高株果樹自動噴藥機控制系統的研究設計

李蜀予 張清林

科學技術的提高帶動了農業生產力的發展，植保機械開始在農業領域應用，隨著國家大力度對農業投入補貼，現代化植保機械逐步走進了普通農戶家庭。植保機械的應用不僅解決了農村勞動力的不足，提高生產效率和農業的精準度，也在衛生安全方面發揮了巨大作用。植物保護已成為農林生產的重要組成部分，是推動農林業高產豐收的關鍵因素之一。我國植保機械是在解放后才逐步發展起來的，主要是化學農藥噴灑機械從無到有，經歷了漫長的發展過程，雖然部分植保機械已達到或超過世界先進水平，但與國外一流的植保機械相比，仍然滿足不了農業產業發展的需求，植保機械已經成為我國農業全程機械化的短板。現有的大多數植保設備結構簡單，功能相似，專業水平不高，不能滿足不同植被、不同病蟲害防治的需求。傳統的背負式植保機械依然占據著主導地位，我國的大面積自動化的植保機械的發展仍有很長一段路要走。

果樹是重要的農業經濟作物，做好果樹栽植是提高農民收入的重要途徑之一。在果樹養護方面，做好病蟲害防治工作是保證果樹健康生長的重要工作環節。防治樹木的病蟲害，就要噴灑農藥。隨著高株果樹產業快速升級及農村勞動力的就業轉移，越來越多的果農采用現代矮化密植栽培模式來提高產量，與之配套的噴藥機作業范圍及自動化程度就提出了新的要求。

傳統的果樹噴藥設備是人工手動背負式，不僅效率不高，還存在農藥對作業人員毒害的隱患。這些人力大量參與的噴藥設備優點是可以實現與果樹的近距離噴灑，但作業范圍較小，同時對于大多數果樹植物，藏于樹葉底部的蚜蟲往往會在這種自上而下的噴灑作業中存活下來。我國目前使用的配有拖拉機等動力拖曳的農用噴藥設備大大改善了工作環境，可以進行大面積噴灑。但動力拖曳噴藥設備對作業空間、地平條件要求嚴格，屬于遠距離噴灑，不能對果樹特定區域病蟲害進行接觸防治，而且農藥使用的效率較低，有資料統計不超過40%，大量的殘余農藥飄移到空氣或地面，污染作業環境，對人體同樣造成傷害。有報道，國外有一種使用效率較高的隧道式循環噴霧機可以有效減小飄移、回收霧滴，提高農藥利用率，但其結構龐大，需要多人同時操作，使用成本較高，而且勞動強度較大，不太適合小型農戶使用。

綜上可知，高株果樹噴藥機未來的發展趨勢就是智能化、自動化。將現代先進的計算機智能技術應用到傳統的噴藥設備，結合PLC自動控制系統，不僅可以提高噴藥的精準度和有效性，還可以減少農藥噴灑過程對人體的傷害，降低人工勞動強度。

一、研究思路

現有的高株果樹噴藥機最大的缺陷就是需要人工操作，存在藥物危害隱患，如何讓噴藥機無人駕駛就是關鍵。本文提出一種用于高株果樹的自動噴藥機，可以在遠程控制下實現自走功能，進行無人駕駛操作，從而避免因噴藥對操作人員身體健康的危害;可實現一人多機控制管理，提高生產效率，減輕勞動力;機架結構可以自動調整行距，提高噴藥機的通用性;可根據果樹株高實時調節噴藥架高度，減少噴藥作業過程中藥物的揮發，提高藥物利用率。

基于此，整套噴藥設備從機械結構和控制系統兩個方面進行了設計，機械結構主要由前輪轉向機構、高度升降機構、噴藥架伸縮機構、機架調整機構組成，在噴藥機行走中前輪可以根據作業需求自動轉向，噴藥架高度可以調節實現不同果樹株高的噴灑要求，噴藥架長度伸縮進行噴灑工作面積的改變，機架調整機構可以改變車輪間距以適應不同的果樹行距。控制系統由液壓系統和PLC控制系統組成。液壓系統是動力轉換系統，在PLC的控制下工作，PLC下達指令進行液壓系統各個電磁閥的通斷，實現液壓缸活塞的升降從而推動各機械結構間的運動，最終達到噴藥機的作業要求。PLC是控制系統的核心，根據傳感器的信號及時調整噴藥機的運行過程。

二、系統組成

液壓系統按照功能劃分主要由噴藥架升降和啟閉系統，噴藥機行走系統，噴藥機轉向控制系統三個系統組成。噴藥機的各個液壓系統由中央控制器控制，該控制器由FX2N-64MR型PLC組成，執行各個控制程序，實現控制功能。整個液壓系統總體采用電磁控制技術進行系統的控制，由三個雙向定量液壓泵提供動力，分別給噴藥架升降和啟閉系統、噴藥機行走系統、轉向控制系統提供動力。

噴藥架升降和啟閉系統的液壓工作原理見圖1，圖中系統使用兩個三位四通電磁換向閥控制兩個二級伸縮液壓缸來分別實現駕駛室與噴藥架的升降功能，用兩個普通液壓缸控制噴藥架主桿的啟閉與閉合，用兩個擺動馬達控制噴藥架支桿的啟閉與閉合。液壓缸和擺動馬達使用同樣的三位四通電磁換向閥來控制，操作人員也可以遠程控制電磁閥來進行兩個主桿、兩個支桿的啟閉和閉合。

噴藥機行走系統液壓工作原理見圖2，該行走液壓系統采用由一個雙向定量泵供壓，四個雙向變量液壓馬達并聯控制四個車輪，車輪轉速的大小通過雙向變量馬達輸出轉速的調節來控制，采用三位四通電磁換向閥、調速閥、先導溢流閥組成的自由分流系統以達到提高功率利用率和節能的效果。該液壓系統采用閉式靜液壓傳動方法，并設有一對先導閥實現系統的安全保護。

噴藥機轉向控制系統液壓工作原理見圖3，由圖可知，噴藥機的四個轉向液壓缸連接了四個車輪的轉向機構，分別由四個電磁比例方向閥控制，噴藥機的PLC控制系統可根據輸入變量控制四個電磁比例方向閥的輸出變量，從而對四個轉向液壓缸的伸出長度進行控制，以達到噴藥機轉向控制的目的。

自動噴藥機控制系統使用柴油發電機電，采用FX2N-64MR型PLC作為核心控制裝置，操作者利用觸摸屏通過串口通訊發送的控制參數命令PLC執行程序，PLC與傳感器進行串口通訊，采集植物高度、壟間距、轉向輪位置等信息迅速做出反饋，PLC通過串口通訊控制伺服系統實現噴藥機的行走和轉向，控制液壓泵和噴頭電機運轉實現噴藥架的噴藥工作，控制安裝在噴藥機機架上的電動推桿運轉，實現噴藥機架高度的調節、車輪間距的調節等動作，從而完成噴藥機自動化行走和合理化噴藥等過程。

三、工作原理

自動噴藥機控制系統的PLC控制程序主要包括：伺服電機控制程序、傳感器信息采集與噴藥架高度調節程序、觸摸屏與PLC串口通訊程序。控制系統電路分為主電路和控制電路兩部分，主電路給整個系統中的伺服驅動器、伺服電機、電動推桿、PLC等供電。控制電路是由以PLC為核心的伺服系統控制電路、電動推桿控制電路等組成。

伺服系統控制電路給DVP-20PM控制器供電，連接伺服驅動器實現整個傳動系統高精度的定位。電動推桿控制電路中將交流電轉換為24V的直流電，給兩個噴藥架高度控制電機供電。DVP-32HN控制器完成噴藥架主桿、支桿的啟閉動作，以噴藥架閉合動作為例，控制器通過控制電磁閥的啟閉來完成噴藥架主桿的閉合動作，當操作人員遠程發出一個主桿閉合指令時，控制器接受主桿閉合信號，并開始判斷支桿是否閉合，若支桿沒有閉合，則指令無效，主桿無法閉合;如支桿己經閉合，則控制器發出信號觸發主桿電磁閥工作，主桿閉合至觸發行程開關位置，運動停止，主桿閉合動作完成，噴藥架展開動作類似。

傳感器信息采集與噴藥架高度調節程序通過傳感器用于采集噴藥架與果樹之間的距離，將采集到的距離與預設的噴藥架與果樹之間的距離作比較，并驅動用于噴藥架高度調節的電動推桿運行，使噴藥架與果樹保持較好的噴藥距離，減少噴藥過程中農藥的過度揮發，提高農藥的利用率。

觸摸屏與PLC串口通訊程序控制伺服電機實現噴藥機的行走及轉向功能，由觸摸屏、PLC、伺服驅動器、伺服電機組成。觸摸屏向PLC發送布爾型行走控制命令，PLC接受到控制命令后，使程序中相應的運動控制功能塊工作，PLC就向伺服驅動器傳輸脈沖，伺服驅動器接收到脈沖并解析后發送到伺服電機，驅動伺服電機轉動，實現噴藥機的行走功能。

控制系統有兩套伺服電機系統來完成噴藥架的行走與轉向，采用功率較大的伺服電機系統執行噴藥機前行、后退等動作，采用功率小的伺服電機系統作為噴藥機的轉向裝置，PLC通過控制這兩套伺服系統工作情況就可實現噴藥機的行走過程。噴藥機控制系統的PLC接收到觸摸屏發送的前行命令后，首先根據傳感器發送的信號判斷噴藥機前行方向是否有不可超越的障礙，如果有障礙，PLC不執行前行指令并產生報警信息，同時PLC將障礙信息反饋給觸摸屏，由操作者判斷是否改變噴藥機前行方向繞開障礙;如果沒有障礙，PLC執行前行命令，使噴藥機按照觸摸屏指定的路線前行。

總上所述，本文主要對高株果樹自動噴藥機控制系統進行了研究與設計，機械結構做了次要說明，控制系統包括噴藥架升降和啟閉系統，噴藥機行走系統，噴藥機轉向控制系統。分別繪制了各系統的液壓傳動原理圖，及自動噴藥機控制系統的PLC控制程序的部分電路原理圖、控制框圖和控制流程圖。為高株果樹噴藥機的自動化研究提供一定的參考價值。

為了適應不同用戶、不同地形的需求，高株果樹噴藥機自動控制系統在未來的設計中應需要注意以下要求：（1）控制模式要求：既可以人工遠程控制，也可以自主控制;（2）行走要求：行走速度可以自由調控，可以自由轉向;（3）信息采集要求：可以采集果樹的株高，便于調控噴藥架與果樹之間的距離，能夠采集前轉向輪的左、右極限位置和正中位置，以防噴藥機行走過程中因轉角過大自停。

（作者單位：750021寧夏工商職業技術學院）