摘要:針對目前果園施肥作業(yè)人工成本大、工作效率低等問題，設(shè)計了一種果園氣爆松土注肥機控制系統(tǒng)，旨在實現(xiàn)鉆土、松土、注肥及回收全過程自動化，提高機具作業(yè)效率。該系統(tǒng)使用西門子S7－200PLC作為核心控制器，通過接收外部傳感器信號完成數(shù)據(jù)采集;結(jié)合液壓控制技術(shù)，通過控制繼電器、電磁閥的通斷，實現(xiàn)控制機具動作;使用SolidWorks三維軟件建立果園氣爆松土注肥機構(gòu)模型，并使用STEP7Micro－WIN軟件編寫程序;最終進行了樣機試驗，驗證了果園氣爆松土注肥機控制系統(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，我國果樹產(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)量和效益不容樂觀。在果樹產(chǎn)業(yè)發(fā)展的過程中，技術(shù)推廣是關(guān)鍵之一，實行精準(zhǔn)技術(shù)和機械化、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］。在果樹生長結(jié)果過程中，施肥作業(yè)對果實的品質(zhì)及產(chǎn)量的影響至關(guān)重要，決定著幼齡樹苗發(fā)育生長的態(tài)勢［2－3］。施肥技術(shù)與施肥機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)展促進果園機械化發(fā)展，但我國水果優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)與非優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)的綜合機械化分別水平不到20%、10%［5］。隨著勞動力不斷向城市進入，農(nóng)村勞動人員數(shù)量越來越少，雇傭勞動力的成本也越來越高，人們對果樹機械化施肥技術(shù)的需求也就越來越高［6］。

　　1機具結(jié)構(gòu)及工作原理

　　果園氣爆松土注肥機主要由肥料罐、儲氣罐、空壓機、機架、注射鉆桿、液壓桿、電動推桿、螺桿泵、控制傳感器、動力輸入裝置、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，啟動后依次設(shè)置深度、氣壓、流量等參數(shù)。注肥機工作過程如下:程序初始化，機具開始工作，電動推桿推動液壓桿與注射鉆桿向兩側(cè)伸展，直到機構(gòu)完全展開;氣鏟開始工作，注射鉆桿在液壓桿的輔助作用下開始下降鉆土，通過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，控制器發(fā)出指令控制液壓桿停止下降，同時氣鏟停止工作;空壓機對氣缸進行增壓，氣缸達(dá)到指定氣壓時氣壓傳感器輸出信號到PLC控制器中，控制空壓機停止加壓，接著打開氣缸閥門進行氣爆松土;執(zhí)行完畢后，施肥閥門開啟，由液泵將液肥抽出從鉆桿施肥孔噴出，達(dá)到預(yù)設(shè)流量時流量傳感器輸出信號到PLC控制器中，停止施肥，鉆桿自行收回，從而實現(xiàn)一系列自動鉆土、自動松土、自動注肥及自動回收的功能。

　　2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　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)動模塊和傳感器模塊組成，外加斷路器等保護元件。控制模塊使用西門子PLC作為核心控制器，包括CPU、開關(guān)量擴展模塊、模擬量模塊;執(zhí)行模塊包括空壓機、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)動模塊包括擺線液壓馬達(dá)、電動推桿及齒輪泵;傳感器模塊由深度傳感器、氣壓傳感器、流量傳感器組成。控制系統(tǒng)組成如圖2所示。

　　2．2硬件選型

　　2．2．1PLC控制器根據(jù)機具的控制需要，本系統(tǒng)選擇西門子S7－200系列PLC，采用臺灣明緯MDＲ－20－24開關(guān)電源供電，核心為14輸入/10輸出的西門子CPU224(6ES7214－1BD2323－0XB0)，額定輸入電壓24V，輸出電壓220V。在此基礎(chǔ)上，擴展4輸入/4輸出西門子EM223(6ES7223－1BF22－0XA0)開關(guān)量模塊和4輸入的西門子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，通過兩個不同磁場相交產(chǎn)生一個應(yīng)變脈沖信號來準(zhǔn)確地測量位置［12］。由于作為確定位置的活動磁環(huán)和敏感元件并無直接接觸，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4～20mA，采樣時間0．5ms，最大允許工作電壓33V，工作電流小于70mA，極限運動速度10m/s，防護等級IP67，溫度影響小于0．007%F．S/℃。

　　3軟件設(shè)計

　　本控制系統(tǒng)在西門子STEP7Micro－WIN平臺上進行軟件開發(fā)，根據(jù)機具的工作原理，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)動模塊和主程序模塊4部分組成。工作時，輸入執(zhí)行參數(shù)后，PLC執(zhí)行相應(yīng)的程序，信號采集之后送至PLC。因為傳感器的電流信號均為4～20mA，所以需要通過軟件編程進行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，即當(dāng)電流信號為4mA時代表被測物理量為0，再通過控制空壓機、肥料泵、驅(qū)動元件繼電器的開合和相應(yīng)電磁閥的通斷，實現(xiàn)自動鉆土、自動松土、自動注肥、自動回收等一系列動作。程序流程圖如圖4所示。

　　4樣機與試驗

　　4．1試驗基本條件

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

　　4．2測試指標(biāo)及影響因素分析

　　本輪試驗預(yù)設(shè)機具注肥深度50cm，松土氣壓0．8MPa，單次注肥量1L。試驗通過對液壓桿行程的測量獲得實際鉆土深度數(shù)據(jù)，通過對氣壓和流量傳感器顯示屏的讀數(shù)獲取實際氣壓和注肥流量數(shù)據(jù)，并對機具的工作效率進行了測試，運行試驗結(jié)果如表2所示。

　　5結(jié)論

　　1)設(shè)計了基于PLC的果園氣爆松土注肥機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了機具鉆土、松土、注肥及回收的全過程自動化，簡化了人力操作，提高了注肥機具整體的工作效率。

　　2)在STEP7Micro－WIN平臺上進行了控制系統(tǒng)的軟件程序開發(fā)，配合液晶顯示屏可以進一步對人機交互單元進行設(shè)計開發(fā)。

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

　　參考文獻:

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