基于PLC的果园气爆松土注肥机控制系统设计

　　摘要:针对目前果园施肥作业人工成本大、工作效率低等问题，设计了一种果园气爆松土注肥机控制系统，旨在实现钻土、松土、注肥及回收全过程自动化，提高机具作业效率。该系统使用西门子S7－200PLC作为核心控制器，通过接收外部传感器信号完成数据采集;结合液压控制技术，通过控制继电器、电磁阀的通断，实现控制机具动作;使用SolidWorks三维软件建立果园气爆松土注肥机构模型，并使用STEP7Micro－WIN软件编写程序;最终进行了样机试验，验证了果园气爆松土注肥机控制系统的可行性。

　　关键词:果园;气爆松土;注肥;控制系统;PLC

　　0引言

　　近年来，我国果树产业发展迅速，但是管理粗放，技术投入低，单位面积产量和效益不容乐观。在果树产业发展的过程中，技术推广是关键之一，实行精准技术和机械化、规模化，提高生产效率与优质果率，挖潜增值影响巨大［1］。在果树生长结果过程中，施肥作业对果实的品质及产量的影响至关重要，决定着幼龄树苗发育生长的态势［2－3］。施肥技术与施肥机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损失率［4］，果园产业的发展促进果园机械化发展，但我国水果优势产区与非优势产区的综合机械化分别水平不到20%、10%［5］。随着劳动力不断向城市进入，农村劳动人员数量越来越少，雇佣劳动力的成本也越来越高，人们对果树机械化施肥技术的需求也就越来越高［6］。

　　1机具结构及工作原理

　　果园气爆松土注肥机主要由肥料罐、储气罐、空压机、机架、注射钻杆、液压杆、电动推杆、螺杆泵、控制传感器、动力输入装置、液泵及液压站等部件组成，如图1所示。图1不涉及传感器接线和具体液路管路连接，传感器的接线直接接到电控箱内。电控箱集中放置了电源开关、PLC控制器、数字量模块、继电器、模拟量模块、断路器、电流互感器、电流表及电压表等元件。将程序下载到PLC的控制器中，启动后依次设置深度、气压、流量等参数。注肥机工作过程如下:程序初始化，机具开始工作，电动推杆推动液压杆与注射钻杆向两侧伸展，直到机构完全展开;气铲开始工作，注射钻杆在液压杆的辅助作用下开始下降钻土，通过深度传感器定位下降深度;当钻杆到达指定钻土深度时，控制器发出指令控制液压杆停止下降，同时气铲停止工作;空压机对气缸进行增压，气缸达到指定气压时气压传感器输出信号到PLC控制器中，控制空压机停止加压，接着打开气缸阀门进行气爆松土;执行完毕后，施肥阀门开启，由液泵将液肥抽出从钻杆施肥孔喷出，达到预设流量时流量传感器输出信号到PLC控制器中，停止施肥，钻杆自行收回，从而实现一系列自动钻土、自动松土、自动注肥及自动回收的功能。

　　2控制系统硬件设计

　　2．1系统组成及工作原理

　　PLC控制系统包含硬件和软件。硬件主要由控制模块、执行模块、驱动模块和传感器模块组成，外加断路器等保护元件。控制模块使用西门子PLC作为核心控制器，包括CPU、开关量扩展模块、模拟量模块;执行模块包括空压机、单螺杆泵、各路继电器和施肥电磁阀、回流搅拌阀及气缸电磁阀等各路电磁阀;驱动模块包括摆线液压马达、电动推杆及齿轮泵;传感器模块由深度传感器、气压传感器、流量传感器组成。控制系统组成如图2所示。

　　2．2硬件选型

　　2．2．1PLC控制器根据机具的控制需要，本系统选择西门子S7－200系列PLC，采用台湾明纬MDＲ－20－24开关电源供电，核心为14输入/10输出的西门子CPU224(6ES7214－1BD2323－0XB0)，额定输入电压24V，输出电压220V。在此基础上，扩展4输入/4输出西门子EM223(6ES7223－1BF22－0XA0)开关量模块和4输入的西门子EM231(6ES7231－0HC22－0XA8)模拟量模块。

　　2．2．2深度传感器磁致伸缩深度传感器利用磁致伸缩原理，通过两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号来准确地测量位置［12］。由于作为确定位置的活动磁环和敏感元件并无直接接触，能应用在高温、高压和高振荡的环境中。根据机具钻土深度要求，最大深度为650mm，选用菲尔斯特的FST－700位移传感器。其有效行程700mm，分辨率达到0．01mm，非线性度±0．03%，输出信号4～20mA，采样时间0．5ms，最大允许工作电压33V，工作电流小于70mA，极限运动速度10m/s，防护等级IP67，温度影响小于0．007%F．S/℃。

　　3软件设计

　　本控制系统在西门子STEP7Micro－WIN平台上进行软件开发，根据机具的工作原理，系统软件主要由信息采集模块、数据分析模块、执行驱动模块和主程序模块4部分组成。工作时，输入执行参数后，PLC执行相应的程序，信号采集之后送至PLC。因为传感器的电流信号均为4～20mA，所以需要通过软件编程进行转换数据，即当电流信号为4mA时代表被测物理量为0，再通过控制空压机、肥料泵、驱动元件继电器的开合和相应电磁阀的通断，实现自动钻土、自动松土、自动注肥、自动回收等一系列动作。程序流程图如图4所示。

　　4样机与试验

　　4．1试验基本条件

　　为了验证本机具控制系统设计原理的正确性，试制了样机，在扬州市江都区七里镇进行试验。试验地土壤紧平均硬度4．09MPa，土壤含水量14．3%，室外温度15℃。试验样机如图5所示。

　　4．2测试指标及影响因素分析

　　本轮试验预设机具注肥深度50cm，松土气压0．8MPa，单次注肥量1L。试验通过对液压杆行程的测量获得实际钻土深度数据，通过对气压和流量传感器显示屏的读数获取实际气压和注肥流量数据，并对机具的工作效率进行了测试，运行试验结果如表2所示。

　　5结论

　　1)设计了基于PLC的果园气爆松土注肥机控制系统，实现了机具钻土、松土、注肥及回收的全过程自动化，简化了人力操作，提高了注肥机具整体的工作效率。

　　2)在STEP7Micro－WIN平台上进行了控制系统的软件程序开发，配合液晶显示屏可以进一步对人机交互单元进行设计开发。

　　3)进行了气爆松土注肥机的作业试验，系统工作性能稳定。试验结果表明:机具深度误差小于2%，气压误差小于1．5%，注肥流量误差小于1．5%，验证了该控制系统的合理性。

　　参考文献:

　　［1］束怀瑞，陈修德．我国果树产业发展的时代任务［J］．中国果树，2018(2):1－3．

　　［2］陈远鹏，龙慧，刘志杰．我国施肥技术与施肥机械的研究现状及对策［J］．农机化研究，2015，37(4):255－60．

　　［3］赵映，肖宏儒，梅松，等．我国果园机械化生产现状与发展策略［J］．中国农业大学学报，2017，22(6):116－127．

　　［4］刘彪，肖宏儒，宋志禹，等．果园施肥机械现状及发展趋势［J］．农机化研究，2017，39(11):263－268．

　　［5］高茂盛，薛少平，廖允成，等．手扶拖拉机专用深松机果园试验［J］．农业机械学报，2010，41(10):35－39，62．

　　［6］高茂盛，温晓霞，黄金辉，等．耕作方式和秸秆覆盖对渭北苹果园土壤保蓄水性能及酶活性的影响［J］．中国农业大学学报，2009，14(4):91－97．

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