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      高株果樹自動(dòng)噴藥機(jī)控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)

      2019-10-21 04:56:37李蜀予張清林
      農(nóng)民致富之友 2019年28期
      關(guān)鍵詞:主桿伺服電機(jī)噴藥

      李蜀予 張清林

      科學(xué)技術(shù)的提高帶動(dòng)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的發(fā)展,植保機(jī)械開始在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用,隨著國(guó)家大力度對(duì)農(nóng)業(yè)投入補(bǔ)貼,現(xiàn)代化植保機(jī)械逐步走進(jìn)了普通農(nóng)戶家庭。植保機(jī)械的應(yīng)用不僅解決了農(nóng)村勞動(dòng)力的不足,提高生產(chǎn)效率和農(nóng)業(yè)的精準(zhǔn)度,也在衛(wèi)生安全方面發(fā)揮了巨大作用。植物保護(hù)已成為農(nóng)林生產(chǎn)的重要組成部分,是推動(dòng)農(nóng)林業(yè)高產(chǎn)豐收的關(guān)鍵因素之一。我國(guó)植保機(jī)械是在解放后才逐步發(fā)展起來的,主要是化學(xué)農(nóng)藥噴灑機(jī)械從無到有,經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的發(fā)展過程,雖然部分植保機(jī)械已達(dá)到或超過世界先進(jìn)水平,但與國(guó)外一流的植保機(jī)械相比,仍然滿足不了農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求,植保機(jī)械已經(jīng)成為我國(guó)農(nóng)業(yè)全程機(jī)械化的短板?,F(xiàn)有的大多數(shù)植保設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,功能相似,專業(yè)水平不高,不能滿足不同植被、不同病蟲害防治的需求。傳統(tǒng)的背負(fù)式植保機(jī)械依然占據(jù)著主導(dǎo)地位,我國(guó)的大面積自動(dòng)化的植保機(jī)械的發(fā)展仍有很長(zhǎng)一段路要走。

      果樹是重要的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)作物,做好果樹栽植是提高農(nóng)民收入的重要途徑之一。在果樹養(yǎng)護(hù)方面,做好病蟲害防治工作是保證果樹健康生長(zhǎng)的重要工作環(huán)節(jié)。防治樹木的病蟲害,就要噴灑農(nóng)藥。隨著高株果樹產(chǎn)業(yè)快速升級(jí)及農(nóng)村勞動(dòng)力的就業(yè)轉(zhuǎn)移,越來越多的果農(nóng)采用現(xiàn)代矮化密植栽培模式來提高產(chǎn)量,與之配套的噴藥機(jī)作業(yè)范圍及自動(dòng)化程度就提出了新的要求。

      傳統(tǒng)的果樹噴藥設(shè)備是人工手動(dòng)背負(fù)式,不僅效率不高,還存在農(nóng)藥對(duì)作業(yè)人員毒害的隱患。這些人力大量參與的噴藥設(shè)備優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)與果樹的近距離噴灑,但作業(yè)范圍較小,同時(shí)對(duì)于大多數(shù)果樹植物,藏于樹葉底部的蚜蟲往往會(huì)在這種自上而下的噴灑作業(yè)中存活下來。我國(guó)目前使用的配有拖拉機(jī)等動(dòng)力拖曳的農(nóng)用噴藥設(shè)備大大改善了工作環(huán)境,可以進(jìn)行大面積噴灑。但動(dòng)力拖曳噴藥設(shè)備對(duì)作業(yè)空間、地平條件要求嚴(yán)格,屬于遠(yuǎn)距離噴灑,不能對(duì)果樹特定區(qū)域病蟲害進(jìn)行接觸防治,而且農(nóng)藥使用的效率較低,有資料統(tǒng)計(jì)不超過40%,大量的殘余農(nóng)藥飄移到空氣或地面,污染作業(yè)環(huán)境,對(duì)人體同樣造成傷害。有報(bào)道,國(guó)外有一種使用效率較高的隧道式循環(huán)噴霧機(jī)可以有效減小飄移、回收霧滴,提高農(nóng)藥利用率,但其結(jié)構(gòu)龐大,需要多人同時(shí)操作,使用成本較高,而且勞動(dòng)強(qiáng)度較大,不太適合小型農(nóng)戶使用。

      綜上可知,高株果樹噴藥機(jī)未來的發(fā)展趨勢(shì)就是智能化、自動(dòng)化。將現(xiàn)代先進(jìn)的計(jì)算機(jī)智能技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)的噴藥設(shè)備,結(jié)合PLC自動(dòng)控制系統(tǒng),不僅可以提高噴藥的精準(zhǔn)度和有效性,還可以減少農(nóng)藥噴灑過程對(duì)人體的傷害,降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度。

      一、研究思路

      現(xiàn)有的高株果樹噴藥機(jī)最大的缺陷就是需要人工操作,存在藥物危害隱患,如何讓噴藥機(jī)無人駕駛就是關(guān)鍵。本文提出一種用于高株果樹的自動(dòng)噴藥機(jī),可以在遠(yuǎn)程控制下實(shí)現(xiàn)自走功能,進(jìn)行無人駕駛操作,從而避免因噴藥對(duì)操作人員身體健康的危害;可實(shí)現(xiàn)一人多機(jī)控制管理,提高生產(chǎn)效率,減輕勞動(dòng)力;機(jī)架結(jié)構(gòu)可以自動(dòng)調(diào)整行距,提高噴藥機(jī)的通用性;可根據(jù)果樹株高實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)噴藥架高度,減少噴藥作業(yè)過程中藥物的揮發(fā),提高藥物利用率。

      基于此,整套噴藥設(shè)備從機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩個(gè)方面進(jìn)行了設(shè)計(jì),機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、高度升降機(jī)構(gòu)、噴藥架伸縮機(jī)構(gòu)、機(jī)架調(diào)整機(jī)構(gòu)組成,在噴藥機(jī)行走中前輪可以根據(jù)作業(yè)需求自動(dòng)轉(zhuǎn)向,噴藥架高度可以調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)不同果樹株高的噴灑要求,噴藥架長(zhǎng)度伸縮進(jìn)行噴灑工作面積的改變,機(jī)架調(diào)整機(jī)構(gòu)可以改變車輪間距以適應(yīng)不同的果樹行距??刂葡到y(tǒng)由液壓系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)組成。液壓系統(tǒng)是動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng),在PLC的控制下工作,PLC下達(dá)指令進(jìn)行液壓系統(tǒng)各個(gè)電磁閥的通斷,實(shí)現(xiàn)液壓缸活塞的升降從而推動(dòng)各機(jī)械結(jié)構(gòu)間的運(yùn)動(dòng),最終達(dá)到噴藥機(jī)的作業(yè)要求。PLC是控制系統(tǒng)的核心,根據(jù)傳感器的信號(hào)及時(shí)調(diào)整噴藥機(jī)的運(yùn)行過程。

      二、系統(tǒng)組成

      液壓系統(tǒng)按照功能劃分主要由噴藥架升降和啟閉系統(tǒng),噴藥機(jī)行走系統(tǒng),噴藥機(jī)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)三個(gè)系統(tǒng)組成。噴藥機(jī)的各個(gè)液壓系統(tǒng)由中央控制器控制,該控制器由FX2N-64MR型PLC組成,執(zhí)行各個(gè)控制程序,實(shí)現(xiàn)控制功能。整個(gè)液壓系統(tǒng)總體采用電磁控制技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的控制,由三個(gè)雙向定量液壓泵提供動(dòng)力,分別給噴藥架升降和啟閉系統(tǒng)、噴藥機(jī)行走系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)提供動(dòng)力。

      噴藥架升降和啟閉系統(tǒng)的液壓工作原理見圖1,圖中系統(tǒng)使用兩個(gè)三位四通電磁換向閥控制兩個(gè)二級(jí)伸縮液壓缸來分別實(shí)現(xiàn)駕駛室與噴藥架的升降功能,用兩個(gè)普通液壓缸控制噴藥架主桿的啟閉與閉合,用兩個(gè)擺動(dòng)馬達(dá)控制噴藥架支桿的啟閉與閉合。液壓缸和擺動(dòng)馬達(dá)使用同樣的三位四通電磁換向閥來控制,操作人員也可以遠(yuǎn)程控制電磁閥來進(jìn)行兩個(gè)主桿、兩個(gè)支桿的啟閉和閉合。

      噴藥機(jī)行走系統(tǒng)液壓工作原理見圖2,該行走液壓系統(tǒng)采用由一個(gè)雙向定量泵供壓,四個(gè)雙向變量液壓馬達(dá)并聯(lián)控制四個(gè)車輪,車輪轉(zhuǎn)速的大小通過雙向變量馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)來控制,采用三位四通電磁換向閥、調(diào)速閥、先導(dǎo)溢流閥組成的自由分流系統(tǒng)以達(dá)到提高功率利用率和節(jié)能的效果。該液壓系統(tǒng)采用閉式靜液壓傳動(dòng)方法,并設(shè)有一對(duì)先導(dǎo)閥實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全保護(hù)。

      噴藥機(jī)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)液壓工作原理見圖3,由圖可知,噴藥機(jī)的四個(gè)轉(zhuǎn)向液壓缸連接了四個(gè)車輪的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),分別由四個(gè)電磁比例方向閥控制,噴藥機(jī)的PLC控制系統(tǒng)可根據(jù)輸入變量控制四個(gè)電磁比例方向閥的輸出變量,從而對(duì)四個(gè)轉(zhuǎn)向液壓缸的伸出長(zhǎng)度進(jìn)行控制,以達(dá)到噴藥機(jī)轉(zhuǎn)向控制的目的。

      自動(dòng)噴藥機(jī)控制系統(tǒng)使用柴油發(fā)電機(jī)電,采用FX2N-64MR型PLC作為核心控制裝置,操作者利用觸摸屏通過串口通訊發(fā)送的控制參數(shù)命令PLC執(zhí)行程序,PLC與傳感器進(jìn)行串口通訊,采集植物高度、壟間距、轉(zhuǎn)向輪位置等信息迅速做出反饋,PLC通過串口通訊控制伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)噴藥機(jī)的行走和轉(zhuǎn)向,控制液壓泵和噴頭電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)噴藥架的噴藥工作,控制安裝在噴藥機(jī)機(jī)架上的電動(dòng)推桿運(yùn)轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)噴藥機(jī)架高度的調(diào)節(jié)、車輪間距的調(diào)節(jié)等動(dòng)作,從而完成噴藥機(jī)自動(dòng)化行走和合理化噴藥等過程。

      三、工作原理

      自動(dòng)噴藥機(jī)控制系統(tǒng)的PLC控制程序主要包括:伺服電機(jī)控制程序、傳感器信息采集與噴藥架高度調(diào)節(jié)程序、觸摸屏與PLC串口通訊程序。控制系統(tǒng)電路分為主電路和控制電路兩部分,主電路給整個(gè)系統(tǒng)中的伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、電動(dòng)推桿、PLC等供電。控制電路是由以PLC為核心的伺服系統(tǒng)控制電路、電動(dòng)推桿控制電路等組成。

      伺服系統(tǒng)控制電路給DVP-20PM控制器供電,連接伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)高精度的定位。電動(dòng)推桿控制電路中將交流電轉(zhuǎn)換為24V的直流電,給兩個(gè)噴藥架高度控制電機(jī)供電。DVP-32HN控制器完成噴藥架主桿、支桿的啟閉動(dòng)作,以噴藥架閉合動(dòng)作為例,控制器通過控制電磁閥的啟閉來完成噴藥架主桿的閉合動(dòng)作,當(dāng)操作人員遠(yuǎn)程發(fā)出一個(gè)主桿閉合指令時(shí),控制器接受主桿閉合信號(hào),并開始判斷支桿是否閉合,若支桿沒有閉合,則指令無效,主桿無法閉合;如支桿己經(jīng)閉合,則控制器發(fā)出信號(hào)觸發(fā)主桿電磁閥工作,主桿閉合至觸發(fā)行程開關(guān)位置,運(yùn)動(dòng)停止,主桿閉合動(dòng)作完成,噴藥架展開動(dòng)作類似。

      傳感器信息采集與噴藥架高度調(diào)節(jié)程序通過傳感器用于采集噴藥架與果樹之間的距離,將采集到的距離與預(yù)設(shè)的噴藥架與果樹之間的距離作比較,并驅(qū)動(dòng)用于噴藥架高度調(diào)節(jié)的電動(dòng)推桿運(yùn)行,使噴藥架與果樹保持較好的噴藥距離,減少噴藥過程中農(nóng)藥的過度揮發(fā),提高農(nóng)藥的利用率。

      觸摸屏與PLC串口通訊程序控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)噴藥機(jī)的行走及轉(zhuǎn)向功能,由觸摸屏、PLC、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)組成。觸摸屏向PLC發(fā)送布爾型行走控制命令,PLC接受到控制命令后,使程序中相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制功能塊工作,PLC就向伺服驅(qū)動(dòng)器傳輸脈沖,伺服驅(qū)動(dòng)器接收到脈沖并解析后發(fā)送到伺服電機(jī),驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)噴藥機(jī)的行走功能。

      控制系統(tǒng)有兩套伺服電機(jī)系統(tǒng)來完成噴藥架的行走與轉(zhuǎn)向,采用功率較大的伺服電機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行噴藥機(jī)前行、后退等動(dòng)作,采用功率小的伺服電機(jī)系統(tǒng)作為噴藥機(jī)的轉(zhuǎn)向裝置,PLC通過控制這兩套伺服系統(tǒng)工作情況就可實(shí)現(xiàn)噴藥機(jī)的行走過程。噴藥機(jī)控制系統(tǒng)的PLC接收到觸摸屏發(fā)送的前行命令后,首先根據(jù)傳感器發(fā)送的信號(hào)判斷噴藥機(jī)前行方向是否有不可超越的障礙,如果有障礙,PLC不執(zhí)行前行指令并產(chǎn)生報(bào)警信息,同時(shí)PLC將障礙信息反饋給觸摸屏,由操作者判斷是否改變噴藥機(jī)前行方向繞開障礙;如果沒有障礙,PLC執(zhí)行前行命令,使噴藥機(jī)按照觸摸屏指定的路線前行。

      總上所述,本文主要對(duì)高株果樹自動(dòng)噴藥機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì),機(jī)械結(jié)構(gòu)做了次要說明,控制系統(tǒng)包括噴藥架升降和啟閉系統(tǒng),噴藥機(jī)行走系統(tǒng),噴藥機(jī)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)。分別繪制了各系統(tǒng)的液壓傳動(dòng)原理圖,及自動(dòng)噴藥機(jī)控制系統(tǒng)的PLC控制程序的部分電路原理圖、控制框圖和控制流程圖。為高株果樹噴藥機(jī)的自動(dòng)化研究提供一定的參考價(jià)值。

      為了適應(yīng)不同用戶、不同地形的需求,高株果樹噴藥機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)在未來的設(shè)計(jì)中應(yīng)需要注意以下要求:(1)控制模式要求:既可以人工遠(yuǎn)程控制,也可以自主控制;(2)行走要求:行走速度可以自由調(diào)控,可以自由轉(zhuǎn)向;(3)信息采集要求:可以采集果樹的株高,便于調(diào)控噴藥架與果樹之間的距離,能夠采集前轉(zhuǎn)向輪的左、右極限位置和正中位置,以防噴藥機(jī)行走過程中因轉(zhuǎn)角過大自停。

      (作者單位:750021寧夏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院)

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