PLC小型农用喷药机控制系统

冯尚涛

传统的手动喷药方式一是工作效率低，浪费劳动力，而且对人体健康有一定影响；二是不容易控制药量，药量多了易使病虫产生抗药性，农药残留较大，也会造成土壤环境污染。针对这种情况，本研究设计了一套智能高效控制系统，这个系统是基于PLC设计研究的，可以实现农药智能控制和精确调校的功能。

一、研究的意义

现代化农业与传统农业相比有两大特点，一是数字化；二是信息化。就小型农用喷药机控制系统而言，一方面PLC电子设备控制系统应用在农用喷药机械上，可以轻松实现智能化和自动化；另一方面可以有效提高农业生产效率。传统方式下，喷药量、喷洒区域均难控制，效率又低，而带有PLC电子设备控制系统的农用喷药机则能完美解决这些问题。

二、PLC逻辑控制器工作原理

PLC为可编程逻辑控制器的简称，是一种电子控制设备，广泛应用于自动化领域。PLC一般由CPU、输入接口、存储器、通信接口、输出接口和扩展接口组成。

PLC的工作过程最基本的有三步，输入信号、处理信号、输出信号。常见的输入装置有开关、按钮等，通过这些装置，就把外部的信号先转换成数字信号，再输入到PLC内部，也就是CPU内。接下来就是处理，CPU会计算和处理输入的信号。最后，再把控制信号输出到对应的装置上，也就是执行器上（常见的有气缸），这就实现了装置的控制作用。

三、智能农用喷药机控制系统总体设计

（一）整体设计框架

根据应用场合及PLC的控制特点，其设计框架相对简单，整个系统由人机界面、PLC控制装置、信息采集装置、执行装置四个部分组成（见上图）。信息采集装置由多个传感器构成，比如速度传感器、压力传感器等；PLC控制装置是整个控制系统的核心，它的功能是分析接受的数据；执行装置的主要部分有调节阀，以及电磁阀，其作用是控制农药液体的流量和压力等；人机界面是用户的操作界面，主要部件是触摸屏，方便用户操作和监控喷洒条件以及喷药情况。

（二）传感器的选择和设计

在这个系统中，传感器是很重要的组件，它的功能是采集各种信号，比如说位置、温度、速度等。传感器影响着控制系统的稳定，同样影响着其精度。

在整个系統设计过程当中，传感器的选择要综合考虑其响应速度以及其精度等，保证选择的传感器能够满足整个系统的稳定性。另外需要注意，传感器最终要连接到PLC上，这样才能保证传感器传输的数据能正常处理。

（三）PLC控制装置设计

农用喷药设备控制系统中最重要的部分就是PLC控制装置，它就像整个系统的大脑，控制其他装置工作，其他装置包括人机界面和执行装置等等，在设计PLC控制装置时，要密切注意如下几点：

1.主控芯片的选择。要考虑其运算能力、接口、存储量等因素。比如中控的DCS ECS-100的ARM芯片，意法半导体公司（ST）的STM32芯片，美国TI（德州仪器）产的DSP芯片，都是比较常用的芯片。

2.PLC控制装置的电源。选择电源要考虑整个喷药装置需要最大功率，最大电压，这样才能保证喷药装置的安全和稳定。PLC控制装置的电源分为直流电源，组态电源和交流电源等类型。

3.PLC控制装置的输入接口和输出接口。选择输入接口和输出接口时，要考虑需要连接多少组件，这些接口的功能，有的传送模拟信号，有的是用于通信。还要考虑需要用到多少接口，确定好用什么类型的接口，才能选择合适的接口进行组装。

4.通信接口的选择。PLC控制装置的一个重要部件是通信接口，它的功能是实现数据交换，传输指令。在选择时，考虑的因素有通信速率，传输数据的方式等。

5.PLC控制装置的程序。设计时既要考虑整个喷药装置的功能，又要考虑装置的可扩展性。程序要能顺畅处理数据和控制指令的执行，最终目的是确保系统稳定和安全。

（四）人机界面的设计

人机界面是使用者和机器交互的方式，是喷药装置的重要组件。人机界面设计时，要考虑以下几个方面：

1.选择合适的显示屏。显示屏功能是将系统的主要参数直观地呈现在操作人员面前。选择显示屏时要考虑尺寸大小、分辨率等参数。小型农用喷药机一般选择液晶显示屏。

2.蜂鸣器。其功能是系统处在某些关键状态时，以声音方式向用户提醒。设计蜂鸣器时要考虑声音分贝、清晰度等因素以保证使用人员能够及时、清晰地得到来自系统的反馈。

3.按钮设计。按钮是人员输入指令最直观、最方便的方式，通过它控制整个喷药机。设计时要考虑按钮数量、分布、大小形状等因素。

4.辅助组件的设计。人机界面还包括很多辅助组件，如鼠标、键盘、LED灯等。

（五）PLC的软件编辑设计

对于小型智能农用喷药机器来说，软件的准确有效是非常重要的，软件不能有bug，在这个系统中，我们使用PLC的编程来实现软件的设计。下面解释一下PLC编程的框架、整个流程及编程语言。

1.PLC编程是电气专业的基础课程，它的界面是图形化的。在这个界面上，输入一段段的程序指令，来实现某个指定的功能。也就是说，整个系统的所有功能，都是由若干段的程序指令来实现的。

2.PLC编程语言有很多种，在小型农用喷药机的系统中，采用的是顺序功能流程图语言和梯形图语言（FBD）。对于梯形图来说，它比较直观，跟电气图较像。

3.编程设计步骤。整套流程包括六个步骤：第一步是需求分析。主要分析确认PLC要控制什么对象，控制什么目标。第二步是系统设计。这是很关键的一步，在这里会设计出PLC的硬件组成，还会制定出PLC的软件框架和大致内容。第三步是编程。编程过程中，要注意其逻辑性和顺畅性。第四步是PLC调试。即在整个程序编写完之后，将软件和硬件结合进行调试验证，出现问题和漏洞，及时修改调试，最终目的是保证这个程序没有任何技术上的问题，软件和硬件配合完美，整个系统运行顺畅。第五步是安装。最好是在实时的现场环境中进行。第六步是维护保养。系统投入使用后，要定期检查，并和使用者互动交流。

（作者单位：菏泽市单县农业机械服务中心）