PLC技術在農業機械電氣控制裝置中的應用

陳香林

（內蒙古敖漢旗農牧局，內蒙古 赤峰 024300）

1 PLC技術概述

PLC屬于一種可編程的邏輯控制器，PLC內部具有很多的控制指令，如運算控制指令、計數控制指令、定時控制指令以及邏輯運算控制指令等。在具體應用中，借助于模擬或數字形式的輸入、輸出，PLC便可對機械設備進行自動化運行控制。目前，PLC的基本組成結構包括輸入單元、輸出單元、儲存器以及中央處理單元等，且不同機型的PLC所包含的外部設備也不同，借助于這些設備，PLC具備了良好的網絡通信、檢測和輔助翻譯等附加功能[1]。在PLC的具體應用中，其主要工作過程是通過PLC程序對外部輸入點中的輸入值進行邏輯運算，再通過輸出控制程序對其進行信號變化處理，然后以此為依據，對外部需要控制的量加以控制，從而達到自動化的機械控制效果[2]。在此過程中，對于進入到PLC中的輸入信號，儲存器會通過事先設定好的運行控制程序來進行相應處理，然后將其以控制程序的方式輸出。對于輸出的控制程序，在經過PLC處理之后，可直接通過外接數據進行控制的機械控制裝置傳輸，以此來達到精準的機械控制效果。PLC自動化控制系統的主要應用原理示意圖，如圖1所示。

圖1 PLC自動化控制系統的主要應用原理示意圖

2 PLC在農業拖拉機自適應平衡控制裝置中的應用

農業拖拉機作業時，因為工作環境比較復雜，行駛地面高低不平，所以其車身很容易出現顛簸和傾斜情況，從而改變其作業路線，影響其作業效果。為有效避免此類問題，做好農業拖拉機自平衡控制裝置設計非常關鍵。在此過程中，設計者與技術人員便可對PLC技術加以合理應用。

1）裝置的硬件設計。具體設計中，主要通過傳感器進行檢測，通過PLC進行控制，通過電液比例控制閥進行驅動，并為液壓缸的響應提供支持。將位移傳感器和傾角傳感器用作其主要的檢測裝置，這兩種傳感器輸出的都是模擬量信號；將四個液壓缸和一個電液比例換向閥用作其主要的執行元件，其中電液比例換向閥僅能夠對模擬信號進行接收。如果系統在實際運行中發生故障，系統會立即停止工作，故障報警器也會立即發出響聲報警；如果液壓缸到達了極限位置，但依然沒有達到伸縮目標量，此時的示警器也會發出響聲報警，提示系統工作需要停止[3]。在電氣控制裝置中，PLC是其核心部分。為適應裝置硬件系統的實際設計與應用需求，設計中特選擇了三菱FX2N-32MR-D PLC，其I/O端子共32個，包括輸入端子16個和輸出端子16個。因為位移傳感器以及傾角傳感器所輸出的都是模擬信號，不能直接被PLC接收，所以需要進行模擬量輸入擴展單元設置。基于此，在電氣控制裝置中添加了兩個模擬量輸入擴展單元，一是FX2N-4AD，二是FX2N-2AD。同時，因為PLC中輸出的是數字信號，此類信號不能被電液比例換向閥接收，所以在該裝置設計中，也設置了一個模擬量輸出擴展單元FX2N-2AD。PLC的輸入信號包括面板操作、傳感器采集信號以及觸摸屏參數設定，輸出信號包括電液比例換向閥控制、觸摸屏上的傳感器采集信號實時顯示以及系統運行狀態和故障報警的實時顯示[4]。

2）裝置的軟件設計。在農業拖拉機自適應平衡控制裝置中，其軟件系統包括主控制模塊以及信號采集模塊。其中，主控制模塊的功能是控制拖拉機車身平衡，信號采集模塊的功能是對位移傳感器以及傾斜傳感器中的信號進行采集。在該系統中，主程序是通過傾角傳感器對拖拉機機身的傾斜角進行檢測，并將檢測到的傾角傳遞到信號采集模塊，最終傳遞給PLC，PLC中的比較單元會對檢測到的傾斜角信號值和系統中設定好的傾斜角極限值進行比較，如果檢測值比極限值小，則不會對其進行調節；如果檢測值比極限值大，PLC便會將相應的控制指令發送給支撐缸，通過支撐缸的伸縮控制來實現拖拉機機身的自適應調節。基于PLC技術的農業拖拉機自適應平衡控制裝置軟件主程序控制流程圖如圖2所示。通過這樣的方式，可讓PLC技術在農業拖拉機自適應平衡控制裝置中達到良好的應用效果，從而實現農業拖拉機的自適應平衡控制，有效防止機身顛簸、傾斜等情況對其作業質量的不良影響。

圖2 基于PLC技術的農業拖拉機自適應平衡控制裝置軟件主程序控制流程圖

3 PLC在農業播種機電氣自動化控制裝置中的應用

農業播種機電氣自動化控制裝置設計融入PLC技術，可保障出水量可控，確保設備速度與出水量成正比[5]。以一種精準施水型玉米播種機的機電自動化控制裝置設計為例，PLC技術的具體應用如下。

1）控制方案設計。在玉米播種機的機電自動化控制裝置中，核心控制模塊是PLC，在此基礎上，根據裝置的實際應用需求，進行了測速模塊、施水執行模塊、水位監測模塊、報警模塊等模塊的設計。在其機械設備控制系統中，主要包括主程序和施水執行程序。為確保有效運行，可通過主機單獨進行施水執行程序控制。具體應用中，PLC中的測速模塊會對施水播種機的運轉速度進行檢測，然后將檢測到的數據上傳到主機，主機會根據實際的運轉情況對施水模塊進行合理調整，以此來確保出水量的靈活性和可控性，使播種機的運行速度和出水量之間成正比，并達到良好的作業調速與抗抖動的效果[6]。

2）PLC自動化控制設計。在玉米播種機的機電自動化控制裝置中，PLC的主要組成部分包括輸入單元、輸出單元、儲存器、中央處理單元和電源。主要工作過程包括輸入采樣、程序執行、輸出刷新三個環節。具體設計中，以實際的玉米播種需求作為依據，通過掃描功能將處在輸入狀態的數據依次掃描儲存到I/O映像區域。在完成了采樣輸入之后，PLC便會自動轉入到程序執行和輸出刷新環節中。此時，即使是輸入狀態和數據出現了變化，也不會影響到相應單元中的狀態和數據[7]。程序執行中，PLC會按照由上到下、由左到右的順序對施水玉米播種機中的控制程序依次進行掃描，以具體的邏輯運算結果作為依據，對儲存區域內的邏輯線圈位置狀態進行控制，并實現I/O映像區域線圈輸出狀態的刷新，同時也可以對控制系統中速度控制、施水量調節等功能指令的執行進行科學決定。在完成了程序執行之后，PLC便會自動進入到刷新環節中，在此過程中，I/O映像區域會將CPU下達的指令作為依據，對鎖存電路進行刷新，之后再對相應的外部設施進行驅動，從而實現精準施水玉米播種機的信息化和自動化控制。

3）顯示模塊設計。玉米播種機的機電自動化控制裝置中主要的顯示模塊包括以下幾個。一是測速模塊，機械設備運行中，顯示模塊會將采集到的數據信息上傳給PLC，經PLC處理之后，脈沖信號會在單位時間內轉變成機械的運轉速度，再通過LED單元將其顯示出來[8]。但是，由于機械地輪在秸稈密集區域碾壓時很容易產生打滑現象，從而影響到數據的采集精度，為防止此類情況發生，具體設計中可以將地輪和編碼器之間進行同軸連接，通過同軸聯動的方式來實現機械運行數據的準確采集。二是數碼管模塊，該裝置的數碼管采用的是7段和8段兩種形式，并按照陽極型和陰極型進行劃分，將8個LED設備陽極相關聯，對于某個陰極中的低電平輸出，與其對應陽極位置的LED便會被點亮，通過不同低電平輸入的合理組合，可讓機械的實際運轉需求得到良好滿足。三是施水控制模塊，該模塊在精準施水玉米播種機控制裝置中屬于最主要的一個執行模塊，其組成部分有兩個，即出水管路、大扭矩舵機，設計中為實現成本的合理節約，特選擇了直流舵機，并未進行逆變器配置。將水箱設置在該裝置后位，以此來實現水速測試，并對其出水速度進行合理控制[9]。表1為精準施水型玉米播種機在某次實際應用中的施水控制參數。四是監測模塊，將液位傳感器安裝在該裝置內部，當水位比規定參數低時，傳感器便會將相應的信號及時傳遞到PLC中，并在LED顯示屏上顯示出實際的水位高程，同時，相應的報警系統也會啟動，警示燈開始閃爍，蜂鳴報警音也會響起，以此來提示工作人員及時給機械加水。五是故障預警模塊，將相應的運行參數采集傳感器設置在機械主要部件上，實時采集其運行參數，并傳輸給PLC，一旦發現有部件出現故障，裝置會立即發出預警。通過這樣的方式，便可讓PLC技術在農業播種機中充分發揮出其作用與優勢，以此來實現農業播種機的信息化和自動化控制。

表1 精準施水型玉米播種機在某次實際應用中的施水控制參數

4 PLC在農業收獲機電氣自動化控制裝置中的應用

在農業收獲機的電氣自動化控制裝置中，PLC技術也具有非常顯著的應用效果。以某農業番茄收獲機中的電氣自動化轉速控制裝置的設計為例，PLC技術的具體應用如下。

1）硬件系統設計。在轉速控制裝置中，其硬件系統的主要組成部分包括PLC、旋轉編碼器、觸摸屏和模擬量輸出模塊等。表2是某農業番茄收獲機電氣自動化轉速控制裝置主要硬件選擇情況。

表2 農業番茄收獲機電氣自動化轉速控制裝置主要硬件選擇情況

2）軟件系統設計。將PLC高速輸入端口和旋轉編碼器連接，以此來實現馬達旋轉速度的實時監測。通過觸摸屏，可對轉速進行臨界值設置，當轉速比臨界值大或比臨界值小時，PLC都會將相應的轉速調節指令自動發送給PID（線性控制器），借助于PID，可實現馬達轉速的閉環調節。通過這樣的方式，可讓農業番茄收獲機的轉速得以自動控制，從而實現PLC技術應用優勢的充分發揮[10]。

5 結束語

綜上所述，在農業機械電氣控制裝置中，PLC技術具有非常顯著的自動化控制效果。因此，相關企業、科研工作者在進行農業機械電氣控制裝置的設計和開發時，應加強PLC技術的應用研究，并結合農業機械電氣控制裝置的實際需求，加強對PLC技術的合理應用，以充分滿足農業機械電氣控制裝置的實際應用需求，促進農業機械化發展，助力鄉村振興。