PLC 技术在农业机械电气控制装置中的应用*

2024-01-13顾晓宇

南方农机 2024年2期

顾晓宇

（齐齐哈尔工程学院，黑龙江齐齐哈尔 161000）

毋庸置疑，农业机械电气控制装置在现代农业生产中起着不可或缺的作用。然而，传统电气控制装置存在着诸多挑战与问题，如可靠性低、灵活性差、控制复杂度高等。PLC 技术作为先进的控制技术，因具有灵活性高、可靠性高及可编程性等优势而被广泛应用于各个领域。将PLC 技术引入农业机械的电气控制装置中具有重要现实意义，不仅能够有效降低人工操作的错误率与烦琐性，减少故障与停机时间，提高系统的可靠性，还有助于提高农业生产的稳定性与连续性，增强系统的可扩展性与灵活性，使系统可以适应变化的农业生产需求，从而进一步推动农业现代化进程。

1 PLC技术

1.1 PLC定义与优势

PLC（可编程逻辑控制器）专门用于工业自动化控制，主要通过编写代码来实现各种控制功能，如输入输出控制、数据处理及逻辑运算等。其可以按照预先编写的程序来自动执行各种操作，从而实现准确控制机械设备[1]。PLC 技术在农业机械相关领域的应用具有多重优势：1）提高控制系统的可靠性。PLC包含高度可靠的软件与硬件系统，可以有效避免传统电气控制装置中的停机问题与故障。2）增强系统的可扩展性与灵活性。PLC 能够按照不同的农业生产需求来灵活扩展与配置，更好地适应变化的农业机械控制要求。3）实现智能化管理与自动化控制。通过编写相应的程序，PLC 能够实现农业机械的智能化管理与自动化控制，降低人工操作的错误率与烦琐性，从而提高工作质量与效率。

1.2 PLC的应用原理

PLC 主要组成部分有电源、CPU（中央处理器）、存储器及多种接口等。电源的主要作用是为PLC 提供可靠的电力供应，保证其正常运行；CPU 作为PLC的核心部件，主要用于执行预先编写的程序，同时完成数据处理、逻辑运算及控制指令的执行；存储器主要负责存储程序、数据与其他临时信息，以便于CPU进行后续的处理和操作；接口有很多种，如输入接口、输出接口、通信接口、扩展接口等，主要功能是连接输入设备、输出设备、扩展单元及通信设备，从而实现与外部设备的数据传输与交互[2]。其中，输入接口涉及输入端子与各种输入设备，如触点、按钮、行程开关等，其主要将外部输入信号转换成数字信号，以便于CPU 完成处理和判断；输出接口涉及输出端子与各种输出设备，如电磁阀、电磁线圈及指示灯等，其主要用于将处理后的数字信号转换成控制信号，并驱动对应的输出设备完成操作；PLC 利用通信接口与计算机、人机界面、写入器、编程器及其他PLC 等设备相连，进行远程控制与数据传输；扩展接口用于连接各种扩展单元，如专用功能模块、通信模块及模拟输入输出模块等扩展单元，以更好地满足多样化的应用需求[3]。

PLC 的应用原理基于逻辑控制，通过编写特定的程序，PLC 能够按照不同输入信号的逻辑条件来完成相应的操作与控制。例如，当某个按钮被按下时，PLC 能够按照程序中已设定的逻辑条件来触发对应的输出信号，如电磁阀打开、控制指示灯亮起等[4]。PLC 技术的优势在于它具有较好的灵活性与可编程性，能够按照实际需求来灵活调整与配置控制逻辑。通过合理设计与编写程序，PLC 能够实现复杂的控制功能，更好地满足农业机械电气控制装置中的多样化需求，并实现精确控制和管理农业机械。PLC 应用原理示意图如图1所示。

图1 PLC应用原理示意图

2 PLC技术在农业机械中的应用

2.1 应用于农业收获机电气自动化控制装置中

以番茄收获机自动化转速控制装置为例，在硬件系统设计方面，硬件系统涉及模拟量输出模块、触摸屏、旋转编码器、PLC等，使用高速输入端口将PLC与旋转编码器相连，实现实时监测马达旋转速度。在软件系统设计方面，利用触摸屏来设置转速等临界值，如果马达转速低于或超出设定的临界值，PLC 能自动发送对应的转速调节指令给线性控制器，通过PID 控制器来闭环调节马达转速[5]。具体设计涉及PLC程序设计、触摸屏人机界面设计及PID控制算法设计。

结合转速控制要求来编写PLC 程序，程序涉及采集和处理旋转编码器输入信号，实时监测转速是否达到临界值及使用PID 控制算法计算出合适的调节量，并将其发送给驱动器完成转速控制。通过触摸屏界面，用户能够设定转速临界值，实现实时监测马达转速，与此同时，触摸屏界面还能够实时显示马达当前转速、转速控制的状态及设定好的临界值。PID 控制算法充分利用内部的PID 控制功能块，结合当前转速的偏差与设定好的转速临界值，能够计算出一定的调节量，再将调节量发送给驱动器，完成闭环调节马达转速，从而确保转速始终维持在设定的范围内[6]。通过引入PLC 技术，农业收获机能够实现实时监测和自动调节转速，从而提高收获机的稳定性与运行效率，运用PLC 技术使转速控制更可靠精准，为现代农业生产提供有力的数据支持与技术支撑。

2.2 应用于农业拖拉机自适应平衡控制装置中

农业拖拉机在实际作业过程中往往存在倾斜、颠簸及高低不平等问题，这很影响其作业路线与效果。为有效解决这些问题，设计一种可靠合理的拖拉机自适应平衡控制装置至关重要。而合理应用PLC 技术有助于实现自适应平衡控制。自适应平衡控制的流程与思路为：进入自适应平衡控制程序，首先利用传感器获得拖拉机的机身倾斜角度，并检测机身倾斜角度是否超出设定好的阈值，如果机身倾斜角度小于已设定阈值，则重新检测机身倾斜角度，反之，如果机身倾斜角度不小于已设定阈值，此时需要调节车身平衡，程序将自动执行调节车身平衡的操作[7]。基于PLC 的拖拉机自适应平衡控制程序的主要流程如图2所示。

图2 基于PLC 的农业拖拉机自适应平衡控制程序流程图

实际设计中，在硬件设计方面，利用PLC 进行控制，使用传感器来检测，同时支持液压缸响应，用电液比例控制阀完成驱动。倾角传感器与位移传感器的主要作用是检测位移、倾角等关键参数，输出模拟量信号。一个电液比例换向阀与四个液压缸是主要执行元件，电液比例换向阀用于接收关键信号，当发生故障时，系统会立即停止工作，同时发出响声报警。如果液压缸满足极限位置而没有达到目标伸缩量，此时示警器也会发出相应的响声报警，以提示系统需要停止工作。PLC 是电气控制装置的重要组成部分，需要结合实际设计与应用需求来选择恰当的PLC 型号及其配置。软件设计方面，该自适应平衡控制装置的程序涉及主控制模块与信号采集模块。

主控制模块用于控制拖拉机车身的平衡，而信号采集模块用于收集与整合倾斜传感器与位移传感器采集到的关键信号。主程序通过利用倾角传感器来检测机身的倾斜角度，再将得到的倾斜角度传递至信号采集模块，最后传递到PLC 中。PLC 使用比较单元来比对检测到的倾斜角度信号值和已设定的倾斜角度极限值。如果小于极限值，不需要调节车身，反之，PLC 需要发送对应的控制指令给支撑缸，通过精准控制支撑缸的伸缩来完成拖拉机机身的自适应调节[8]。通过合理运用PLC 技术，拖拉机自适应平衡控制装置可以实现较好的应用效果，有效避免因机身倾斜、颠簸而对作业造成的不良影响。

2.3 应用于农业播种机电气自动化控制装置中

将PLC 合理运用到农业播种机的电气自动化控制装置中，能够实现出水量可控，保证设备速度与出水量成正比。基于PLC 的播种机电气自动化控制装置的设计包括控制方案设计、PLC 自动化控制设计、显示模块设计。在控制方案方面，PLC 作为核心控制模块，是实现施水执行模块、测速模块、报警模块、水位监测模块等模块功能的基础。通过测速模块，PLC 可以检测播种机的运转速度，而后将数据传递至主机，实现合理灵活调整，从而确保出水量的可控性与灵活性，达到设备速度与出水量成正比的目的。

在PLC 自动化控制方面，PLC 的主要组成部分有中央处理单元、储存器、电源、输入单元及输出单元等，具体工作过程涉及输入采样、程序执行与输出刷新三个重要环节。使用扫描功能将输入状态的数据储存到I/O 映像区域，程序执行时PLC 将根据顺序来扫描控制程序，结合逻辑运算结果来控制储存位置的逻辑线圈位置状态，同时刷新I/O 映像区域的线圈输出状态[9]。合理运用PLC 来实现自动化控制，从而达到播种机的施水信息化与自动化控制。

显示模块包括故障预警模块、施水控制模块、数码管模块、测速模块等，其中，测速模块负责将采集到的数据上传到PLC，数据经PLC 处理后展现在LED 单元上；数码管模块有7 段与8 段两种形式，按照输入的低电平来组合点亮对应的LED；施水控制模块综合使用大扭矩舵机与出水管路来实现精准控制；监测模块负责利用液位传感器来监测水位，如果水位低于规定参数，就发出相应报警；故障预警模块用于采集主要部件的关键参数，如果发生故障，需要立即发出预警。这些模块相互配合，共同完成农业播种机的信息化与自动化控制。将PLC 技术与播种机的自动化控制装置紧密结合，可以实现出水量可控，使设备速度与出水量成正比，从而显著提高作业效率与质量。

3 在农业机械中应用PLC技术的注意事项

需要合理选择PLC 型号与配置，保证系统的稳定性与可靠性，注意电气安全与防护措施。实际选择PLC 型号与配置时，要结合农业机械具体型号进行合理的评估与选择，选择具有足够控制能力、输入输出接口的PLC 型号，同时，该PLC 还应该支持扩展[10]。在可靠性和稳定性方面，综合考虑电源稳定性、环境适应性、温度控制、抗干扰能力等，通过采取必要的防范措施来提高系统的稳定性与可靠性。此外，要定期检查PLC 设备的线路、接口等，采取过载保护、接地保护及电气隔离等系列防护措施，保障电气控制装置安全运行。