基于PLC 的小型智能噴藥機控制系統的研究*

王炯錫 ，胡天讓 ，陳立濤 ，孫麗萍 ，陳創業 ，孔 祥

（甘肅畜牧工程職業技術學院，甘肅 武威 733006）

農業是國民經濟的重要支柱，而噴藥機作為現代農業生產中必不可少的農業機械之一，其精準、高效的噴藥操作對農業生產的質量和效益有著至關重要的作用。傳統的手動噴藥方式存在著噴藥量不精確、噴藥范圍難以控制、工作效率低等問題，嚴重影響著農業生產的質量和效益。為解決這些問題，研發一種高效、可靠的噴藥機控制系統成為當前研究的重點。而基于可編程邏輯控制器（PLC）的小型智能噴藥機控制系統作為一種現代化的農機控制技術，具有精度高、穩定性好、操作簡單等優點，越來越受研究者和農民的青睞。因此，本研究旨在通過基于PLC 的控制系統設計，實現小型智能噴藥機的精準調節、智能控制和穩定運行，提高農業生產的質量和效益，以期為推動農機智能化、提高農業生產水平和經濟效益作出積極的貢獻。

1 基于PLC的小型智能噴藥機控制系統研究意義

小型智能噴藥機控制系統的研究意義主要表現在以下幾個方面：1）提高農業生產效益。傳統的手動噴藥方式存在著噴藥量不精確、噴藥范圍難以控制、工作效率低等問題，嚴重影響著農業生產的質量和效益。基于PLC 的小型智能噴藥機控制系統可以實現噴藥量的精準調節和噴藥范圍的智能控制，提高了噴藥的準確性和工作效率，降低了噴藥成本，從而提高了農業生產效益。2）推進農機智能化。隨著信息技術的不斷發展，智能化農機的研究和應用已經成為農業生產的一個重要方向。基于PLC 的小型智能噴藥機控制系統可以實現自動化、智能化的噴藥操作，為農機智能化的推廣和應用提供了可行的技術手段，推動了農業生產的綠色化。綜上所述，小型智能噴藥機控制系統的研究對于提高農業生產效益、降低噴藥成本、推進農機智能化和推動農業生產的綠色化具有重要的意義和價值。

2 PLC基本工作原理

可編程邏輯控制器（PLC）是一種現代化的數字化控制設備，廣泛應用于工業自動化領域。其基本工作原理是將用戶需要控制的各種輸入信號（如傳感器信號、按鈕信號等）通過輸入模塊輸入到PLC 中，然后經過PLC 內部的邏輯處理、運算和控制輸出模塊，從而實現對各種執行器（如電機、氣缸等）的控制。PLC 具有可編程、可擴展、可靠性高、響應速度快等優點，因此被廣泛應用于各種自動化控制系統中。PLC 的基本工作原理可以簡單地描述為3 個步驟：輸入、處理和輸出。

1）輸入：PLC 的輸入部分由輸入模塊組成，用于接收各種外部輸入信號，例如開關、傳感器、編碼器等，將這些信號轉化成數字信號，輸入到PLC 的中央處理器（CPU）中。PLC 根據輸入信號的狀態來判斷工作狀態，實現自動控制[1]。

2）處理：PLC 的中央處理器（CPU）負責處理輸入信號，根據程序邏輯進行運算和處理，最終產生相應的控制信號輸出到輸出模塊中。中央處理器的處理過程由3 個部分組成：存儲器、算術邏輯單元（ALU）和控制單元（CU）。

3）輸出：PLC 的輸出部分由輸出模塊組成，用于輸出控制信號到各種執行器（如電機、氣缸等），從而實現對各種設備的控制。PLC 的輸出模塊通常使用繼電器或半導體開關，可以根據需要靈活選擇[2]。

3 基于PLC的小型智能噴藥機控制系統設計

3.1 系統總體設計

基于小型智能噴藥機應用場景需求和PLC 自動控制理念對系統整體框架進行架構設計，如圖1所示。系統主要由4 個模塊組成：信息采集模塊、可編程控制模塊、執行模塊和人機界面。信息采集模塊主要由一系列傳感器收集果樹相關信息，如流量傳感器、速度傳感器、紅外線傳感器等；可編程控制模塊是由PLC控制，該模塊是控制系統的核心，起到分析數據、處理數據的作用；執行模塊由電磁閥和調節閥組成，控制果樹噴灑流量、噴灑壓力等；人機界面主要由觸摸屏構成，實現噴藥機控制系統的控制與監測[3]。

3.2 傳感器設計

在小型智能噴藥機控制系統中，傳感器是不可或缺的部分，它可以采集系統所需的各種信號，如溫度、濕度、壓力、位置、速度等。傳感器的設計對于小型智能噴藥機控制系統的穩定性和精度具有重要影響。

溫度傳感器是小型智能噴藥機控制系統中常用的傳感器之一，可以用來檢測液體或氣體的溫度，常用的溫度傳感器有熱敏電阻、熱電偶等。液位傳感器是小型智能噴藥機控制系統中用于測量液位高度的傳感器，常用的液位傳感器有浮球式液位傳感器、壓力式液位傳感器等。壓力傳感器是小型智能噴藥機控制系統中用于測量壓力的傳感器[4]，常用的壓力傳感器有壓阻式傳感器、電容式傳感器等。位置傳感器是小型智能噴藥機控制系統中用于測量位置的傳感器，常用的位置傳感器有光電式傳感器、霍爾傳感器等。速度傳感器是小型智能噴藥機控制系統中用于測量速度的傳感器，常用的速度傳感器有霍爾傳感器、光電式傳感器等。

在設計過程中，應該選擇適合的傳感器，綜合考慮傳感器的精度、穩定性、響應速度等因素，以確保傳感器的性能能夠滿足小型智能噴藥機控制系統的要求。此外，還需要將傳感器與PLC 進行連接，并編寫相應的程序，以確保傳感器數據能夠被正確地采集和處理。

3.3 PLC主控板設計

PLC 主控板是整個系統的核心部分，負責控制和協調各個部件的工作，包括傳感器、執行器、人機界面等。在設計PLC主控板時，需要注意以下幾方面：

1）需要選擇適合的主控芯片。常用的PLC 主控芯片有德州儀器（TI）的TMS320 系列、富士電機的MICREX-SX 系列等。選擇主控芯片時，需要考慮系統所需的性能和功能，如運算速度、存儲容量、輸入輸出接口等。

2）PLC 主控板需要穩定可靠的電源供應。電源電路的設計應該考慮到系統所需的功率、電壓等因素，以確保系統的穩定性和安全性。通常采用穩壓電源電路，以保證輸出電壓的穩定性。

3）PLC 主控板的輸入輸出接口應該與各個部件相連接，以實現數據的傳輸和控制。常用的輸入輸出接口有模擬輸入輸出接口、數字輸入輸出接口、通信接口等。在設計過程中，需要考慮到接口的數量、類型、接口電平等因素。

4）通信接口是PLC 主控板的重要組成部分，它可以與其他設備進行數據交換和控制指令的傳輸。常用的通信接口有RS232、RS485、以太網接口等。在設計過程中，需要考慮到通信協議、通信速率、數據傳輸方式等因素。

5）PLC主控板的程序設計是實現系統控制和協調的關鍵步驟。程序設計應該根據系統功能需求，編寫相應的程序，包括數據采集、處理、控制指令輸出等。

在PLC 主控板的設計過程中，需要充分考慮系統的穩定性、可靠性和可擴展性。為了確保系統的性能，需要進行系統測試和調試，并對設計進行優化和改進。此外，還需要充分考慮系統的安全性和保密性，以確保系統的可靠性和穩定性[5]。

3.4 人機界面模塊設計

人機界面是小型智能噴藥機控制系統中重要的一部分，它提供了用戶與系統交互的方式。在基于PLC 小型智能噴藥機控制系統的設計中，人機界面模塊設計應該考慮到用戶操作的便利性、界面的美觀性、信息的直觀性等因素。

1）在人機界面模塊設計中，顯示屏是人機界面模塊的核心部分，它可以顯示系統狀態、參數、操作指令等信息。在設計過程中，需要考慮到顯示屏的分辨率、尺寸、顯示方式等因素。通常采用液晶顯示屏，以實現高清晰度、低功耗、易于維護等目的。

2）操作按鈕是人機界面模塊的重要組成部分，它可以通過按鈕的方式輸入操作指令，以實現系統的控制和調整[6]。在設計過程中，需要考慮到操作按鈕的數量、位置、形狀等。通常采用觸摸按鈕，以實現精準、便捷的操作。

3）蜂鳴器是人機界面模塊的輔助部分，它可以通過聲音的方式向用戶提供系統狀態、警告等信息。在設計過程中，需要考慮到蜂鳴器的聲音大小、音調等，以實現清晰、易于辨識的聲音提示[7]。

4）人機界面模塊還可以包括其他輔助部件，如LED 燈、鍵盤等。LED 燈可以通過不同顏色的燈光表示不同的系統狀態；鍵盤可以提供更多的操作方式和參數輸入方式。

在人機界面模塊設計過程中，需要考慮到用戶的操作習慣、視覺需求等因素。為了實現良好的用戶體驗，需要進行用戶測試和反饋收集，并對設計進行優化和改進。

3.5 軟件設計

在基于PLC 小型智能噴藥機控制系統的設計中，PLC 編程設計是至關重要的一環，它直接決定了系統的運行效率和準確性。以下將從PLC 編程的基本結構、PLC 編程語言和PLC 編程設計的流程等方面進行闡述[8]。

1）PLC 編程是基于圖形化的編程界面進行的，其中PLC 程序包含多個模塊，每個模塊都是由一系列的程序指令構成。PLC 程序的基本結構包括輸入模塊、輸出模塊、中間模塊和功能模塊。其中，輸入模塊用來讀取傳感器的狀態信息；輸出模塊用來控制執行器的動作；中間模塊用來實現數據處理和邏輯運算；功能模塊用來實現特定的功能需求。

2）PLC 編程語言包括多種類型，如梯形圖、函數塊圖、指令列表、結構化文本等。在基于PLC 小型智能噴藥機控制系統的設計中，通常采用梯形圖和函數塊圖。梯形圖是一種圖形化的編程語言，用來實現邏輯運算和數據處理，通過連接和組合不同的邏輯元件來實現復雜的控制任務。函數塊圖是一種結構化的編程語言，可以實現更加復雜的邏輯運算和數據處理，通過函數塊之間的連接和調用來實現功能的分配和協調[9]。

3）PLC 編程設計的流程包括需求分析、概念設計、詳細設計、編程實現、測試調試等多個環節。需求分析是指對系統需求和功能進行詳細分析和定義，包括系統的輸入輸出、控制邏輯、數據處理、故障處理等方面。概念設計是在需求分析的基礎上，對系統的整體結構和功能進行設計，確定各個模塊之間的關系和數據流動。詳細設計是對概念設計進行細化和具體化，確定各個模塊的具體實現方式和程序指令。編程實現是將詳細設計轉化為PLC程序的實現，包括選擇編程語言、編寫程序指令、設置變量和調用函數等。測試調試是對編程實現進行測試和驗證，檢查程序的正確性和穩定性，保證系統能夠正常運行[10]。

4 結論

隨著現代農業的發展，農業生產中使用的農藥和化肥數量越來越多，這些農藥和化肥在不當使用時容易造成環境污染和農產品污染，甚至對人體健康造成危害。因此，開發一種能夠精確控制噴灑量和噴灑方向的小型智能噴藥機控制系統是十分必要的。本研究設計的基于PLC 的小型智能噴藥機控制系統可以實現農藥和化肥的精準噴灑，并減少農藥和化肥的浪費和污染，以提高農業生產效益和農產品質量。此外，小型智能噴藥機控制系統還可以應用于城市園林、果園、葡萄園、大田等多種作物的噴灑和施肥作業中，具有廣泛的應用前景。