PLC 技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械電氣控制裝置中的應(yīng)用

劉 川 ，叢東方 ，黃秋梅

（凱傲（濟南）叉車有限公司，山東 濟南 271100）

1 PLC技術(shù)概述

PLC 是可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller）的簡稱，是一種專門用于自動化控制的電子計算機。PLC 主要用于控制生產(chǎn)過程中機器和設(shè)備的運行，以實現(xiàn)生產(chǎn)自動化、智能化和高效化。PLC 的核心是中央處理器（CPU），它通過輸入輸出接口（I/O）與外部設(shè)備進行通信，并根據(jù)預(yù)設(shè)的程序和邏輯規(guī)則對設(shè)備進行控制[1]。PLC 的程序可以通過編程軟件進行編寫和修改，可以靈活適應(yīng)不同場景和需求。此外，PLC 還具有高可靠性、易于編程、抗干擾能力強、操作簡便等特點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、機器人控制、交通運輸、農(nóng)業(yè)機械等領(lǐng)域[2]。PLC 在農(nóng)業(yè)機械電氣領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，主要是通過PLC 控制系統(tǒng)實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)機械的自動化控制和智能化管理，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，降低成本，同時也可以減輕人工勞動力的壓力。PLC 在農(nóng)業(yè)機械電氣應(yīng)用中，可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械的自動化控制、數(shù)據(jù)采集和分析，幫助農(nóng)民實現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。PLC 控制系統(tǒng)的主要應(yīng)用原理示意圖如圖1 所示。

2 PLC在灌溉控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

PLC 灌溉系統(tǒng)是一種自動化控制系統(tǒng)，主要通過PLC 控制器對灌溉系統(tǒng)進行自動化控制，包括灌溉設(shè)備的啟停、水泵的控制、灌溉管道的控制、水位監(jiān)測、氣象參數(shù)的采集等，以下是PLC 灌溉系統(tǒng)的工作原理[3]。

1）傳感器采集數(shù)據(jù)：PLC 灌溉系統(tǒng)通過傳感器采集土壤濕度、溫度、降雨量等數(shù)據(jù)，作為控制系統(tǒng)的輸入信號。

2）控制器處理數(shù)據(jù)：PLC 控制器接收傳感器采集的數(shù)據(jù)，進行邏輯控制和處理，并根據(jù)預(yù)設(shè)的灌溉計劃，自動進行灌溉設(shè)備的啟停控制、水泵的控制和灌溉管道的控制等[4]。常見的灌溉控制系統(tǒng)PLC 控制器及其特點如表1所示。

表1 常見的灌溉控制系統(tǒng)PLC控制器及其特點

3）執(zhí)行器執(zhí)行控制命令：PLC 控制器通過輸出模塊向執(zhí)行器發(fā)送控制命令，例如控制水泵的開關(guān)，控制灌溉管道的閥門開關(guān)等。

4）監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)：PLC 灌溉系統(tǒng)還配備有監(jiān)控系統(tǒng)，可以實時監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)、運行情況和故障信息，并通過報警系統(tǒng)及時提示操作人員進行處理。

綜上所述，PLC 灌溉系統(tǒng)通過自動化控制和智能化管理，可以實現(xiàn)對灌溉設(shè)備的自動化控制和精準(zhǔn)灌溉，提高水資源利用率，同時也可以降低人工成本和提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率[5]。

3 PLC在耕種機械中的應(yīng)用

PLC 在耕種機械中的應(yīng)用越來越廣泛，主要原因在于PLC 可以實現(xiàn)對耕種機械的自動控制和監(jiān)控，提高耕種效率和質(zhì)量，同時還可以減少人工干預(yù)和勞動力成本。耕種機械中，PLC 可以應(yīng)用于各種不同的功能模塊，例如土地平整、耕翻、播種、噴灑等等。其中，PLC 可以通過控制機械的運動軌跡、速度和方向等參數(shù)，實現(xiàn)對土地的平整和耕翻，確保土地質(zhì)量和作物生長的良好環(huán)境。同時，PLC 還可以通過連接傳感器和計算機視覺系統(tǒng)，對作物的生長情況進行監(jiān)控和分析，實現(xiàn)對耕種機械的自動控制和調(diào)整，提高作物的產(chǎn)量和質(zhì)量[6]。

3.1 自動化控制

通過PLC控制器對耕種機械進行自動化控制，如控制耕作深度、行進速度、轉(zhuǎn)向等。通過傳感器采集土壤濕度、溫度、植物生長情況等數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)設(shè)的控制程序，精確控制耕種機械的運行，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，具體的實現(xiàn)過程如下。

1）傳感器采集數(shù)據(jù)：耕種機械需要安裝一些傳感器，如深度傳感器、速度傳感器、轉(zhuǎn)向傳感器等，用于采集耕種機械的相關(guān)數(shù)據(jù)，如耕作深度、行進速度、轉(zhuǎn)向等。

2）信號處理與邏輯控制：PLC 控制器接收傳感器采集的數(shù)據(jù)，并進行信號處理和邏輯控制，根據(jù)預(yù)設(shè)的程序和算法，計算出需要控制的參數(shù)，如控制耕作深度、行進速度等。

3）執(zhí)行器控制：PLC 控制器通過輸出模塊控制執(zhí)行器，如控制耕刀深度、行進速度等。執(zhí)行器可以是電機、液壓馬達(dá)、氣缸等，根據(jù)具體應(yīng)用選擇不同的執(zhí)行器。

4）反饋控制：耕種機械的自動化控制還需要有一個反饋控制環(huán)節(jié)，通過傳感器對執(zhí)行器的控制結(jié)果進行反饋，比較實際值和目標(biāo)值之間的差距，然后對控制參數(shù)進行調(diào)整，以達(dá)到更好的控制效果。

5）人機界面：為了方便操作人員對耕種機械進行設(shè)置、調(diào)試和控制，PLC 控制器還需要與人機界面設(shè)備進行連接，如觸摸屏、顯示器等，通過人機界面設(shè)備可以實現(xiàn)對PLC控制器的操作和控制。

3.2 智能化管理

通過PLC 控制器可以實現(xiàn)對耕種機械的智能化管理，如自動化巡航、故障檢測與診斷、遠(yuǎn)程監(jiān)控等。通過與GPS、GPRS 等技術(shù)及設(shè)備配合，實現(xiàn)對耕種機械的實時監(jiān)控和管理，及時發(fā)現(xiàn)和解決故障，提高設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，具體實現(xiàn)的過程如下。

1）GPS 定位和導(dǎo)航：耕種機械安裝了GPS 定位和導(dǎo)航設(shè)備，PLC 控制器可以實時獲取耕種機械的位置和運行軌跡，并進行路徑規(guī)劃和導(dǎo)航。

2）GPRS 通信或無線網(wǎng)絡(luò)連接：耕種機械還需要安裝GPRS 通信設(shè)備或無線網(wǎng)絡(luò)連接，通過與云平臺或遠(yuǎn)程服務(wù)器進行通信，實現(xiàn)對耕種機械的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

3）數(shù)據(jù)采集與分析：通過PLC 控制器和傳感器采集耕種機械的相關(guān)數(shù)據(jù)，如作業(yè)時間、面積、深度、速度等，利用算法和模型進行分析，提供決策支持和優(yōu)化方案。

4）遠(yuǎn)程控制和協(xié)同作業(yè)：通過GPRS 通信或無線網(wǎng)絡(luò)連接，可以實現(xiàn)對耕種機械的遠(yuǎn)程控制和協(xié)同作業(yè)，如遠(yuǎn)程啟動、停止、加油、換刀等。

5）故障診斷和預(yù)警：通過PLC 控制器和傳感器采集耕種機械的運行狀態(tài)和性能數(shù)據(jù)，再利用算法和模型進行分析，及時發(fā)現(xiàn)故障并提供預(yù)警，為農(nóng)民提供及時有效的維修服務(wù)。

6）數(shù)據(jù)存儲和共享：通過云平臺或遠(yuǎn)程服務(wù)器，實現(xiàn)對耕種機械相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲和共享，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理提供數(shù)據(jù)支持和決策參考。

綜上所述，PLC 在耕種機械中的應(yīng)用，可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動化程度和智能化水平，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，減少人工成本和資源浪費，同時也為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。

4 PLC在施肥機械中的應(yīng)用

PLC 施肥機械是一種自動化控制系統(tǒng)，它利用可編程邏輯控制器（PLC）控制施肥機械的操作，以實現(xiàn)精確施肥。其工作原理是通過傳感器檢測土壤中的營養(yǎng)元素含量，然后將這些信息傳輸給PLC。PLC再根據(jù)預(yù)設(shè)的施肥計劃來控制施肥機械的輸出量和噴霧方向，從而實現(xiàn)對作物施肥的自動化控制[7]。

1）傳感器信號的采集：PLC 通過連接傳感器，可以采集土壤水分、養(yǎng)分含量等相關(guān)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將作為控制施肥機械的依據(jù)。

2）施肥計劃的制定：基于采集到的土壤數(shù)據(jù)，PLC 可以制定施肥計劃。根據(jù)作物生長期的不同需求，PLC 可以自動調(diào)整施肥量和施肥時間，以實現(xiàn)最佳的施肥效果。

3）控制施肥機械的運行：PLC 通過輸出信號控制施肥機械的運行。通過對施肥機械進行操作，PLC 可以實現(xiàn)精確的施肥操作，包括施肥量、噴灑方向、噴灑速度的控制等。

4）數(shù)據(jù)的記錄和分析：PLC 可以記錄施肥機械的運行數(shù)據(jù)，包括施肥量、噴灑方向、噴灑速度等。這些數(shù)據(jù)可以通過PLC 內(nèi)置的數(shù)據(jù)處理程序進行分析，以便對施肥效果進行評估和調(diào)整。

綜上所述，PLC 在施肥機械控制中的原理是通過采集傳感器信號，制定施肥計劃，控制施肥機械的運行，記錄并分析數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)精確的施肥操作，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量[8]。

5 PLC在收割機械中的應(yīng)用

PLC 在收割機械中的應(yīng)用原理基于其控制系統(tǒng)的設(shè)計和功能，以下是其控制的基本原理[9]。

1）控制刀具的移動和高度：PLC 可以控制收割機械刀具的位置和高度，以確保它們適當(dāng)?shù)厍懈钋f稼，避免損壞收割頭或作物。這通常涉及使用傳感器來檢測作物的高度和位置，并使用電動機或液壓系統(tǒng)來控制收割頭的移動和高度。

2）控制切割刀的速度：PLC 可以控制收割機械上的切割刀的速度，以確保它們以正確的速度切割莊稼。這通常涉及使用電動機或液壓系統(tǒng)來控制刀片的速度，并使用傳感器來檢測刀片的位置和速度。

3）控制輸送帶的速度：PLC 可以控制收割機械上輸送帶的速度，以將莊稼從收割頭輸送到儲存區(qū)。這通常涉及使用電動機或液壓系統(tǒng)來控制輸送帶的速度，并使用傳感器來檢測莊稼的數(shù)量和質(zhì)量。

4）收集和監(jiān)控數(shù)據(jù)：PLC 可以收集和監(jiān)控收割機械的數(shù)據(jù)，例如切割刀的速度、輸送帶的速度、莊稼的數(shù)量和質(zhì)量等等。這些數(shù)據(jù)可以用于優(yōu)化收割機械的性能，并提高作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。通常，PLC 會使用傳感器來收集這些數(shù)據(jù)，并將其存儲在內(nèi)部存儲器中，以便后續(xù)分析和處理。

5）作物檢測和識別：PLC 可以連接圖像傳感器和計算機視覺系統(tǒng)，對作物進行檢測和識別。通過分析作物的形狀、顏色、大小等特征，PLC 可以自動判斷作物的成熟度和收割時間，從而提高收割效率并減少浪費。

6）自動導(dǎo)航：PLC 可以連接GPS 定位系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，實現(xiàn)對收割機械的自動導(dǎo)航。通過預(yù)先設(shè)定的路線和收割區(qū)域，PLC 可以自動控制收割機械的行進方向和速度，避免重復(fù)收割或遺漏收割等問題，提高收割效率和質(zhì)量。

綜上所述，PLC 在收割機械中的應(yīng)用原理是基于其控制系統(tǒng)的設(shè)計和功能，通過控制機械的各個部件來自動化和優(yōu)化收割過程，并提高作物的產(chǎn)量和質(zhì)量[10]。

6 結(jié)語

隨著農(nóng)業(yè)機械化水平的不斷提高，PLC 技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械電氣控制裝置中的應(yīng)用也越來越廣泛。通過使用PLC 技術(shù)，農(nóng)業(yè)機械可以實現(xiàn)自動化控制、實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄等，從而提高機械的效率和運行穩(wěn)定性；實現(xiàn)數(shù)據(jù)化管理和遠(yuǎn)程控制，從而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。隨著農(nóng)業(yè)自動化和智能化的發(fā)展，PLC 在農(nóng)耕機械中的應(yīng)用將呈現(xiàn)以下趨勢：1）與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合，通過將PLC 與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)農(nóng)耕機械的遠(yuǎn)程監(jiān)控和智能調(diào)度，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率；2）與大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)結(jié)合，通過將PLC 與大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)農(nóng)耕機械的智能優(yōu)化和決策支持，為精細(xì)化農(nóng)業(yè)管理提供技術(shù)支持；3）與無人駕駛技術(shù)融合，通過將PLC 與無人駕駛技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)農(nóng)耕機械的全自動作業(yè)，減輕農(nóng)民勞動強度；4）向綠色環(huán)保方向發(fā)展，通過對PLC 進行優(yōu)化設(shè)計和編程，實現(xiàn)農(nóng)耕機械的節(jié)能減排和環(huán)境友好型發(fā)展目標(biāo)，促進綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展。