC 的输出模块通常使用继电器或半导体开关，可以根据需要灵活选择[2]。

3 基于PLC的小型智能喷药机控制系统设计

3.1 系统总体设计

基于小型智能喷药机应用场景需求和PLC 自动控制理念对系统整体框架进行架构设计，如图1所示。系统主要由4 个模块组成：信息采集模块、可编程控制模块、执行模块和人机界面。信息采集模块主要由一系列传感器收集果树相关信息，如流量传感器、速度传感器、红外线传感器等；可编程控制模块是由PLC控制，该模块是控制系统的核心，起到分析数据、处理数据的作用；执行模块由电磁阀和调节阀组成，控制果树喷洒流量、喷洒压力等；人机界面主要由触摸屏构成，实现喷药机控制系统的控制与监测[3]。

3.2 传感器设计

在小型智能喷药机控制系统中，传感器是不可或缺的部分，它可以采集系统所需的各种信号，如温度、湿度、压力、位置、速度等。传感器的设计对于小型智能喷药机控制系统的稳定性和精度具有重要影响。

温度传感器是小型智能喷药机控制系统中常用的传感器之一，可以用来检测液体或气体的温度，常用的温度传感器有热敏电阻、热电偶等。液位传感器是小型智能喷药机控制系统中用于测量液位高度的传感器，常用的液位传感器有浮球式液位传感器、压力式液位传感器等。压力传感器是小型智能喷药机控制系统中用于测量压力的传感器[4]，常用的压力传感器有压阻式传感器、电容式传感器等。位置传感器是小型智能喷药机控制系统中用于测量位置的传感器，常用的位置传感器有光电式传感器、霍尔传感器等。速度传感器是小型智能喷药机控制系统中用于测量速度的传感器，常用的速度传感器有霍尔传感器、光电式传感器等。

在设计过程中，应该选择适合的传感器，综合考虑传感器的精度、稳定性、响应速度等因素，以确保传感器的性能能够满足小型智能喷药机控制系统的要求。此外，还需要将传感器与PLC 进行连接，并编写相应的程序，以确保传感器数据能够被正确地采集和处理。

3.3 PLC主控板设计

PLC 主控板是整个系统的核心部分，负责控制和协调各个部件的工作，包括传感器、执行器、人机界面等。在设计PLC主控板时，需要注意以下几方面：

1）需要选择适合的主控芯片。常用的PLC 主控芯片有德州仪器（TI）的TMS320 系列、富士电机的MICREX-SX 系列等。选择主控芯片时，需要考虑系统所需的性能和功能，如运算速度、存储容量、输入输出接口等。

2）PLC 主控板需要稳定可靠的电源供应。电源电路的设计应该考虑到系统所需的功率、电压等因素，以确保系统的稳定性和安全性。通常采用稳压电源电路，以保证输出电压的稳定性。

3）PLC 主控板的输入输出接口应该与各个部件相连接，以实现数据的传输和控制。常用的输入输出接口有模拟输入输出接口、数字输入输出接口、通信接口等。在设计过程中，需要考虑到接口的数量、类型、接口电平等因素。

4）通信接口是PLC 主控板的重要组成部分，它可以与其他设备进行数据交换和控制指令的传输。常用的通信接口有RS232、RS485、以太网接口等。在设计过程中，需要考虑到通信协议、通信速率、数据传输方式等因素。

5）PLC主控板的程序设计是实现系统控制和协调的关键步骤。程序设计应该根据系统功能需求，编写相应的程序，包括数据采集、处理、控制指令输出等。

在PLC 主控板的设计过程中，需要充分考虑系统的稳定性、可靠性和可扩展性。为了确保系统的性能，需要进行系统测试和调试，并对设计进行优化和改进。此外，还需要充分考虑系统的安全性和保密性，以确保系统的可靠性和稳定性[5]。

3.4 人机界面模块设计

人机界面是小型智能喷药机控制系统中重要的一部分，它提供了用户与系统交互的方式。在基于PLC 小型智能喷药机控制系统的设计中，人机界面模块设计应该考虑到用户操作的便利性、界面的美观性、信息的直观性等因素。

1）在人机界面模块设计中，显示屏是人机界面模块的核心部分，它可以显示系统状态、参数、操作指令等信息。在设计过程中，需要考虑到显示屏的分辨率、尺寸、显示方式等因素。通常采用液晶显示屏，以实现高清晰度、低功耗、易于维护等目的。

2）操作按钮是人机界面模块的重要组成部分，它可以通过按钮的方式输入操作指令，以实现系统的控制和调整[6]。在设计过程中，需要考虑到操作按钮的数量、位置、形状等。通常采用触摸按钮，以实现精准、便捷的操作。

3）蜂鸣器是人机界面模块的辅助部分，它可以通过声音的方式向用户提供系统状态、警告等信息。在设计过程中，需要考虑到蜂鸣器的声音大小、音调等，以实现清晰、易于辨识的声音提示[7]。

4）人机界面模块还可以包括其他辅助部件，如LED 灯、键盘等。LED 灯可以通过不同颜色的灯光表示不同的系统状态；键盘可以提供更多的操作方式和参数输入方式。

在人机界面模块设计过程中，需要考虑到用户的操作习惯、视觉需求等因素。为了实现良好的用户体验，需要进行用户测试和反馈收集，并对设计进行优化和改进。

3.5 软件设计

在基于PLC 小型智能喷药机控制系统的设计中，PLC 编程设计是至关重要的一环，它直接决定了系统的运行效率和准确性。以下将从PLC 编程的基本结构、PLC 编程语言和PLC 编程设计的流程等方面进行阐述[8]。

1）PLC 编程是基于图形化的编程界面进行的，其中PLC 程序包含多个模块，每个模块都是由一系列的程序指令构成。PLC 程序的基本结构包括输入模块、输出模块、中间模块和功能模块。其中，输入模块用来读取传感器的状态信息；输出模块用来控制执行器的动作；中间模块用来实现数据处理和逻辑运算；功能模块用来实现特定的功能需求。

2）PLC 编程语言包括多种类型，如梯形图、函数块图、指令列表、结构化文本等。在基于PLC 小型智能喷药机控制系统的设计中，通常采用梯形图和函数块图。梯形图是一种图形化的编程语言，用来实现逻辑运算和数据处理，通过连接和组合不同的逻辑元件来实现复杂的控制任务。函数块图是一种结构化的编程语言，可以实现更加复杂的逻辑运算和数据处理，通过函数块之间的连接和调用来实现功能的分配和协调[9]。

3）PLC 编程设计的流程包括需求分析、概念设计、详细设计、编程实现、测试调试等多个环节。需求分析是指对系统需求和功能进行详细分析和定义，包括系统的输入输出、控制逻辑、数据处理、故障处理等方面。概念设计是在需求分析的基础上，对系统的整体结构和功能进行设计，确定各个模块之间的关系和数据流动。详细设计是对概念设计进行细化和具体化，确定各个模块的具体实现方式和程序指令。编程实现是将详细设计转化为PLC程序的实现，包括选择编程语言、编写程序指令、设置变量和调用函数等。测试调试是对编程实现进行测试和验证，检查程序的正确性和稳定性，保证系统能够正常运行[10]。

4 结论

随着现代农业的发展，农业生产中使用的农药和化肥数量越来越多，这些农药和化肥在不当使用时容易造成环境污染和农产品污染，甚至对人体健康造成危害。因此，开发一种能够精确控制喷洒量和喷洒方向的小型智能喷药机控制系统是十分必要的。本研究设计的基于PLC 的小型智能喷药机控制系统可以实现农药和化肥的精准喷洒，并减少农药和化肥的浪费和污染，以提高农业生产效益和农产品质量。此外，小型智能喷药机控制系统还可以应用于城市园林、果园、葡萄园、大田等多种作物的喷洒和施肥作业中，具有广泛的应用前景。