農(nóng)業(yè)機械電器控制原理的升級改造

謝艷艷

（內(nèi)蒙古機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070）

如今是農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵時期。農(nóng)業(yè)智能化是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢，也是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然選擇［1］。電器控制在農(nóng)業(yè)自動化發(fā)展進(jìn)程中發(fā)揮著不可替代的作用。而可編輯邏輯控制器（Pngraunmable Logic Controller，PLC）作為電器控制流程中最具代表性的技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械電器控制領(lǐng)域［2］。然而，由于歷史發(fā)展的局限性和經(jīng)濟(jì)的水平差異性，我國農(nóng)業(yè)自動化發(fā)展進(jìn)程相對緩慢，并長期面臨推廣難、應(yīng)用難等現(xiàn)實窘境［3］。面對這一現(xiàn)實問題，學(xué)術(shù)界已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)研究并取得了一定成果。朱煥立等設(shè)計開發(fā)了基于土壤信息采集的自動化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過墑情傳感器實時檢測土壤參數(shù)，并通過中央控制系統(tǒng)依據(jù)事先設(shè)定好的決策模型控制灌溉泵機的開啟和關(guān)閉，以實現(xiàn)自動灌溉，大幅度提升了農(nóng)田灌溉效率和用水節(jié)約能力［4］。閆兵研究設(shè)計了一種智能生態(tài)環(huán)境測量儀表，能夠?qū)r(nóng)田中的土壤、空氣等條件進(jìn)行探測，并通過內(nèi)置的全球定位系統(tǒng)（GPS）對海拔、方位等參數(shù)予以匯報［5］。付煥森等在前人研究的基礎(chǔ)上，通過組合運用PLC 技術(shù)及無線通信技術(shù)等技術(shù)手段，實現(xiàn)了基于PLC 的全球移動通信（GSM）報警系統(tǒng)［6］。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r發(fā)送遠(yuǎn)程環(huán)境參數(shù)，自動執(zhí)行接收的相關(guān)指令，有效提升了農(nóng)民的工作效率，減輕了農(nóng)民的工作負(fù)擔(dān)，提高了農(nóng)地作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。魏國蓮等運用多種技術(shù)研究制作了自動化果蔬收取機器人，試驗后發(fā)現(xiàn)該機器在大棚環(huán)境下整體正確識別率高達(dá)90%，無損傷收取達(dá)成比率約為68.5%，具有較強的可靠性，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜條件的實際生產(chǎn)工作［7］。但是梳理已有文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，學(xué)者對于農(nóng)業(yè)機械電器控制方面的研究較少，對于農(nóng)業(yè)機械控制原理升級層面的研究更是欠缺。因此，本研究以農(nóng)業(yè)機械設(shè)備中最具代表性的播種機為實例，探討PLC 在機械控制中的應(yīng)用原理，并針對PLC 實際應(yīng)用中的裝置順序啟動、延時控制、IO 設(shè)計等方面提出升級改造方案，以期為PLC 技術(shù)在電器控制領(lǐng)域的應(yīng)用提供建設(shè)性意見。

1 農(nóng)業(yè)機械中的PLC技術(shù)

1.1 技術(shù)概念

PLC 技術(shù)是一種可編程控制器技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各個工業(yè)控制領(lǐng)域。隨著近年來國家推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程，我國農(nóng)業(yè)機械化水平顯著提升，基于PLC的農(nóng)業(yè)自動化設(shè)計成為業(yè)界廣泛關(guān)注的焦點［8-9］。分析PLC 技術(shù)特點可知，該技術(shù)能夠通過預(yù)先設(shè)定好的存儲程序，完成機械數(shù)據(jù)計算、機械運行計時等功能［10-11］。

1.2 參數(shù)

PLC 由中央處理器、輸入口接口、通信接口、可擴(kuò)展接口、智能接口、存儲器和智能單元等硬件構(gòu)成，其性能指標(biāo)包括存儲容量、輸入/出點數(shù)、掃描速度、智能單元的數(shù)量和擴(kuò)展能力等。編程語言方面主要包括PLC常用指令表、狀態(tài)流程圖、梯形圖等。多種語言的應(yīng)用配合為PLC 電氣控制系統(tǒng)的程序表達(dá)提供了方便，同時也為系統(tǒng)屬性和功能的優(yōu)化設(shè)計提供了更多可能。

1.3 技術(shù)應(yīng)用

在農(nóng)業(yè)機械中合理應(yīng)用PLC 技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的智能控制，有效降低原有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的人力需求和實踐需求，為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供驅(qū)動力。而為充分發(fā)揮PLC 技術(shù)的功能特點，在進(jìn)行農(nóng)業(yè)機械控制研究過程中，需要與傳統(tǒng)工業(yè)中的PLC 控制程序在邏輯上保持一致。與傳統(tǒng)PLC 不同的是，將PLC 應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域，需要嚴(yán)格執(zhí)行農(nóng)業(yè)機械適用守則，在保證設(shè)備運行流暢的前提下，提升農(nóng)業(yè)機械電器的控制質(zhì)量與控制效率。分析農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點可知，農(nóng)業(yè)機械要求的精密度遠(yuǎn)低于工業(yè)機械的精密度。因此，在PLC設(shè)計過程中，要盡量兼顧實用性和成本控制原則，確保PLC 技術(shù)能夠合理應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中。值得注意的是，PLC 具有抗干擾性強、操作靈活、適應(yīng)性和穩(wěn)定性好等技術(shù)特點，這也是PLC之所以能夠成為內(nèi)燃機車電氣控制系統(tǒng)的重要原因［12］。應(yīng)用PLC可以實現(xiàn)對內(nèi)燃機車電氣控制系統(tǒng)功能的延展，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，提高系統(tǒng)工作的可靠性、安全性，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及線路設(shè)計，從而方便系統(tǒng)安全、調(diào)試和檢修。就抗干擾層面而言，在PLC原有抗干擾設(shè)計基礎(chǔ)上，此次研究為盡可能消弭電源干擾對試驗結(jié)果帶來的影響，采取電源線平行走線，促使電源線對大地呈現(xiàn)低阻抗，以減少電源噪聲干擾。輸入、輸出線應(yīng)用雙絞線且屏蔽層應(yīng)可靠接地，以抑制共摸干擾。就操作靈活層面而言，此次研究為保證最后設(shè)計出來的系統(tǒng)具有較強的場景應(yīng)用型，針對農(nóng)業(yè)特定場景進(jìn)行一定改良，既保證了機械的可操作性和可控制性，又能夠保證不會對原有PLC板功能造成損害。

2 PLC技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械中的控制原理

2.1 PLC應(yīng)用原理

此次研究選用西門子PLC 控制器，探究PLC 應(yīng)用原理。研究過程中，由農(nóng)業(yè)機械電池提供電源，總體控制部件包括中央處理器、編程器、存儲器、I/O設(shè)備以及一定數(shù)量的擴(kuò)展槽（見圖1）。PLC的核心部件為CPU，其上分布的數(shù)據(jù)輸入與輸出點分別有10、14 個，完全滿足農(nóng)業(yè)機械控制要求。具體而言，此次研究選用的PLC 控制板分布有7個擴(kuò)展槽，能夠?qū)⑤斎朦c和輸出點增加至168路數(shù)字量和35 路模擬量。人機接口用于參數(shù)設(shè)計和運維數(shù)據(jù)控制。外部感知設(shè)備收取信息經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器改變?yōu)閿?shù)字信號后傳輸至中央處理器形成控制指令。中央處理器形成的控制指令再傳輸?shù)紻/A 轉(zhuǎn)換器變?yōu)槟M信號，傳輸?shù)较鄳?yīng)的執(zhí)行設(shè)備上。

圖1 PLC控制部件

2.2 機械控制原理

以農(nóng)業(yè)播種機械為例，探討PLC 在農(nóng)業(yè)機械控制中的工作原理。首先，在對應(yīng)農(nóng)業(yè)機械上安裝型霍爾傳感器，收集行進(jìn)過程中的脈沖信號，并傳輸至PLC處計算和控制播種機械運轉(zhuǎn)速度。與此同時，在導(dǎo)種管末尾處安裝2個光電傳感器，利用2個光電傳感器發(fā)出的對射紅外線采集種子下落產(chǎn)生的信號。具體原理為沒有捕捉到種子信號時光電傳感器維持低平正常電信號；當(dāng)有種子經(jīng)過時，光電傳感器捕捉相關(guān)信息，產(chǎn)生高平電信號?；诖嗽?，此次研究為光電傳感器設(shè)置程序，即當(dāng)?shù)推叫盘柍掷m(xù)2 s 時，PLC 報警種子已排空。當(dāng)高平信號持續(xù)2 s時，PLC報警導(dǎo)管堵塞。當(dāng)出現(xiàn)上述狀況時，PLC向聲光報警器發(fā)送信號，啟動報警以提示故障。其控制原理如圖2所示。當(dāng)播種機械正常運轉(zhuǎn)后，PLC可依據(jù)播種機械前進(jìn)速度和信號間隔時間計算播種速率和瞬時播種量。當(dāng)播種速率和瞬時播種量與預(yù)先設(shè)定的數(shù)值不同時，PLC產(chǎn)生相關(guān)控制指令，及時糾正播種過程。

圖2 控制原理

3 PLC技術(shù)在播種機電器控制中的應(yīng)用設(shè)計

3.1 PLC的電氣自動化控制系統(tǒng)架構(gòu)

在播種機從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程中，需要在播種過程中及時完成耕地、填土、灌溉等工作。采用PLC技術(shù)對播種機進(jìn)行自動化控制的過程中，需要首先對農(nóng)業(yè)機械執(zhí)行的各個過程完成基本控制調(diào)節(jié)，以此為基礎(chǔ)對整個電器控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級。以播種機為例，在其PLC 自動化控制中，主要包含啟動、停止、I/O 接口等各個裝置。PLC 系統(tǒng)通過各類I/O 接口實現(xiàn)各個部件與主機的鏈接工作，實現(xiàn)與主機間的實時通信。在這一機制下，控制主機能夠快速、便捷地下達(dá)相關(guān)指令，精準(zhǔn)接收各子部件反饋信息。而后，控制主機能夠通過各子部件的反饋信息計算實際播種情況，進(jìn)而對耕地、排種、報警、填土和灌溉等流程實現(xiàn)控制，保證播種工作順利完成。

3.2 各裝置順序啟動

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中，播種機執(zhí)行的各項生產(chǎn)活動需要由對應(yīng)的精細(xì)流程加以控制，以保證工作的有效性和準(zhǔn)確性。在PCL 控制系統(tǒng)中，研究人員通過對相關(guān)模塊進(jìn)行程序編寫，能夠?qū)崿F(xiàn)對播種機各類部件實現(xiàn)算法層面的控制。運用程序控制播種及執(zhí)行的意義在于，PCL控制系統(tǒng)在生產(chǎn)進(jìn)行時，動態(tài)對比現(xiàn)行執(zhí)行流程，保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)流程嚴(yán)謹(jǐn)、快速進(jìn)行，確保播種質(zhì)量。具體執(zhí)行流程為首先感知模塊，將感知到的生產(chǎn)信息發(fā)送到控制主板中，控制主板在判定當(dāng)前信息顯示的機械活動類型后，發(fā)出對應(yīng)指令信號，并通過電磁線圈的通電斷電效應(yīng)實現(xiàn)對機械各部件動作控制。在對機械系統(tǒng)各個裝置順序延時啟動流程進(jìn)行控制之前，需對其進(jìn)行初始化核查，保證系統(tǒng)運行的流暢性。

3.3 各裝置延時控制

在播種機械運作的各個流程中，PCL 控制系統(tǒng)需保證機械各個部分精準(zhǔn)執(zhí)行，實現(xiàn)精細(xì)化播種。在這一過程中，播種裝置的延時性控制尤為重要。一般裝置延時性控制表現(xiàn)為循環(huán)等待過程，并在過程中反復(fù)接收相關(guān)延時控制訊號。在特定時間段內(nèi)，PCL 控制系統(tǒng)將控制等待信息存儲到自帶的數(shù)據(jù)存儲裝置中，并在約束條件完成的條件下將指令信息再次調(diào)出，實現(xiàn)對應(yīng)動作的細(xì)節(jié)化控制。這一控制模式下，PCL 控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多任務(wù)并發(fā)情況下的機械穩(wěn)定運行。這一控制機制下，播種機執(zhí)行完當(dāng)前動作流程后，控制板會發(fā)出控制指令，停止當(dāng)前活動，并啟動下一活動流程。以播種機排種為例，當(dāng)在控制系統(tǒng)設(shè)置好具體排種時間后，會基于排種時間對機械動作進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)播種機完成上一操作后，播種機將會進(jìn)入暫停狀態(tài)。直到判定當(dāng)前任務(wù)為播種動作，機械才會進(jìn)入排種流程，如此反復(fù)。

3.4 I/O端口信號

在整個農(nóng)業(yè)機械控制系統(tǒng)中，動作信號均由I/O端口發(fā)出和接收。因此，只有重新對端口信號進(jìn)行定義，才能保證系統(tǒng)通信正常運轉(zhuǎn)。一般而言，PLC控制板的I/O端信號被定義為輸入輸出2 種信號，并經(jīng)由位移傳感器進(jìn)行信息轉(zhuǎn)換，從而對播種機各子部件的使用情況進(jìn)行控制，達(dá)到對播種活動的精確控制。在此次試驗過程中，研究人員將I/O通道分配為內(nèi)部通道與外部通道。其中，外部通道主要設(shè)計為輸入、輸出通道，用于與其他機械設(shè)計模塊進(jìn)行信息聯(lián)結(jié)和溝通。與此同時，在內(nèi)部通道設(shè)置了特定的繼電器以代傳統(tǒng)觸點控制形式。具體來看，該研究將傳輸通道編碼設(shè)定為十三進(jìn)制數(shù)字。在實際使用過程中，當(dāng)需要改變通道物理地址時，只需要進(jìn)一步為其增加兩位十進(jìn)制數(shù)字即可。這一模式大大增加了PCL 的I/O模塊運行速率以及可擴(kuò)展性。

4 結(jié)語

“十四五”時期是我國實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的關(guān)鍵五年。值此時機，發(fā)展農(nóng)業(yè)機械自動化既有利于實現(xiàn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量轉(zhuǎn)型，也有利于推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程。然而，在農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展過程中，技術(shù)壁壘高，設(shè)備應(yīng)用窄，農(nóng)業(yè)從業(yè)人員素質(zhì)不高等問題異常突出。因此，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動化、機械化對農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重大意義。在推動農(nóng)業(yè)機械化、自動化過程中，PLC 融合了計算機與自動化技術(shù)，所以在實際應(yīng)用的過程中，其會體現(xiàn)出其他技術(shù)并不具備的優(yōu)勢，如在抗干擾方面表現(xiàn)出能夠面對多種情況的特性?；赑LC控制系統(tǒng)對于基礎(chǔ)系統(tǒng)性能和功能的優(yōu)化，筆者建議農(nóng)業(yè)企業(yè)一定要積極探索PLC控制系統(tǒng)，并推廣可編程控制器的應(yīng)用。

伴隨國家互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐步發(fā)展，人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等現(xiàn)代技術(shù)逐漸深入各個領(lǐng)域。農(nóng)業(yè)是我國的支柱性產(chǎn)業(yè)，新技術(shù)局的應(yīng)用能夠大大提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。相信在不久的未來，農(nóng)業(yè)自動化將會被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的各個方面，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。