基于PLC 果树喷药机控制系统设计

赵小娟

（连云港生物工程中等专业学校 江苏 连云港 222248）

0 引言

我国作为农业大国，在果树种植和农药研发生产方面都处于世界领先水平，但农业自动化程度却相对滞后。果树的施药技术直接影响着果树成长，进而影响果实的品质和产量。在果树施药期间，如果农药喷洒过量，会引起环境污染，同时果实携带过量农药也会影响食用者健康；如果农药喷洒不足，对果树病虫害防治效果会大打折扣。因此，本文研发了一套科学的果树喷药机控制系统，不仅能够保证农药的病虫害防治效果，提高果树的产量和质量，还可以减少药物浪费，对环境保护有重要作用，具有一定的现实意义。

1 果树喷药机控制系统需求分析

精准喷药控制系统在果树位置信息的基础上，能够准确而及时地采集喷药机行驶速度等信息并快速响应，同时对喷药量进行调整，提高了农药利用率，满足了系统控制方面的要求[1]。

从果园喷药机近年的发展情况看，大型化、规模化是其发展的主流趋势，喷药机的结构也日渐复杂，驾驶人员不能仅依赖前期积累的经验对喷药机的具体情况做出判断。本文针对这种情况设计控制系统，结合喷药机的行驶速度实施精准喷药，控制好喷药机的流量，并通过人机界面对喷药机的行驶速度进行测评，系统同时提供流量、开关、压力等方面的信息。驾驶员通过人机界面获取自己需要的各种信息数据，了解喷药机的工作状态，根据传感器提供的信息做出相应的决策。人机界面功能的发挥，将会使喷药机工作质量、效率均有所提高。

本文设计的控制系统具备如下性能。

（1）控制系统具备较高的自动化水平，人机界面及时输出多项参数，系统对这些参数进行识别之后按需调整喷药流量，可以减轻驾驶人员的手动操作负担[2]。

（2）管制系统有较高的可靠性。农业生产环境极其复杂，喷药机的每一种电子元件都面临着严峻挑战，因此，要有良好的抗干扰能力，确保预期功能全部实现，增强喷药机的稳定性[3]。

（3）控制系统有较强的实用性。喷药机操作人员多为种植农民，他们难以操作复杂的系统，所以要降低系统操作难度，并且扩大适应范围，以满足不同类型果园与喷药机的需求。

（4）控制系统有良好的经济性。我国农业生产人员经济收入并不高，为了给农民带来便利，要在完善系统性能的前提下将价格控制到最低。

（5）控制系统有较强的灵活性，能同时满足自动化、手动化两种操作模式的要求，用户可以根据自身情况做出合理选择。

2 果树喷药机控制原理分析

控制系统处于工作状态时，药箱中的药液先经过滤器，清除其中的杂质之后再进入药泵，药泵压力与动力都达到了一定水平，能够把药液传输至雾化喷嘴，再实施精准喷药。系统在对树木靶标信息进行检验时，采用的是超声波与红外线两种传感器，并借助电磁阀独立控制各个喷嘴。借助于压力与流量两大传感器，系统能及时获取药液压力与流量两方面的数据信息，喷药机行驶速度信息则是通过速度传感器获取的，传感器提前设定了喷幅值，根据传感器提供的真实参数，求出真实的喷药流量值，在电动调节阀的辅助下调整流量，让具体流量能契合理论值，由此产生良好的控制效果[4-5]。如果采用手工模式进行操作，操作人员在调整喷药量进行调整时要重点控制好喷药机的行驶速度，增强药量稳定性，同时喷药量与行驶速度的调整保持同步。

3 果树喷药机控制系统设计方案研究

果树喷药机控制系统在设计过程中主要需要考虑两方面问题：控制器选择和喷药控制方案选择。

3.1 控制器选择

控制器选择中，主要有单片机技术和PLC 技术两种。

方案1：利用单片机作为控制器。单片机是典型的嵌入式微控制器，由运算器、控制器、存储器、输入输出设备等构成，相当于一个微型计算机。与应用在个人电脑中的通用型微处理器相比，它更强调自供应（不用外接硬件）和节约成本。它的最大优点是体积小，可放在仪表内部，但存储量小，输入输出接口简单，功能较低[6]。目前在喷药机控制领域，已有很多设计研究者利用单片机作为控制器，实现喷药机的智能控制。利用单片机作为喷药机控制器进行喷药控制，优势是性价高，控制成本低；缺点是抗干扰能力差，不稳定，在实际工作时会遇到一些未知问题无法满足实际工作需要。

方案2：利用PLC 作为控制器。PLC 是可编程逻辑控制器的简称，是专门为在工业环境下自动化控制而设计的数字运算操作电子系统。可编程控制器由内部CPU、指令及数据存储器、输入输出单元、电源模块、数字模拟等单元所模块化组合而成，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程[7]。利用PLC 技术进行喷药机智能控制，不易受外界环境的影响，抗干扰能力强，控制较为精准，尤其是在速度和喷药精度方面表现尤为突出，可适用于多种复杂环境作业；PLC 控制器留有多个控制接口，可方便后期设备升级。

综上所述，利用PLC 进行喷药机智能控制具有明显优势，因此本文设计采用PLC 作为控制器。

3.2 喷药控制方案选择

目前农业喷药控制主要有电磁阀脉宽调制变量喷药技术、压力调节变量喷药技术、在线注入农药变量喷药技术、流量调节变量喷药技术等。

方案1：电磁阀脉宽调制变量喷药技术。该技术是利用控制电磁阀通断来实现喷药流量控制，即单位时间内电磁阀打开和闭合数进行喷药流量的调节控制。理论上该方法可实现喷药管道流量控制，且调控范围大，但实际操作时由于该电磁阀开关需要超高频电磁来控制阀门通断，因此对电磁阀本身提出了一定要求；另一方面，农业喷药机利用该喷药技术进行喷药作业时，由于电磁阀门工作频繁通断造成喷药过程产生间断，会影响实际喷药[8]。

方案2：压力调节变量喷药技术。该技术是利用调整喷药机喷药管道中的压力来实现喷药控制。液压控制调节一般是通过以下方式实现：泵输入压力调节、调压阀调节、液体回流调节等[9]。利用该方法可以实现喷药机喷药作业，但由于本身控制原理的局限性，喷药流量可调控范围较窄；另一方面，压力控制喷药，会导致起始喷洒的药物浓度低，后期喷洒药物浓度高，因此无法保证药物均匀喷洒。

方案3：在线注入农药变量喷药技术。该技术是通过在线农药量控制来调节药液浓度，以实现喷药量控制的方法。利用该方法进行喷药作业时，不会影响喷药管路压力、雾滴尺寸以及电气元件。但这一方法从药物浓度调节到药物喷出整体操作周期较长，控制过程会造成一定延迟，很难满足实际喷药需求。

方案4：流量调节变量喷药技术。该技术是利用驱动电动调节阀来实现系统流量控制。利用该方法进行喷药机喷药作业，可实现机具行进与喷药状态的协调控制，以达到预期喷药效果。该方法的优势是结构设计简单，控制稳定，喷药流量控制可调范围宽，控制精度高，药物喷洒均匀；不足之处是喷药管道很难实现稳压控制，因此需要对其进行回流设计。

综上所述，流量调节变量喷药技术，设计简单，精度高，性能稳定，满足本文设计需求，因此选用该技术进行喷药机喷药控制。

4 果树喷药机控制系统总体设计

根据果园果树的实际情况，结合PLC 自动控制理念，本文设计了一款基于PLC 果树喷药机控制系统，见图1。系统主要由4 个模块组成：信息采集模块、可编程控制模块、执行模块和人机界面。信息采集模块主要由一系列传感器收集果树相关信息，如流量传感器、速度传感器、红外线传感器等；可编程控制模块是由PLC 控制，该模块是控制系统的核心，起到分析数据、处理数据的作用；执行模块是电磁阀和调节阀，控制果树喷洒流量、喷洒压力等；人机界面主要由触摸屏构成，实现喷药机控制系统控制与监测[10]。

5 果树喷药机控制系统关键技术

5.1 手动/自动控制系统

本文设计的果树喷药机有手动控制和自动控制两种方式，用户可结合实际情况根据需要对其进行选择，具体控制流程见图2。

果树喷药机可根据人机界面的提示，选择手动模式或自动模式。当选择自动模式进行喷药作业时，用户可以对喷药量及喷药覆盖面积进行设置（数据数值可根据相关理论计算得出），此时喷药机会根据设置的数据，结合传感器检测到的信息，对喷药量和喷药移动速度进行协调控制，以实现药物的定量均匀喷洒。当选择手动模式进行喷药作业时，用户可以根据实际需要对喷药状态进行选择，系统设置了3 种不同的喷药工作状态，分别对应设备不同行驶速度下的喷药状态。上述无论是手动模式还是自动模式下，喷药机每个喷嘴控制都相互独立，可通过人机界面实现独立控制。

5.2 精准喷药系统

为了获取果树准确位置，本文设计的喷药机控制系统利用两种传感器（超声波传感器和红外线传感器）采集信息，利用信息融合的方式实现果树位置的标定，系统在进行运行过程中，两种传感器只要有一种检测到位置信息，便可以启动程序运行。

在喷药机控制系统中，为提高树木靶标信息检测的精确度，系统使用红外线传感器和超声波传感器数据融合的方式进行数据采集，只要有一种传感器检测到靶标信息，便可以触发程序。这里以2 号电磁阀为例，当两种传感器中有一种采集到数据时，喷药喷头开始工作，喷药机开始喷药作业，当喷药机移动喷药作业工作一段时间时，传感器失去信息，这时喷药机喷药作业停止，喷头停止工作。

5.3 喷药量控制系统

本文设计的喷药机控制系统中两种工作模式的喷药量控制不同。当喷药机处于自动控制模式时，喷药量的控制可以根据喷药机移动速度调整来实现单位面积喷药均匀；当喷药机处于手动控制模式时，用户可根据果树需要，进行3 种喷药方式选择，实现3 种变量喷药。

自动控制状态喷药机根据果树单位面积喷药数值进行判断来实现控制。通过传感器采集实际药液流量Q2，与喷药机设定的药液流量Q1 进行对比，在误差范围内结束喷药，如果超过误差范围则进行阀门流量调节，直至达到药液喷洒要求。自动控制状态下喷药机喷药量控制流程见图3。

在手动控制状态下，根据喷药机行进速度可实现3种环境下喷药量控制：（1）当喷药机行进速度在1.5 ～2.5 km/h 时调节阀流量全部打开；（2）当喷药机行进速度在2.5 ～3.5 km/h 时调节阀流量开启50%；（3）当喷药机行进速度在3.5 ～4.5 km/h 时调节阀流量开启25%。手动控制状态下喷药机喷药量控制流程见图4。

6 果树喷药机控制系统界面设计

人机交互界面可以使用户时刻观测到喷药机运行状态，达到实时监控的目的。当遇到突发情况时，用户可根据界面指令功能实现对喷药机的控制。果树喷药机的人机界面主要由用户登录界面、喷药机控制界面、喷药机状态监控界面等构成。

图5 为果树喷药机登录界面，用户可根据注册的用户名和密码进行登录操作，当密码遗忘时也可以根据界面按钮进行密码实时找回。

如图6 所示，用户进去系统后默认状态是处于自动控制界面，在自动控制界面下可实现喷药参数设置、喷药机工作状态监控、喷药机历史工作记录查询和手动控制界面切换。在点击喷药参数设置按钮后，用户可实现喷药流量设置和喷药范围设置；在点击喷药机工作状态监控按钮后，将跳转至如图7 所示界面，用户可观测每个喷头电磁阀工作状态，并可通过开/关按钮实现电磁阀的开启/关闭功能，还可动态监控目前喷头的实时工作状态，如喷药流量、喷头压力等；当点击历史数据查询按钮后，可查看以往设备工作记录；在点击手动模式切换按钮后，页面将跳转到手动控制模式，具体界面实现功能可见上文。

7 结语

本文设计的基于PLC 的果树喷药机控制系统，能实现果树的精准喷药，有效避免了果树喷药时农药的浪费情况，实现了果树自动、精准、高效以及稳定的喷药需求，为农业自动化提供了良好借鉴，具有重要现实意义。