基于PLC的果園氣爆松土注肥機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要:針對(duì)目前果園施肥作業(yè)人工成本大、工作效率低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種果園氣爆松土注肥機(jī)控制系統(tǒng)，旨在實(shí)現(xiàn)鉆土、松土、注肥及回收全過(guò)程自動(dòng)化，提高機(jī)具作業(yè)效率。該系統(tǒng)使用西門(mén)子S7－200PLC作為核心控制器，通過(guò)接收外部傳感器信號(hào)完成數(shù)據(jù)采集;結(jié)合液壓控制技術(shù)，通過(guò)控制繼電器、電磁閥的通斷，實(shí)現(xiàn)控制機(jī)具動(dòng)作;使用SolidWorks三維軟件建立果園氣爆松土注肥機(jī)構(gòu)模型，并使用STEP7Micro－WIN軟件編寫(xiě)程序;最終進(jìn)行了樣機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證了果園氣爆松土注肥機(jī)控制系統(tǒng)的可行性。

　　關(guān)鍵詞:果園;氣爆松土;注肥;控制系統(tǒng);PLC

　　0引言

　　近年來(lái)，我國(guó)果樹(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但是管理粗放，技術(shù)投入低，單位面積產(chǎn)量和效益不容樂(lè)觀。在果樹(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的過(guò)程中，技術(shù)推廣是關(guān)鍵之一，實(shí)行精準(zhǔn)技術(shù)和機(jī)械化、規(guī)模化，提高生產(chǎn)效率與優(yōu)質(zhì)果率，挖潛增值影響巨大［1］。在果樹(shù)生長(zhǎng)結(jié)果過(guò)程中，施肥作業(yè)對(duì)果實(shí)的品質(zhì)及產(chǎn)量的影響至關(guān)重要，決定著幼齡樹(shù)苗發(fā)育生長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)［2－3］。施肥技術(shù)與施肥機(jī)械的落后造成作物不能最大限度地利用肥料且增加了肥料的損失率［4］，果園產(chǎn)業(yè)的發(fā)展促進(jìn)果園機(jī)械化發(fā)展，但我國(guó)水果優(yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)與非優(yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)的綜合機(jī)械化分別水平不到20%、10%［5］。隨著勞動(dòng)力不斷向城市進(jìn)入，農(nóng)村勞動(dòng)人員數(shù)量越來(lái)越少，雇傭勞動(dòng)力的成本也越來(lái)越高，人們對(duì)果樹(shù)機(jī)械化施肥技術(shù)的需求也就越來(lái)越高［6］。

　　1機(jī)具結(jié)構(gòu)及工作原理

　　果園氣爆松土注肥機(jī)主要由肥料罐、儲(chǔ)氣罐、空壓機(jī)、機(jī)架、注射鉆桿、液壓桿、電動(dòng)推桿、螺桿泵、控制傳感器、動(dòng)力輸入裝置、液泵及液壓站等部件組成，如圖1所示。圖1不涉及傳感器接線和具體液路管路連接，傳感器的接線直接接到電控箱內(nèi)。電控箱集中放置了電源開(kāi)關(guān)、PLC控制器、數(shù)字量模塊、繼電器、模擬量模塊、斷路器、電流互感器、電流表及電壓表等元件。將程序下載到PLC的控制器中，啟動(dòng)后依次設(shè)置深度、氣壓、流量等參數(shù)。注肥機(jī)工作過(guò)程如下:程序初始化，機(jī)具開(kāi)始工作，電動(dòng)推桿推動(dòng)液壓桿與注射鉆桿向兩側(cè)伸展，直到機(jī)構(gòu)完全展開(kāi);氣鏟開(kāi)始工作，注射鉆桿在液壓桿的輔助作用下開(kāi)始下降鉆土，通過(guò)深度傳感器定位下降深度;當(dāng)鉆桿到達(dá)指定鉆土深度時(shí)，控制器發(fā)出指令控制液壓桿停止下降，同時(shí)氣鏟停止工作;空壓機(jī)對(duì)氣缸進(jìn)行增壓，氣缸達(dá)到指定氣壓時(shí)氣壓傳感器輸出信號(hào)到PLC控制器中，控制空壓機(jī)停止加壓，接著打開(kāi)氣缸閥門(mén)進(jìn)行氣爆松土;執(zhí)行完畢后，施肥閥門(mén)開(kāi)啟，由液泵將液肥抽出從鉆桿施肥孔噴出，達(dá)到預(yù)設(shè)流量時(shí)流量傳感器輸出信號(hào)到PLC控制器中，停止施肥，鉆桿自行收回，從而實(shí)現(xiàn)一系列自動(dòng)鉆土、自動(dòng)松土、自動(dòng)注肥及自動(dòng)回收的功能。

　　2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2．1系統(tǒng)組成及工作原理

　　PLC控制系統(tǒng)包含硬件和軟件。硬件主要由控制模塊、執(zhí)行模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和傳感器模塊組成，外加斷路器等保護(hù)元件。控制模塊使用西門(mén)子PLC作為核心控制器，包括CPU、開(kāi)關(guān)量擴(kuò)展模塊、模擬量模塊;執(zhí)行模塊包括空壓機(jī)、單螺桿泵、各路繼電器和施肥電磁閥、回流攪拌閥及氣缸電磁閥等各路電磁閥;驅(qū)動(dòng)模塊包括擺線液壓馬達(dá)、電動(dòng)推桿及齒輪泵;傳感器模塊由深度傳感器、氣壓傳感器、流量傳感器組成?？刂葡到y(tǒng)組成如圖2所示。

　　2．2硬件選型

　　2．2．1PLC控制器根據(jù)機(jī)具的控制需要，本系統(tǒng)選擇西門(mén)子S7－200系列PLC，采用臺(tái)灣明緯MDＲ－20－24開(kāi)關(guān)電源供電，核心為14輸入/10輸出的西門(mén)子CPU224(6ES7214－1BD2323－0XB0)，額定輸入電壓24V，輸出電壓220V。在此基礎(chǔ)上，擴(kuò)展4輸入/4輸出西門(mén)子EM223(6ES7223－1BF22－0XA0)開(kāi)關(guān)量模塊和4輸入的西門(mén)子EM231(6ES7231－0HC22－0XA8)模擬量模塊。

　　2．2．2深度傳感器磁致伸縮深度傳感器利用磁致伸縮原理，通過(guò)兩個(gè)不同磁場(chǎng)相交產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變脈沖信號(hào)來(lái)準(zhǔn)確地測(cè)量位置［12］。由于作為確定位置的活動(dòng)磁環(huán)和敏感元件并無(wú)直接接觸，能應(yīng)用在高溫、高壓和高振蕩的環(huán)境中。根據(jù)機(jī)具鉆土深度要求，最大深度為650mm，選用菲爾斯特的FST－700位移傳感器。其有效行程700mm，分辨率達(dá)到0．01mm，非線性度±0．03%，輸出信號(hào)4～20mA，采樣時(shí)間0．5ms，最大允許工作電壓33V，工作電流小于70mA，極限運(yùn)動(dòng)速度10m/s，防護(hù)等級(jí)IP67，溫度影響小于0．007%F．S/℃。

　　3軟件設(shè)計(jì)

　　本控制系統(tǒng)在西門(mén)子STEP7Micro－WIN平臺(tái)上進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，根據(jù)機(jī)具的工作原理，系統(tǒng)軟件主要由信息采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、執(zhí)行驅(qū)動(dòng)模塊和主程序模塊4部分組成。工作時(shí)，輸入執(zhí)行參數(shù)后，PLC執(zhí)行相應(yīng)的程序，信號(hào)采集之后送至PLC。因?yàn)閭鞲衅鞯碾娏餍盘?hào)均為4～20mA，所以需要通過(guò)軟件編程進(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，即當(dāng)電流信號(hào)為4mA時(shí)代表被測(cè)物理量為0，再通過(guò)控制空壓機(jī)、肥料泵、驅(qū)動(dòng)元件繼電器的開(kāi)合和相應(yīng)電磁閥的通斷，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鉆土、自動(dòng)松土、自動(dòng)注肥、自動(dòng)回收等一系列動(dòng)作。程序流程圖如圖4所示。

　　4樣機(jī)與試驗(yàn)

　　4．1試驗(yàn)基本條件

　　為了驗(yàn)證本機(jī)具控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理的正確性，試制了樣機(jī)，在揚(yáng)州市江都區(qū)七里鎮(zhèn)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)地土壤緊平均硬度4．09MPa，土壤含水量14．3%，室外溫度15℃。試驗(yàn)樣機(jī)如圖5所示。

　　4．2測(cè)試指標(biāo)及影響因素分析

　　本輪試驗(yàn)預(yù)設(shè)機(jī)具注肥深度50cm，松土氣壓0．8MPa，單次注肥量1L。試驗(yàn)通過(guò)對(duì)液壓桿行程的測(cè)量獲得實(shí)際鉆土深度數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)氣壓和流量傳感器顯示屏的讀數(shù)獲取實(shí)際氣壓和注肥流量數(shù)據(jù)，并對(duì)機(jī)具的工作效率進(jìn)行了測(cè)試，運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

　　5結(jié)論

　　1)設(shè)計(jì)了基于PLC的果園氣爆松土注肥機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)具鉆土、松土、注肥及回收的全過(guò)程自動(dòng)化，簡(jiǎn)化了人力操作，提高了注肥機(jī)具整體的工作效率。

　　2)在STEP7Micro－WIN平臺(tái)上進(jìn)行了控制系統(tǒng)的軟件程序開(kāi)發(fā)，配合液晶顯示屏可以進(jìn)一步對(duì)人機(jī)交互單元進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

　　3)進(jìn)行了氣爆松土注肥機(jī)的作業(yè)試驗(yàn)，系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)果表明:機(jī)具深度誤差小于2%，氣壓誤差小于1．5%，注肥流量誤差小于1．5%，驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)的合理性。

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