基于PLC 的農(nóng)業(yè)機(jī)電設(shè)備電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

江蘇省聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院淮安分院 李其龍

引言

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的不斷提升，傳統(tǒng)的種植經(jīng)驗(yàn)以及農(nóng)耕設(shè)備已然無(wú)法滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員的農(nóng)耕需求。對(duì)此相關(guān)設(shè)計(jì)人員也逐漸將信息時(shí)代先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與管理工作中，積極推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域向數(shù)字化和信息化方向邁進(jìn)。對(duì)此相關(guān)設(shè)計(jì)人員可從農(nóng)業(yè)機(jī)電設(shè)備入手，將PLC 等先進(jìn)技術(shù)融入農(nóng)業(yè)機(jī)電設(shè)備的改進(jìn)與完善中，以此來(lái)切實(shí)有效地提高農(nóng)業(yè)機(jī)電設(shè)備的整體質(zhì)量水平，使其能夠在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中充分發(fā)揮積極作用。這也是筆者將要同大家分享和探究的主要內(nèi)容。

1 PLC 在電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的理論綜述

1.1 基本概述

PLC 即可編程邏輯控制器，其通常是指一種設(shè)有微處理器的數(shù)字運(yùn)算控制器，在其內(nèi)部可執(zhí)行順序控制、計(jì)數(shù)等操作指令，最終以數(shù)字的形式來(lái)完成數(shù)據(jù)輸入與數(shù)據(jù)輸出，繼而實(shí)現(xiàn)控制其他機(jī)電設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行的目的。PLC 控制器的運(yùn)行過(guò)程主要分為輸入采樣、輸出刷新以及程序執(zhí)行等階段，這些階段可組成一個(gè)完整的掃描周期。在PLC 控制器的運(yùn)行期間，PLC 控制器的CPU 便會(huì)按照特定的掃描速度不斷地重復(fù)輸入、執(zhí)行、輸出三個(gè)階段從而完成對(duì)機(jī)電設(shè)備的有效控制。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

PLC 控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括以下構(gòu)件：一是電源，其主要是將機(jī)電設(shè)備所供應(yīng)的交流電轉(zhuǎn)化為直流電，為PLC 控制器運(yùn)行提供源動(dòng)力。二是中央處理器，在PLC 控制器中發(fā)揮控制中樞的職能，屬于核心結(jié)構(gòu)。三是存儲(chǔ)器，具備數(shù)據(jù)信息記憶功能的電路系統(tǒng)，主要作用是存放PLC 控制器中的邏輯變量等數(shù)據(jù)信息。四是輸入單元，主要是用于接收由檢測(cè)元件等結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信號(hào)。五是輸出單元，主要用于將PLC 控制器的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸至被控機(jī)電設(shè)備中來(lái)完成相應(yīng)的操作指令。六是外部設(shè)備，目前比較常見(jiàn)的PLC 控制器外部設(shè)備有計(jì)算機(jī)等，這些外部設(shè)備主要用于幫助PLC 控制器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信等其他功能。

1.3 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

PLC 控制器在機(jī)電設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用中體現(xiàn)出以下突出優(yōu)勢(shì)：首先是可靠性高，因?yàn)镻LC 控制器的集成度相對(duì)較高，且具備自我診斷、電路保護(hù)等功能，因此其在電氣系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中具有較高的可靠性。其次是編程操作簡(jiǎn)單，PLC 控制器通常是以繼電器控制梯形圖的形式來(lái)完成相應(yīng)的操作指令，由于梯形圖很容易掌握并且使用便捷，因此PLC 控制器相對(duì)應(yīng)的編程操作流程也十分簡(jiǎn)單。再次是組態(tài)靈活，以積木式結(jié)構(gòu)為主的PLC 控制器只需用戶(hù)對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的組合便可輕松改變機(jī)電設(shè)備控制系統(tǒng)的規(guī)格和功能，因此PLC 控制器還具備組態(tài)靈活的優(yōu)勢(shì)特征。最后是功能模塊齊全，針對(duì)電流、電壓、數(shù)字量以及不同型號(hào)的農(nóng)業(yè)機(jī)電設(shè)備，PLC 控制器均可采用相應(yīng)的功能模板與機(jī)電設(shè)備的控制閥、傳感器等相關(guān)器件進(jìn)行連接。

2 PLC 在溫室灌溉設(shè)備中的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

溫室灌溉設(shè)備主要是由PLC 控制器、傳感器、A/D 轉(zhuǎn)換器等硬件結(jié)構(gòu)所構(gòu)成，設(shè)計(jì)人員需針對(duì)不同農(nóng)作物所處環(huán)境的差異性來(lái)針對(duì)性地優(yōu)化灌溉設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員可結(jié)合灌溉設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況，以此作為依據(jù)來(lái)合理選擇PLC 控制器設(shè)備。以S7-200PLC 設(shè)備為例，其包括14 個(gè)輸入端口和10 個(gè)輸出端口，輸入端口與輸出端口之間可以通過(guò)相互連接的方式來(lái)對(duì)現(xiàn)有模塊進(jìn)行進(jìn)一步擴(kuò)展[1]。傳感器則可進(jìn)一步細(xì)致地分為土壤濕度傳感器和水位傳感器兩種類(lèi)型。其中土壤濕度傳感器是指利用電磁脈沖技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤水分的監(jiān)測(cè)作業(yè)，而水位傳感器則是通過(guò)將水位信號(hào)傳遞至PLC 控制器使其根據(jù)實(shí)際水位與設(shè)計(jì)水位比對(duì)來(lái)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)各對(duì)閥門(mén)系統(tǒng)開(kāi)閉狀態(tài)的有效控制，以確保灌溉設(shè)備中的水位量能夠持續(xù)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

PCL 控制器在溫室灌溉設(shè)備的電氣系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括兩方面內(nèi)容：一方面是針對(duì)水生植物的軟件設(shè)計(jì)。從客觀(guān)角度上來(lái)看，水生植物對(duì)溫室灌溉設(shè)備的要求比土壤植物要高出許多，對(duì)此設(shè)計(jì)人員應(yīng)在基于PLC 控制器的基礎(chǔ)上將其與灌溉設(shè)備中傳感器的水位信號(hào)建立一定的關(guān)聯(lián)。當(dāng)溫室灌溉設(shè)備投入正常使用后，PLC 控制器會(huì)將所獲取到的水位信號(hào)與設(shè)計(jì)信號(hào)值進(jìn)行對(duì)比，并根據(jù)對(duì)比結(jié)果對(duì)電閥門(mén)執(zhí)行開(kāi)啟或者關(guān)閉的操作指令，以給予水生植物最佳的生長(zhǎng)環(huán)境[2]。另一方面是針對(duì)土壤植物的軟件設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員可先設(shè)計(jì)出土壤環(huán)境所需含水量的最小值，并且保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的區(qū)域范圍內(nèi)土壤含水量均在設(shè)計(jì)最小值之上，在此基礎(chǔ)上再利用傳感器對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至PLC 控制器上，與最初設(shè)計(jì)的最值范圍加以對(duì)比，同時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)比分析結(jié)果對(duì)電閥門(mén)執(zhí)行開(kāi)啟或者關(guān)閉的操作指令。

3 PLC 在智能監(jiān)控設(shè)備中的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 電氣系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能監(jiān)控設(shè)備也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中能夠發(fā)揮極大作用的機(jī)電設(shè)備，其主要是通過(guò)傳感器設(shè)備來(lái)采集大棚中的溫度、土壤濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度等與農(nóng)業(yè)種植環(huán)境相關(guān)的參數(shù)信息，以此來(lái)輔助農(nóng)業(yè)工作人員完成對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)性監(jiān)控。將PLC 控制器作為整個(gè)智能監(jiān)控設(shè)備中的控制核心，其不僅可以通過(guò)對(duì)電流信號(hào)中的參數(shù)信息進(jìn)行識(shí)別和儲(chǔ)存，同時(shí)還可以結(jié)合設(shè)計(jì)值以及所獲取的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)籌分析，再驅(qū)動(dòng)監(jiān)控設(shè)備中的執(zhí)行器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物所處環(huán)境的智能化調(diào)節(jié)。智能監(jiān)控設(shè)備中的組態(tài)軟件主要用于創(chuàng)建人機(jī)交互的界面，從而提高智能監(jiān)控設(shè)備操作的便捷性。而PLC 控制器中的云網(wǎng)關(guān)模塊還可將監(jiān)控設(shè)備所獲取的參數(shù)信息即時(shí)地傳輸至用戶(hù)平臺(tái)。這樣不僅可以通過(guò)大數(shù)據(jù)平臺(tái)對(duì)參數(shù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)性分析，并將異常情況向管理員進(jìn)行預(yù)警，同時(shí)管理員也可自行通過(guò)電子設(shè)備登錄相關(guān)網(wǎng)站來(lái)查看農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀。

3.2 電氣系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)所處地區(qū)的環(huán)境參數(shù)采集工作通常需要借助傳感器來(lái)完成, 傳感器在應(yīng)用時(shí)會(huì)將環(huán)境參數(shù)信號(hào)傳輸至PLC控制系統(tǒng)中, 對(duì)此設(shè)計(jì)人員需結(jié)合PLC 控制器的輸入口進(jìn)行型號(hào)的選擇。目前應(yīng)用比較廣泛的模擬量傳感器主要以四線(xiàn)制和兩線(xiàn)制兩種類(lèi)型為主。當(dāng)四線(xiàn)制模擬量傳感器與PLC 控制器模板所對(duì)應(yīng)的輸入通道進(jìn)行連接時(shí)，PLC 控制器此時(shí)只具備采集信號(hào)的功能。當(dāng)兩線(xiàn)制模擬量傳感器與PLC 控制器模板所對(duì)應(yīng)的輸入通道進(jìn)行連接時(shí)，PLC 控制器的模板通道還需對(duì)外輸出24V 的直流電源，通過(guò)這種方式來(lái)驅(qū)動(dòng)模擬量傳感器進(jìn)行正常工作。

3.3 電氣系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在智能監(jiān)控設(shè)備中，農(nóng)作物在不同生長(zhǎng)階段最適宜的環(huán)境參數(shù)存在一定的差異性，對(duì)此設(shè)計(jì)人員可從環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、光照強(qiáng)度等角度利用PLC 程序來(lái)獲取相關(guān)參數(shù)信息，而管理者則可通過(guò)修改和完善組態(tài)軟件的參數(shù)設(shè)計(jì)值與環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，從而更好地選擇手動(dòng)操作或自動(dòng)操作兩種模式。其中手動(dòng)模式中管理者可在組態(tài)界面中進(jìn)行啟?；蚱渌僮鱗3]。例如當(dāng)PLC 控制器出現(xiàn)故障時(shí)，管理者可以采用手動(dòng)模式來(lái)快速啟停設(shè)備。自動(dòng)模式則是先將獲取的數(shù)據(jù)信息與設(shè)計(jì)值加以對(duì)比分析，若二者的誤差在允許范圍內(nèi)，則掃描任務(wù)完成即可，此時(shí)智能監(jiān)控設(shè)備可進(jìn)入下一個(gè)周期循環(huán)。若二者的誤差已經(jīng)超出設(shè)計(jì)值范圍，則PLC 控制器便會(huì)自行驅(qū)動(dòng)智能監(jiān)控系統(tǒng)中的執(zhí)行設(shè)備，使機(jī)電設(shè)備能夠始終處于正常的運(yùn)行狀態(tài)。

4 PLC 在精準(zhǔn)施水播種機(jī)中的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 排種器設(shè)計(jì)

目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中比較常見(jiàn)的排種器以氣力式和勺輪式兩種排種器為主，排種器設(shè)備大多呈現(xiàn)四連桿的仿形結(jié)構(gòu)，其主要通過(guò)振動(dòng)搖桿來(lái)有效改變播種機(jī)設(shè)備所承受的鎮(zhèn)壓力，提高排種器在運(yùn)行中的穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)人員可通過(guò)PLC 控制器在排種器中增加漏播警報(bào)的功能。若播種機(jī)設(shè)備在播種過(guò)程中出現(xiàn)漏種情況，則PLC 控制器便會(huì)控制播種機(jī)對(duì)漏種區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)種。設(shè)計(jì)人員還可利用PLC 控制器對(duì)補(bǔ)種設(shè)備的行進(jìn)速度和株距進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。一般情況下，播種機(jī)設(shè)備的輸種管長(zhǎng)度越長(zhǎng)、株距越大，則系統(tǒng)所獲取數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確率及可靠性便會(huì)越低，對(duì)此設(shè)計(jì)人員需充分利用PLC 控制器對(duì)排種器電氣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，科學(xué)計(jì)算最佳補(bǔ)種株距，合理縮短輸種管的長(zhǎng)度，以此來(lái)提高排種器的補(bǔ)種質(zhì)量。

4.2 測(cè)速輪設(shè)計(jì)

播種機(jī)的測(cè)速輪主要以北斗導(dǎo)航系統(tǒng)為主, 在PLC 控制器旋轉(zhuǎn)編碼的輔助下可高效完成測(cè)速作業(yè)。為了進(jìn)一步提高測(cè)速輪的精確性，設(shè)計(jì)人員可以將其置于播種單體的間隙，從而起到一定的保護(hù)作用。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)人員還可通過(guò)在測(cè)速輪外側(cè)安裝防滑齒來(lái)進(jìn)一步加強(qiáng)測(cè)速輪的防滑性。而PLC 控制器則可以在測(cè)速輪的仿真設(shè)計(jì)中進(jìn)行合理的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)齒輪傾斜角針對(duì)播種機(jī)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中所接觸土壤的受力情況以及飛濺速度進(jìn)行計(jì)算，以此來(lái)設(shè)計(jì)出測(cè)速輪的最佳角度。此外，設(shè)計(jì)人員還可利用PLC 控制器對(duì)播種設(shè)備的橫向穩(wěn)定性加以測(cè)定，以進(jìn)一步確保測(cè)速輪在實(shí)際播種過(guò)程中能夠具有較高的安全穩(wěn)定性。

4.3 水箱設(shè)計(jì)

精準(zhǔn)施水播種機(jī)中的水箱設(shè)備通常以輕量承載式水箱為主，水箱的加水全程自動(dòng)化，無(wú)須駕駛員進(jìn)行輔助操作。通常情況下，水箱中的傳感器可使用電容性液壓傳感器，因?yàn)槠渑c超聲型和浮球型水箱傳感器相比成本更低，因此被人們廣泛應(yīng)用在播種機(jī)設(shè)備中。水箱傳感器的工作原理是根據(jù)水的介電常數(shù)與空氣介電常數(shù)的差值來(lái)適當(dāng)改變傳感器中的脈沖寬度，通過(guò)對(duì)應(yīng)不同反應(yīng)水位的編碼序列來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱的控制[4]。液壓傳感器的信號(hào)端需與單片機(jī)的引腳進(jìn)行緊密連接，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)人員可利用PLC 來(lái)編寫(xiě)相應(yīng)的程序，當(dāng)水箱傳感器自動(dòng)檢測(cè)到水位降低時(shí)便可通過(guò)聲音和燈光來(lái)向駕駛員進(jìn)行預(yù)警。

5 結(jié)論

本文筆者主要基于PLC 視角對(duì)農(nóng)機(jī)設(shè)備的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的闡述，并從溫室灌溉、智能監(jiān)控以及精準(zhǔn)施水播種機(jī)等設(shè)備電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中所碰撞出的新火花加以討論，其目的是為了進(jìn)一步完善和優(yōu)化農(nóng)業(yè)機(jī)電設(shè)備的應(yīng)用成效，為提高農(nóng)業(yè)增產(chǎn)創(chuàng)收創(chuàng)造條件。希望在PLC 的技術(shù)支持下相關(guān)人員能夠努力構(gòu)造智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)，為我國(guó)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)振興奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。