王炯錫 胡天讓 孔 祥 陳創(chuàng)業(yè)

甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 武威 733006

0 引言

為了探索一種可靠、高效、安全的果樹(shù)噴藥系統(tǒng)控制方案，筆者基于可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）設(shè)計(jì)了一套果樹(shù)噴藥機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)將先進(jìn)的電氣控制技術(shù)應(yīng)用于果樹(shù)噴藥系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)果樹(shù)噴藥過(guò)程的自動(dòng)化和精確控制，進(jìn)而提高果樹(shù)噴藥的質(zhì)量和效率，同時(shí)減少噴藥作業(yè)對(duì)環(huán)境和人體造成的傷害。

1 研究背景

傳統(tǒng)的手動(dòng)噴藥方式存在很多問(wèn)題，如工作效率低、施藥方式不規(guī)范等，影響果樹(shù)的生長(zhǎng)發(fā)育和農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)效益。因此，采用自動(dòng)化控制技術(shù)改進(jìn)果樹(shù)噴藥方式具有重要意義。目前，引入PLC 已經(jīng)成為自動(dòng)化控制領(lǐng)域的重要手段之一。相對(duì)于傳統(tǒng)的微型控制器，PLC具有更高的安全性和更好的兼容性，越來(lái)越受到農(nóng)業(yè)機(jī)械研發(fā)與生產(chǎn)領(lǐng)域的重視。已有研究基于PLC 開(kāi)發(fā)了各種類型的農(nóng)業(yè)機(jī)械控制系統(tǒng)，如噴灌系統(tǒng)、播種機(jī)器人等［1］。這些研究證明了PLC 在農(nóng)業(yè)機(jī)械化中的重要性。因此，基于PLC 的果樹(shù)噴藥機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，不僅有助于提高果樹(shù)噴藥的效率和質(zhì)量，而且有助于推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化發(fā)展，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的目標(biāo)。

2 果樹(shù)噴藥機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 果樹(shù)噴藥機(jī)的結(jié)構(gòu)

果樹(shù)噴藥機(jī)是一種常用的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備，用于果樹(shù)病蟲害防治。通常，果樹(shù)噴藥機(jī)主要由以下幾個(gè)部分組成。①液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)包括油箱、油泵、閥門、油管等，用于提供噴藥機(jī)的動(dòng)力源和控制噴藥機(jī)的運(yùn)動(dòng)。②噴霧系統(tǒng)。噴霧系統(tǒng)包括液壓馬達(dá)、高壓水泵、噴霧管路等，用于將農(nóng)藥液體霧化并均勻地噴灑在果樹(shù)上。③操控系統(tǒng)。操控系統(tǒng)包括控制臺(tái)、操縱桿、開(kāi)關(guān)等，用于控制噴霧系統(tǒng)和噴藥機(jī)的運(yùn)動(dòng)。④架子系統(tǒng)。架子系統(tǒng)包括車架、輪子、懸掛系統(tǒng)等，用于支撐和運(yùn)輸噴藥機(jī)。

通過(guò)液壓系統(tǒng)提供的動(dòng)力，噴藥機(jī)可以實(shí)現(xiàn)前后、上下、左右等方向的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)高壓水泵和噴霧管路，噴藥機(jī)可以將液體農(nóng)藥均勻地噴灑在果樹(shù)上，從而達(dá)到防治果樹(shù)病蟲害的目的。同時(shí)，操控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)噴霧系統(tǒng)和噴藥機(jī)的精確控制，提高噴藥的效率和質(zhì)量。

2.2 果樹(shù)噴藥機(jī)噴藥原理

果樹(shù)噴藥機(jī)利用噴霧系統(tǒng)將農(nóng)藥液體霧化成微小顆粒，并將其噴灑到果樹(shù)的葉片和果實(shí)上，達(dá)到防治果樹(shù)病蟲害的目的。在噴藥過(guò)程中，農(nóng)藥液體從液體儲(chǔ)罐中被抽取出來(lái)，經(jīng)過(guò)高壓水泵進(jìn)入噴霧管路，之后通過(guò)微孔噴頭或其他霧化裝置被霧化成微小液滴，最終由風(fēng)扇或液壓馬達(dá)噴灑到果樹(shù)上。噴藥過(guò)程中，工作人員需要考慮多種因素，如氣溫、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速及樹(shù)冠密度等。這些因素會(huì)影響噴灑效果和噴藥量。因此，噴藥機(jī)通常配備有氣象儀和液晶顯示屏等設(shè)備，操作人員可以利用其監(jiān)測(cè)當(dāng)前環(huán)境參數(shù)，并通過(guò)PLC 調(diào)整噴藥機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和噴藥量，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴藥。

3 基于PLC 的果樹(shù)噴藥機(jī)控制系統(tǒng)需求分析和功能設(shè)計(jì)

3.1 需求分析

在設(shè)計(jì)基于PLC 的果樹(shù)噴藥機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，主要考慮以下幾方面需求。一是自動(dòng)化控制?？刂葡到y(tǒng)需要通過(guò)自動(dòng)化方式實(shí)現(xiàn)噴藥機(jī)的啟停、轉(zhuǎn)速控制、藥液供應(yīng)控制、噴頭控制等功能，從而提高噴藥效率和精度。二是精確控制?？刂葡到y(tǒng)需要具有高精度的控制能力，從而精確控制噴藥機(jī)的轉(zhuǎn)速、流量、藥液供應(yīng)等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴藥。三是友好的人機(jī)交互界面?？刂葡到y(tǒng)需要具有友好的人機(jī)交互界面，從而清晰地顯示噴藥機(jī)的工作狀態(tài)和噴藥效果，同時(shí)需要支持人工干預(yù)和調(diào)整。四是具備遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)能力?？刂葡到y(tǒng)需要具有遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)能力，工作人員可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制器和網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)，從而提高管理效率和降低管理成本。五是安全性?？刂葡到y(tǒng)需要具有高度的安全性，能夠保證操作人員的安全，同時(shí)需要保證噴藥機(jī)的安全運(yùn)行。六是可靠性?？刂葡到y(tǒng)需要具有較高的可靠性，從而保證長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)需要具有自動(dòng)故障檢測(cè)和報(bào)警功能，以便操作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理故障。

設(shè)計(jì)人員通過(guò)分析基于PLC 的果樹(shù)噴藥機(jī)控制系統(tǒng)的需求，可以明確系統(tǒng)的功能和性能要求，從而有針對(duì)性地進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)、安全、穩(wěn)定的果樹(shù)噴藥機(jī)控制。

3.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)果樹(shù)實(shí)際噴藥需求，筆者基于PLC 設(shè)計(jì)了一套果樹(shù)噴藥機(jī)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)包括硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。

3.2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)是指選擇適合的硬件設(shè)備（如傳感器等）實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括以下4 個(gè)方面。①PLC 選擇。由于控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)較高的精度和穩(wěn)定性，筆者選用高性能的PLC 進(jìn)行控制，以確?？刂葡到y(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。在選擇PLC 時(shí)，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)人員需要考慮輸入輸出點(diǎn)數(shù)、通信接口、存儲(chǔ)容量等因素。②傳感器選擇。噴藥機(jī)需要實(shí)時(shí)感知相關(guān)參數(shù)，如溫度、濕度、風(fēng)速等，因此需要選用適合的傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。③執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇。噴藥機(jī)需要實(shí)現(xiàn)液壓控制和電機(jī)控制等功能，因此需要選用適合的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如液壓缸、電機(jī)等。④人機(jī)交互界面選擇。為了方便操作人員操作和監(jiān)控，筆者在噴藥機(jī)上設(shè)置觸摸屏等人機(jī)交互界面設(shè)備，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和參數(shù)調(diào)整。

3.2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)是指基于選定的硬件設(shè)備，設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)各項(xiàng)功能的控制程序。軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括以下3 個(gè)方面。①控制程序設(shè)計(jì)?；赑LC 編寫控制程序?qū)崿F(xiàn)各項(xiàng)功能，如液壓控制、電機(jī)控制、傳感器數(shù)據(jù)采集等，同時(shí)需要實(shí)現(xiàn)程序的自動(dòng)化控制和故障診斷功能，保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。②數(shù)據(jù)處理和通信設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)需要實(shí)時(shí)處理各種傳感器數(shù)據(jù)，并將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺藱C(jī)交互界面設(shè)備，以便進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和參數(shù)調(diào)整。因此，筆者需要設(shè)計(jì)出合理的數(shù)據(jù)處理和通信方案，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。③軟件界面設(shè)計(jì)。為了方便操作和監(jiān)控，筆者需要設(shè)計(jì)適合人機(jī)交互界面設(shè)備的軟件界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和參數(shù)調(diào)整，同時(shí)需要具有報(bào)警提示和故障診斷功能。

3.3 功能模塊設(shè)計(jì)

基于PLC 的果樹(shù)噴藥機(jī)控制系統(tǒng)可以分為傳感器模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊、人機(jī)交互模塊、PLC 控制模塊和通信模塊5 個(gè)模塊。①傳感器模塊負(fù)責(zé)感知果樹(shù)噴藥機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)，如噴霧壓力、液位、速度、位置等信息。該模塊需要具備高精度、穩(wěn)定性和可靠性，能夠在惡劣的工作環(huán)境下正常工作。②執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊是指控制噴藥機(jī)進(jìn)行噴霧操作的部分，包括噴槍、電機(jī)、閥門等。該模塊需要具備高精度、高速度、可靠性和耐腐蝕性能，能夠滿足不同條件下的工作要求［2］。③人機(jī)交互模塊是指用戶與果樹(shù)噴藥機(jī)之間的信息交互，包括觸摸屏、按鍵、發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，LED）顯示屏等。該模塊需要具備簡(jiǎn)單易用、直觀清晰的界面，能夠有效提高操作效率和用戶體驗(yàn)。④PLC 控制模塊是該系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)控制整個(gè)果樹(shù)噴藥機(jī)的工作過(guò)程。該模塊需要具備高速、高穩(wěn)定性、高可靠性的控制能力，能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)模塊之間的協(xié)調(diào)與控制。⑤通信模塊負(fù)責(zé)與其他設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行通信，包括傳輸控制指令、接收運(yùn)行數(shù)據(jù)等。該模塊需要具備高速、穩(wěn)定、安全的數(shù)據(jù)傳輸能力，能夠與其他設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)縫連接。

4 控制系統(tǒng)硬件選型和軟件設(shè)計(jì)方案

4.1 傳感器模塊硬件選型和軟件設(shè)計(jì)

基于PLC 的果樹(shù)噴藥機(jī)控制系統(tǒng)需要使用多種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的噴藥控制。一是需要選用適合果樹(shù)噴藥機(jī)的傳感器，包括液位傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器及風(fēng)速傳感器等。液位傳感器主要用于檢測(cè)藥液的液位，以保證藥液噴灑量；壓力傳感器主要用于檢測(cè)液壓系統(tǒng)的壓力變化，以調(diào)整藥液的流量；溫度傳感器用于檢測(cè)藥液和環(huán)境溫度，以避免藥液過(guò)熱或結(jié)冰；風(fēng)速傳感器則用于檢測(cè)風(fēng)速，以調(diào)整噴藥方向和噴霧粒徑。二是傳感器模塊的硬件設(shè)計(jì)需要考慮傳感器與PLC 之間的接口方式和數(shù)據(jù)傳輸方式，如可采用模擬信號(hào)輸入、數(shù)字信號(hào)輸入或通信接口方式。三是傳感器模塊的軟件設(shè)計(jì)包括傳感器數(shù)據(jù)采集和處理，以及數(shù)據(jù)與控制算法的集成。傳感器數(shù)據(jù)采集需要編寫相應(yīng)的程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)處理可通過(guò)濾波、校準(zhǔn)等方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精確度和穩(wěn)定性；控制算法的設(shè)計(jì)需要結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整和控制，以達(dá)到精確的噴藥控制［3］。

4.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊硬件選型和軟件設(shè)計(jì)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊的設(shè)計(jì)和選擇應(yīng)根據(jù)所需的噴藥精度、工作速度、噴藥量等要求來(lái)確定［4］。針對(duì)果樹(shù)噴藥機(jī)的特點(diǎn)，在硬件設(shè)計(jì)方面，筆者選用了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和相應(yīng)的傳感器模塊。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可以將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行精確地旋轉(zhuǎn)。傳感器模塊則用于檢測(cè)噴藥機(jī)的位置、噴霧速度等參數(shù)，并將檢測(cè)結(jié)果傳回PLC，以便控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。在軟件設(shè)計(jì)方面，筆者先進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)設(shè)置，包括步數(shù)、旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)方向等；隨后編寫PLC程序，將所需的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，從而控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度；通過(guò)讀取傳感器信號(hào)監(jiān)測(cè)果樹(shù)噴藥機(jī)的位置、噴霧速度等參數(shù)，將檢測(cè)結(jié)果傳回PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和調(diào)整。

4.3 人機(jī)交互模塊硬件選型和軟件設(shè)計(jì)

人機(jī)交互模塊是用戶與系統(tǒng)連接的橋梁。在核心硬件選型上，此次設(shè)計(jì)采用的是10 寸顯示屏及西門子PLC，從而確?？刂葡到y(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。在軟件設(shè)計(jì)上，主要包括界面設(shè)計(jì)、控制邏輯設(shè)計(jì)及報(bào)警設(shè)計(jì)。第一，界面設(shè)計(jì)。界面是人機(jī)交互模塊的重要組成部分。因此，設(shè)計(jì)人員需要設(shè)計(jì)出直觀、易于操作的界面。設(shè)計(jì)人員可采用圖形化界面，將各個(gè)功能模塊分別設(shè)計(jì)成按鈕、滑動(dòng)條等形式。第二，控制邏輯設(shè)計(jì)。控制邏輯設(shè)計(jì)是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，需要根據(jù)噴藥機(jī)的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，將控制邏輯分成自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種模式。在自動(dòng)控制模式下，系統(tǒng)可以根據(jù)傳感器檢測(cè)到的環(huán)境參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)噴藥機(jī)的噴霧量、噴霧方向等參數(shù)；在手動(dòng)控制模式下，用戶可以通過(guò)界面進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)。第三，報(bào)警設(shè)計(jì)。在控制系統(tǒng)中，需要設(shè)計(jì)報(bào)警功能。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，可以通過(guò)聲音或者特定界面提示用戶，還可以設(shè)置多個(gè)報(bào)警級(jí)別，根據(jù)不同的報(bào)警級(jí)別進(jìn)行不同的處理。

4.4 PLC控制模塊硬件選型和軟件設(shè)計(jì)

PLC 控制模塊設(shè)計(jì)需要考慮以下3 個(gè)方面。一是輸入輸出模塊的設(shè)計(jì)。在PLC 控制模塊中，需要設(shè)計(jì)合適的輸入輸出模塊，包括數(shù)字輸入輸出模塊、模擬輸入輸出模塊等，以滿足系統(tǒng)的輸入輸出需求。二是數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計(jì)。PLC控制模塊需要對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和判斷，以便調(diào)節(jié)噴藥機(jī)的噴霧量、噴霧方向等參數(shù)。在數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計(jì)中，可以采用比例-積分-導(dǎo)數(shù)（Proportion-Integral-Differential，PID）算法等控制算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以達(dá)到精確控制的目的。三是程序調(diào)試和優(yōu)化。程序調(diào)試和優(yōu)化可以采用模擬器、在線調(diào)試等方式，以確保程序的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，同時(shí)需要對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化，以提高系統(tǒng)的效率和可靠性。

4.5 通信模塊硬件選型和軟件設(shè)計(jì)

在硬件選型方面，目前常用的通信模塊有以太網(wǎng)模塊和RS-485 模塊。以太網(wǎng)模塊可以實(shí)現(xiàn)高速穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，而RS-485模塊則具有抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。果樹(shù)噴藥機(jī)在戶外作業(yè)，存在大量干擾因素。因此，筆者采用RS-485 模塊進(jìn)行通信［5］。在軟件設(shè)計(jì)方面，系統(tǒng)需要編寫PLC 程序?qū)崿F(xiàn)通信模塊的功能。程序需要實(shí)現(xiàn)與其他模塊之間的數(shù)據(jù)交換和信息傳遞。例如，系統(tǒng)需要定義數(shù)據(jù)的格式和傳輸方式，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)旨在借助PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)果樹(shù)噴藥機(jī)參數(shù)的精準(zhǔn)控制，滿足自動(dòng)、精準(zhǔn)、高效及穩(wěn)定的噴藥需求，并搭配人機(jī)交互界面提高信息傳遞效率，提升控制力度，以期為智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。