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)技術學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070）

如今是農(nóng)業(yè)經(jīng)濟轉(zhuǎn)型高質(zhì)量發(fā)展的關鍵時期。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，被廣泛應用于農(nóng)業(yè)機械電器控制領域［2］。然而，由于歷史發(fā)展的局限性和經(jīng)濟的水平差異性，我國農(nóng)業(yè)自動化發(fā)展進程相對緩慢，并長期面臨推廣難、應用難等現(xiàn)實窘境［3］。面對這一現(xiàn)實問題，學術界已經(jīng)進行了相關研究并取得了一定成果。朱煥立等設計開發(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)事先設定好的決策模型控制灌溉泵機的開啟和關閉，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上，通過組合運用PLC 技術及無線通信技術等技術手段，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)送遠程環(huán)境參數(shù)，自動執(zhí)行接收的相關指令，有效提升了農(nóng)民的工作效率，減輕了農(nóng)民的工作負擔，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90%，無損傷收取達成比率約為68.5%，具有較強的可靠性，能夠適應各種復雜條件的實際生產(chǎn)工作［7］。但是梳理已有文獻發(fā)現(xiàn)，學者對于農(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 在機械控制中的應用原理，并針對PLC 實際應用中的裝置順序啟動、延時控制、IO 設計等方面提出升級改造方案，以期為PLC 技術在電器控制領域的應用提供建設性意見。

1 農(nóng)業(yè)機械中的PLC技術

1.1 技術概念

PLC 技術是一種可編程控制器技術，廣泛應用于各個工業(yè)控制領域。隨著近年來國家推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程，我國農(nóng)業(yè)機械化水平顯著提升，基于PLC的農(nóng)業(yè)自動化設計成為業(yè)界廣泛關注的焦點［8-9］。分析PLC 技術特點可知，該技術能夠通過預先設定好的存儲程序，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、可擴展接口、智能接口、存儲器和智能單元等硬件構成，其性能指標包括存儲容量、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。多種語言的應用配合為PLC 電氣控制系統(tǒng)的程序表達提供了方便，同時也為系統(tǒng)屬性和功能的優(yōu)化設計提供了更多可能。

1.3 技術應用

在農(nóng)業(yè)機械中合理應用PLC 技術，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)濟發(fā)展提供驅(qū)動力。而為充分發(fā)揮PLC 技術的功能特點，在進行農(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 應用于農(nóng)業(yè)機械領域，需要嚴格執(zhí)行農(nóng)業(yè)機械適用守則，在保證設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低于工業(yè)機械的精密度。因此，在PLC設計過程中，要盡量兼顧實用性和成本控制原則，確保PLC 技術能夠合理應用于農(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、適應性和穩(wěn)定性好等技術特點，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)設計，提高系統(tǒng)工作的可靠性、安全性，簡化系統(tǒng)結(jié)構及線路設計，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原有抗干擾設計基礎上，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、輸出線應用雙絞線且屏蔽層應可靠接地，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計出來的系統(tǒng)具有較強的場景應用型，針對農(nóng)業(yè)特定場景進行一定改良，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技術在農(nóng)業(yè)機械中的控制原理

2.1 PLC應用原理

此次研究選用西門子PLC 控制器，探究PLC 應用原理。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設備以及一定數(shù)量的擴展槽（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)設計和運維數(shù)據(jù)控制。外部感知設備收取信息經(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膱?zhí)行設備上。

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，在對應農(nóng)業(yè)機械上安裝型霍爾傳感器，收集行進過程中的脈沖信號，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；當有種子經(jīng)過時，光電傳感器捕捉相關信息，產(chǎn)生高平電信號。基于此原理，此次研究為光電傳感器設置程序，即當?shù)推叫盘柍掷m(xù)2 s 時，PLC 報警種子已排空。當高平信號持續(xù)2 s時，PLC報警導管堵塞。當出現(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。當播種機械正常運轉(zhuǎn)后，PLC可依據(jù)播種機械前進速度和信號間隔時間計算播種速率和瞬時播種量。當播種速率和瞬時播種量與預先設定的數(shù)值不同時，PLC產(chǎn)生相關控制指令，及時糾正播種過程。

圖2 控制原理

3 PLC技術在播種機電器控制中的應用設計

3.1 PLC的電氣自動化控制系統(tǒng)架構

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技術對播種機進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)，以此為基礎對整個電器控制系統(tǒng)進行優(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、便捷地下達相關指令，精準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)活動需要由對應的精細流程加以控制，以保證工作的有效性和準確性。在PCL 控制系統(tǒng)中，研究人員通過對相關模塊進行程序編寫，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)流程嚴謹、快速進行，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，控制主板在判定當前信息顯示的機械活動類型后，發(fā)出對應指令信號，并通過電磁線圈的通電斷電效應實現(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行控制之前，需對其進行初始化核查，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執(zhí)行，實現(xiàn)精細化播種。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，并在過程中反復接收相關延時控制訊號。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)對應動作的細節(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)行完當前動作流程后，控制板會發(fā)出控制指令，停止當前活動，并啟動下一活動流程。以播種機排種為例，當在控制系統(tǒng)設置好具體排種時間后，會基于排種時間對機械動作進行調(diào)整。當播種機完成上一操作后，播種機將會進入暫停狀態(tài)。直到判定當前任務為播種動作，機械才會進入排種流程，如此反復。

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)由位移傳感器進行信息轉(zhuǎn)換，從而對播種機各子部件的使用情況進行控制，達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，外部通道主要設計為輸入、輸出通道，用于與其他機械設計模塊進行信息聯(lián)結(jié)和溝通。與此同時，在內(nèi)部通道設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定為十三進制數(shù)字。在實際使用過程中，當需要改變通道物理地址時，只需要進一步為其增加兩位十進制數(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)濟高質(zhì)量轉(zhuǎn)型，也有利于推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程。然而，在農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展過程中，技術壁壘高，設備應用窄，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，所以在實際應用的過程中，其會體現(xiàn)出其他技術并不具備的優(yōu)勢，如在抗干擾方面表現(xiàn)出能夠面對多種情況的特性。基于PLC控制系統(tǒng)對于基礎系統(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用。

伴隨國家互聯(lián)網(wǎng)技術的逐步發(fā)展，人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等現(xiàn)代技術逐漸深入各個領域。農(nóng)業(yè)是我國的支柱性產(chǎn)業(yè)，新技術局的應用能夠大大提高農(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。