PLC小型农用喷药机控制系统

2024-04-11 09:44冯尚涛
山东农机化 2024年1期
关键词:人机界面农用喷药

冯尚涛

传统的手动喷药方式一是工作效率低,浪费劳动力,而且对人体健康有一定影响;二是不容易控制药量,药量多了易使病虫产生抗药性,农药残留较大,也会造成土壤环境污染。针对这种情况,本研究设计了一套智能高效控制系统,这个系统是基于PLC设计研究的,可以实现农药智能控制和精确调校的功能。

一、研究的意义

现代化农业与传统农业相比有两大特点,一是数字化;二是信息化。就小型农用喷药机控制系统而言,一方面PLC电子设备控制系统应用在农用喷药机械上,可以轻松实现智能化和自动化;另一方面可以有效提高农业生产效率。传统方式下,喷药量、喷洒区域均难控制,效率又低,而带有PLC电子设备控制系统的农用喷药机则能完美解决这些问题。

二、PLC逻辑控制器工作原理

PLC为可编程逻辑控制器的简称,是一种电子控制设备,广泛应用于自动化领域。PLC一般由CPU、输入接口、存储器、通信接口、输出接口和扩展接口组成。

PLC的工作过程最基本的有三步,输入信号、处理信号、输出信号。常见的输入装置有开关、按钮等,通过这些装置,就把外部的信号先转换成数字信号,再输入到PLC内部,也就是CPU内。接下来就是处理,CPU会计算和处理输入的信号。最后,再把控制信号输出到对应的装置上,也就是执行器上(常见的有气缸),这就实现了装置的控制作用。

三、智能农用喷药机控制系统总体设计

(一)整体设计框架

根据应用场合及PLC的控制特点,其设计框架相对简单,整个系统由人机界面、PLC控制装置、信息采集装置、执行装置四个部分组成(见上图)。信息采集装置由多个传感器构成,比如速度传感器、压力传感器等;PLC控制装置是整个控制系统的核心,它的功能是分析接受的数据;执行装置的主要部分有调节阀,以及电磁阀,其作用是控制农药液体的流量和压力等;人机界面是用户的操作界面,主要部件是触摸屏,方便用户操作和监控喷洒条件以及喷药情况。

(二)传感器的选择和设计

在这个系统中,传感器是很重要的组件,它的功能是采集各种信号,比如说位置、温度、速度等。传感器影响着控制系统的稳定,同样影响着其精度。

在整个系統设计过程当中,传感器的选择要综合考虑其响应速度以及其精度等,保证选择的传感器能够满足整个系统的稳定性。另外需要注意,传感器最终要连接到PLC上,这样才能保证传感器传输的数据能正常处理。

(三)PLC控制装置设计

农用喷药设备控制系统中最重要的部分就是PLC控制装置,它就像整个系统的大脑,控制其他装置工作,其他装置包括人机界面和执行装置等等,在设计PLC控制装置时,要密切注意如下几点:

1.主控芯片的选择。要考虑其运算能力、接口、存储量等因素。比如中控的DCS ECS-100的ARM芯片,意法半导体公司(ST)的STM32芯片,美国TI(德州仪器)产的DSP芯片,都是比较常用的芯片。

2.PLC控制装置的电源。选择电源要考虑整个喷药装置需要最大功率,最大电压,这样才能保证喷药装置的安全和稳定。PLC控制装置的电源分为直流电源,组态电源和交流电源等类型。

3.PLC控制装置的输入接口和输出接口。选择输入接口和输出接口时,要考虑需要连接多少组件,这些接口的功能,有的传送模拟信号,有的是用于通信。还要考虑需要用到多少接口,确定好用什么类型的接口,才能选择合适的接口进行组装。

4.通信接口的选择。PLC控制装置的一个重要部件是通信接口,它的功能是实现数据交换,传输指令。在选择时,考虑的因素有通信速率,传输数据的方式等。

5.PLC控制装置的程序。设计时既要考虑整个喷药装置的功能,又要考虑装置的可扩展性。程序要能顺畅处理数据和控制指令的执行,最终目的是确保系统稳定和安全。

(四)人机界面的设计

人机界面是使用者和机器交互的方式,是喷药装置的重要组件。人机界面设计时,要考虑以下几个方面:

1.选择合适的显示屏。显示屏功能是将系统的主要参数直观地呈现在操作人员面前。选择显示屏时要考虑尺寸大小、分辨率等参数。小型农用喷药机一般选择液晶显示屏。

2.蜂鸣器。其功能是系统处在某些关键状态时,以声音方式向用户提醒。设计蜂鸣器时要考虑声音分贝、清晰度等因素以保证使用人员能够及时、清晰地得到来自系统的反馈。

3.按钮设计。按钮是人员输入指令最直观、最方便的方式,通过它控制整个喷药机。设计时要考虑按钮数量、分布、大小形状等因素。

4.辅助组件的设计。人机界面还包括很多辅助组件,如鼠标、键盘、LED灯等。

(五)PLC的软件编辑设计

对于小型智能农用喷药机器来说,软件的准确有效是非常重要的,软件不能有bug,在这个系统中,我们使用PLC的编程来实现软件的设计。下面解释一下PLC编程的框架、整个流程及编程语言。

1.PLC编程是电气专业的基础课程,它的界面是图形化的。在这个界面上,输入一段段的程序指令,来实现某个指定的功能。也就是说,整个系统的所有功能,都是由若干段的程序指令来实现的。

2.PLC编程语言有很多种,在小型农用喷药机的系统中,采用的是顺序功能流程图语言和梯形图语言(FBD)。对于梯形图来说,它比较直观,跟电气图较像。

3.编程设计步骤。整套流程包括六个步骤:第一步是需求分析。主要分析确认PLC要控制什么对象,控制什么目标。第二步是系统设计。这是很关键的一步,在这里会设计出PLC的硬件组成,还会制定出PLC的软件框架和大致内容。第三步是编程。编程过程中,要注意其逻辑性和顺畅性。第四步是PLC调试。即在整个程序编写完之后,将软件和硬件结合进行调试验证,出现问题和漏洞,及时修改调试,最终目的是保证这个程序没有任何技术上的问题,软件和硬件配合完美,整个系统运行顺畅。第五步是安装。最好是在实时的现场环境中进行。第六步是维护保养。系统投入使用后,要定期检查,并和使用者互动交流。

(作者单位:菏泽市单县农业机械服务中心)

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