PLC 控制技术在农业机械电气控制系统中的应用效果和可靠性分析*

闫兴瑞

（酒泉职业技术学院，甘肃 酒泉 735000）

随着社会经济水平的不断提升，我国农业机械化程度不断提高，但是，目前部分地区农业机械生产仍然依赖于人工作业模式，对自动化控制系统的推广和应用不足[1]。在这样的背景下，本文以农业机器人电气控制系统、全自动码垛机电气控制系统为案例，研究PLC 控制技术在农业机械电气控制系统中的应用效果。强化对PLC 控制技术的应用具有重要意义，可以促使农机智能控制程度不断提升，推动农业生产向智能化、数字化方向不断发展[2]。

1 PLC控制技术概述

1.1 PLC控制技术定义与特点

可编程逻辑控制器（P r o g r a m m a b l e L o g i c Controller, PLC）控制技术作为一种常用的电子计算机技术，被广泛地应用于自动化控制领域。运用该技术，可以对机器和设备的运行过程和状态进行实时化、智能化控制，提高产品智能化生产程度[3]。中央处理器（CPU）作为PLC 的重要组成部分，借助输入输出接口，与外部设备之间建立良好的通信关系，并严格按照预设的逻辑规则智能化控制设备。借助编程软件，可直接编写和修改PLC 程序，从而满足不同应用场景。另外，PLC 控制技术具有易编程、可靠性高、功能强大等特点，在农业机械电气控制系统中凸显出重要应用价值[4]。在应用PLC 控制技术时，可借助PLC 控制系统，智能化管控农业机械电气控制系统运行性能，实现农业机械数据的自动化采集和分析，为保证农业生产的精确性和高效性提供重要的技术支持。

1.2 PLC控制技术分类

目前，PLC 控制技术主要分为以下两种类型：1）现场总线控制系统。该系统内含有海量的网络节点，通过将其应用于农业机械电气控制系统中，可以实现对数据的高效化、精确化传输，为保证设备生产质量和效率提供一定的辅助性作用，同时，还提升了电气控制系统的网络通信性能。2）分散控制系统。该系统主要适用于集中式控制、危险性管理等领域。该系统综合运用了通信技术、人工智能技术和物联网技术等现代化技术，借助稳定良好的网络环境，确保生产部门与建设站之间形成良好的互通互联关系，以达到统一化管理重要信息的目的。

2 PLC 控制技术在农业机器人电气控制系统中的应用

2.1 系统设计

2.1.1 农业机器人智能控制结构设计

该农业机器人作为一种常用的水果采摘机器人，主要用于对水果的智能化采摘。该农业机器人电气控制系统主要由伺服单元、末端执行器、机械手、机器视觉系统等部分组成。农业机器人电气控制系统工作流程如下：首先，在履带式行走机构的驱动下，农业机器人快速前进并移动到果树前，由机器视觉系统利用工业相机完成对所有果树水果图像的拍照，并按照所设置好的顺序，对末端执行器与待采摘水果位置之间的距离进行精确化计算，然后对采摘机械手采摘路线进行科学规划。当末端执行器精确移动到待采摘果树目标位置前，工业相机可自动完成对目标果实图像的拍摄，并对果树的重心进行有效提取，然后对下次采摘目标移动路线进行科学规划，为下个果实的自动化采摘打下坚实的基础。总之，农业机器人会严格按照上述步骤进行循环处理，当目标区域内的所有水果全部采摘完毕后，可自动移动到下一个采摘区域中，从而达到智能化采摘果实的目的[5]。

2.1.2 PLC控制系统设计

PLC 控制系统属于农业机器人电气控制系统的重要组成部分。应用PLC 控制系统，不仅可以智能化控制末端执行器，还能确保各个工控机中上位机之间建立良好的通信关系。在PLC 控制系统软件中，主要包含4 个程序段，其中：程序段1 为故障报警控制；程序段2 为变频电机驱动控制；程序段3 为行走控制；程序段4 为目标果实识别定位。PLC 控制系统主程序框图如图1所示。

2.1.3 WinCC 上位机监控系统设计

在农业机器人电气控制系统中，为确保各个远程上位机之间建立良好的通信关系，需要借助视窗控制中心（Windows Control Center, WinCC），提高农业机器人监控系统运行性能。农业机器人监控系统在具体应用时，需要借助WinCC，确保工控机与农业机器人之间形成良好稳定的信息共享关系。WinCC 和农业机器人通信流程如图2所示。

图2 WinCC 和农业机器人通信流程

2.1.4 驱动系统模块设计

在农业机器人中，借助变频器，可以驱动各个关节进行有效移动，为保证对农业机器人各个关节控制的精确度，需要在各个关节部位安装和固定相应的电机。为保证农业机器人的实际应用效果，需要做好对农业机器人生产成本的控制。所以，在设计驱动系统模块时，优先选用ZVF9V-Z型号变频器，从而实现对电动机驱动控制系统的搭建。为保证驱动系统的定位精确度，避免驱动系统运行期间出现振荡问题，需要采用半步工作方式进行运行。

2.2 系统应用效果

当农业机器人电气控制系统设计完成后，需要对该系统的有效性和可靠性进行验证和测试。通过进行多次果园采摘测试，发现农业机器人均可以完成果实采摘目标，取得良好的采摘效果[6]。与人工采摘模式相比，应用农业机器人电气控制系统，有效地提高了果实的采摘速度，同时，该电气控制系统表现出运行稳定可靠、抗干扰能力强等特点。

3 PLC 控制技术在全自动码垛机电气控制系统中的应用

3.1 系统设计

全自动码垛机电气控制系统工作原理如下：借助回转气缸、翻转机构、平移机构等多个机构，全面码垛处理目标作物秸秆[7]；借助限位开关，精确化、智能化控制码垛机各个部分；利用各类传感器，检测和判断各个机构是否运动到预设的位置。应用全自动码垛机，可以识别农作物秸秆料包大小，并对其姿势进行科学调整，以达到码垛处理物料包的目的。全自动码垛机电气控制系统设计内容如下。

3.1.1 I/O端子分配

结合该电气控制系统的输入信号和输出信号，分配处理PLC 的I/O 端子。在进行输入点分配时，将I0.0、I0.1、I0.2 分别设置为启动、停止、急停三种状态；将I0.6、I0.80、I2.2 分别设置为进料正极限、进料反极限、运输带正极限。在进行输出点分配时，将Q0.6、Q0.7、Q1.2 分别设置为运输带电机、回转电机正转、回转电机反转；将Q1.3、Q1.7 分别设置为提升电机正转、提升电机反转[8]。

3.1.2 变频调速控制系统

在全自动码垛机中，需要智能化调整和控制输送机速度和回转马达的转动速度，同时，还要保证该系统具有宽泛的调节区间。为保证速度控制模块设计和实现效果，需要结合实际应用需求，借助变频调速控制系统，对相关机构的速度进行智能化调整和控制。变频调速控制系统运行原理如下：借助PLC，从系统屏幕上获取用户所设置的码垛速度，然后，对码垛速度进行换算，使其换算为对应的作业频率。接着，借助PLC，对变频器脉冲值进行调整，以达到智能化控制电机变频速度的目的。

3.1.3 伺服驱动系统

在全自动码垛机电气控制系统中，借助运输带，需要将物料传输和发送至方便抓取手搬运的位置，然后，再次返回到原始位置，为下次传输操作做准备。此外，运输带在运行期间，必须保证所运输的物料精确地转移到所设定好的位置。为保证运输带位置控制的精确度，需要运用交流伺服控制系统，精确化控制运输带的移动位置。在设计伺服驱动系统时，运用PLC 控制器，完成对伺服驱动器脉冲频率的精确化设置，从而达到智能化、精确化控制伺服系统转动速度的目的[9-10]。伺服驱动系统在具体运行时，需要借助PLC 控制器，参照脉冲个数，智能化控制电机转动角度，从而快速、精确地确定驱动设备当前运动位置。伺服电机设计原理如下：在PLC 脉冲输出模式下，伺服电机借助同步齿形带，驱动传输带精确地运行至指定位置，并借助定位器实时检测传输位置是否正确。

3.1.4 PLC程序流程

在全自动码垛机电气控制系统中，借助PLC控制器，可以智能化控制运输带传输、抓取夹夹紧、抓取夹松开三个环节。该电气控制系统软件控制流程如下：1）进行I/O 初始化处理，确保PLC 控制器处于正常启动状态；2）借助PLC 控制器检测上料是否成功，如果成功，自动启用运输带，反之，则上料失败，需要再次进入上料检测环节；3）检测上料是否到位，如果到位，提升电机缓慢下降，并借助抓取夹快速夹紧气缸，然后，提升电机缓慢上升，抓取夹置于松开状态，码垛操作圆满完成。PLC程序流程如图3所示。

图3 PLC程序流程

3.2 系统应用效果

当全自动码垛机电气控制系统设计工作完成后，需要对该系统的有效性和可靠性进行验证。将该系统应用于某农场中，经过系统多次操作测试，发现应用全自动码垛机可自动码垛处理目标物料，同时，还能借助变频器，智能化控制码垛机平移机构的运行速度。经过测试验证，发现该系统具有响应速度快、抗干扰能力强等特点，完全满足实际应用需求。

4 结语

综上所述，将PLC 控制技术科学地应用于农业机械电气控制系统中，可以有效优化和完善农业机器人、全自动码垛机等机械的功能，提高这些电气控制系统的运行性能和效率，促进我国农业向自动化、智能化方向不断发展。相关人员在实际工作中，应实时关注和把握当前PLC 控制技术应用情况，并严格遵循科学合理原则，按照统一化应用标准，结合实际应用需求，不断地优化和完善农业机械电气控制系统设计方案，提高电气控制系统运行稳定性和可靠性。