夏曉謙 ， 邱熹程 ， 朱愛元 ， 夏寧清

（1.益陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 益陽 413000；2.湖南中天龍舟股份有限公司，湖南 岳陽 414000）

0 引言

目前，我國的化肥施用量已居世界前列。2022年中央一號文件指出，為推動經(jīng)濟社會平穩(wěn)健康發(fā)展，要穩(wěn)住農(nóng)業(yè)基本盤、做好“三農(nóng)”工作，持續(xù)推進種植業(yè)綠色健康發(fā)展，推動科學(xué)施肥技術(shù)普及，確保農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)。

目前，水稻側(cè)深施肥技術(shù)已經(jīng)逐步得到推廣，但側(cè)深施肥只能實現(xiàn)定量施肥，未突破精準(zhǔn)施肥技術(shù)[1]。首先，現(xiàn)有機型在一定范圍內(nèi)可進行施肥量調(diào)節(jié)，但基于田塊地理條件、土壤性狀以及作物生長特征，實現(xiàn)作物定點、定量、定時的精準(zhǔn)施肥技術(shù)急需突破，現(xiàn)有機型遠不能滿足肥料“減施”與面源污染控制要求。其次，針對目前采用的機械排肥、氣體送肥等施肥方式的機理研究不深入，提升機具工作性能的“瓶頸”依然存在[2-3]。最后，側(cè)深施肥裝置中堆肥區(qū)域以及排肥區(qū)域存在濕度大的問題，需要對其進行干燥，以避免由此產(chǎn)生的肥料顆粒黏結(jié)導(dǎo)致堵塞排肥管道以及肥料顆粒破碎等問題[4]，降低施肥效果。針對上述問題，課題組設(shè)計了一套帶恒濕功能的側(cè)深施肥自動控制系統(tǒng)，采用發(fā)動機自熱導(dǎo)流與閥門控制濕度，通過自動化系統(tǒng)，有效減輕了人員工作量，提高了工作效率。

1 肥料顆粒側(cè)深施放工藝流程

常用側(cè)深施肥機采用邊行走邊施肥的工作方式，肥料通過積肥區(qū)域到達排肥管，再通過螺旋機構(gòu)將肥料顆粒運送至土壤下層的施肥點，達到精準(zhǔn)施肥的目的。肥料顆粒側(cè)深施放工藝流程如圖1所示。

圖1 肥料顆粒側(cè)深施放工藝流程圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件選型與設(shè)計

根據(jù)側(cè)深施肥工藝、車輛行走等要求，初步得出主控CPU 及擴展模塊分別為6 個數(shù)字量輸入點、15個數(shù)字量輸出點和6 路模擬量輸入點[5-7]。考慮系統(tǒng)可能會做進一步的拓展，根據(jù)經(jīng)濟性，可采用西門子1200 系列產(chǎn)品作為控制系統(tǒng)主控單元，具體可選擇西門子1214C AC/DC/ALY 系列PLC（1 600 Ma）作為主控單元，本次選用主體中本體具備14 輸入點數(shù)、10 輸出點數(shù)，并具有2 個通道的模擬量輸入和4 路高速脈沖輸出。根據(jù)側(cè)深施肥控制系統(tǒng)要求，本體輸出點不足，需要進行數(shù)字量和模擬量擴展選用。通過查閱樣本手冊以及系統(tǒng)控制分析，需選配SM1222型號（135 Ma）數(shù)字量輸出擴展模塊，本模塊可擴展數(shù)字量16 點位。針對模擬量輸入信號要求，需選配SM1231 型號（90 Ma）模擬量擴展，本模擬量擴展模塊可增加8 通道模擬量輸入。最后，考慮到系統(tǒng)需要進行手動調(diào)試、自動化運行以及信息實時顯示與監(jiān)控要求，需要選配人機界面，可選用KTP700 精簡7 寸系列設(shè)備。

本次所設(shè)計系統(tǒng)需要通過濕度傳感器等元件將模擬信號傳至PLC 主控系統(tǒng)進行分析與控制，根據(jù)信號采集不同，需要對濕度、限位、電機轉(zhuǎn)速反饋等方面選擇不同功能類型的傳感器。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊包括電機轉(zhuǎn)速檢測、積肥盒內(nèi)部濕度檢測、肥料位置高度檢測的各類傳感器，輸出電流4 mA~20 mA或輸出直流電壓0~10 V，同時具有一定的防水、防腐蝕和防潮功能。本次選用的濕度傳感器為華控興業(yè)產(chǎn)品，型號HSTL-107WS，其內(nèi)部擁有高性能的單片機進行信號處理，性能優(yōu)越，穩(wěn)定性強，精準(zhǔn)度高，適用于室內(nèi)環(huán)境的溫濕度測量。其供電電源為24DC，輸出信號為DC0~10 V，濕度測量范圍為0~100%RH，濕度測量精度為±3%，滿足系統(tǒng)控制要求。

根據(jù)控制要求對需要控制的對象進行分析[8-10]，首先，在1#~6#積肥盒側(cè)面設(shè)置單獨的烘干閥門，通過閥門的開閉來實現(xiàn)對每個積肥盒的烘干作業(yè)。其次，1#~6#電機需要進行速度調(diào)節(jié)與速度信息反饋。最后，分析機架運動、烘干熱風(fēng)啟動、缺肥顯示、報警燈常規(guī)輸出。

2.2 控制系統(tǒng)地址分配

本系統(tǒng)以西門子1214C AC/DC/ALY PLC為中央控制器，控制各個閥門、抬升液壓缸、電機的動作，并接收濕度傳感器的信號，通過觸摸屏與PLC 的通信，完成側(cè)深排肥系統(tǒng)的人機交互功能。設(shè)計的I/O接口有27個，其中開關(guān)量輸入6個、模擬量輸入6個、開關(guān)量輸出15 個，232、485 通信接口各1 個，具體PLC地址分配如表1所示。

表1 控制系統(tǒng)地址分配

2.3 控制程序設(shè)計

在進行程序設(shè)計之前，需要對系統(tǒng)控制要求進行梳理。根據(jù)側(cè)深施肥系統(tǒng)的工作流程和控制要求，該系統(tǒng)包括手動控制與自動控制兩部分，通過觸摸屏進行控制方式的切換。采用西門子專用的編程軟件博途V16 完成PLC 控制程序的編寫，系統(tǒng)模塊組成與程序框架如圖2 所示。手動程序通過面板上的機械按鈕進行操作，自動控制過程采用順序控制的方式，根據(jù)工作過程，先進行系統(tǒng)狀態(tài)自檢與初始化，將系統(tǒng)上電后，檢測肥料顆粒是否充足，通過每個積肥盒的濕度傳感器進行檢測，如濕度超標(biāo)則停止螺旋電機運轉(zhuǎn)，停止行走并出現(xiàn)報警提示（除濕）。此時，啟動熱風(fēng)裝置，并根據(jù)濕度數(shù)據(jù)開啟對應(yīng)閥門，對其進行熱風(fēng)干燥。待濕度合適后，關(guān)閉熱風(fēng)裝置與閥門，開啟落料閥門并啟動螺旋電機，最終將肥料排入土壤中。由于整體程序較長，程序只截取部分1#號控制邏輯，2#~6#邏輯框架相同，詳情如圖3至圖9 所示。

圖3 主體系統(tǒng)初始化

圖4 通道模擬量運算子程序

圖5 螺旋電機、電磁閥開閉控制

圖6 缺肥提示

圖7 熱風(fēng)啟動觸發(fā)

圖8 手動/自動狀態(tài)控制

2.4 觸摸屏軟件設(shè)計

控制程序中需要對一系列數(shù)據(jù)進行顯示，上位機軟件采用西門子WinCC V7.0 進行設(shè)計，設(shè)計系統(tǒng)監(jiān)控畫面，詳情如圖10 所示。其中，包括肥料量、行走速度、旋轉(zhuǎn)速度、i#實時濕度值、各控制對象狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)肥料堵轉(zhuǎn)、電機過熱報警等狀態(tài)時，會適時進行報警和中斷。組態(tài)界面可以實現(xiàn)系統(tǒng)的啟動和停止，實時監(jiān)測溫濕度環(huán)境參數(shù)值，觀察執(zhí)行設(shè)備運行狀態(tài)，動態(tài)顯示溫濕度參數(shù)實時變化趨勢，并可瀏覽一段時間內(nèi)的歷史變化趨勢[11-13]。

圖10 組態(tài)界面圖

3 結(jié)束語

與傳統(tǒng)電氣控制方式相比，利用PLC 進行側(cè)深施肥控制系統(tǒng)設(shè)計具有更高的系統(tǒng)穩(wěn)定性。同時，通過模擬量控制使得肥料顆粒在施放過程中能保持干燥，能有效避免顆粒黏結(jié)和破碎帶來的效率問題，具有較好的工程價值。