李蜀予 張清林

科學技術(shù)的提高帶動了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的發(fā)展，植保機械開始在農(nóng)業(yè)領域應用，隨著國家大力度對農(nóng)業(yè)投入補貼，現(xiàn)代化植保機械逐步走進了普通農(nóng)戶家庭。植保機械的應用不僅解決了農(nóng)村勞動力的不足，提高生產(chǎn)效率和農(nóng)業(yè)的精準度，也在衛(wèi)生安全方面發(fā)揮了巨大作用。植物保護已成為農(nóng)林生產(chǎn)的重要組成部分，是推動農(nóng)林業(yè)高產(chǎn)豐收的關(guān)鍵因素之一。我國植保機械是在解放后才逐步發(fā)展起來的，主要是化學農(nóng)藥噴灑機械從無到有，經(jīng)歷了漫長的發(fā)展過程，雖然部分植保機械已達到或超過世界先進水平，但與國外一流的植保機械相比，仍然滿足不了農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，植保機械已經(jīng)成為我國農(nóng)業(yè)全程機械化的短板?，F(xiàn)有的大多數(shù)植保設備結(jié)構(gòu)簡單，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)的背負式植保機械依然占據(jù)著主導地位，我國的大面積自動化的植保機械的發(fā)展仍有很長一段路要走。

果樹是重要的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟作物，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)護方面，做好病蟲害防治工作是保證果樹健康生長的重要工作環(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)快速升級及農(nóng)村勞動力的就業(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，與之配套的噴藥機作業(yè)范圍及自動化程度就提出了新的要求。

傳統(tǒng)的果樹噴藥設備是人工手動背負式，不僅效率不高，還存在農(nóng)藥對作業(yè)人員毒害的隱患。這些人力大量參與的噴藥設備優(yōu)點是可以實現(xiàn)與果樹的近距離噴灑，但作業(yè)范圍較小，同時對于大多數(shù)果樹植物，藏于樹葉底部的蚜蟲往往會在這種自上而下的噴灑作業(yè)中存活下來。我國目前使用的配有拖拉機等動力拖曳的農(nóng)用噴藥設備大大改善了工作環(huán)境，可以進行大面積噴灑。但動力拖曳噴藥設備對作業(yè)空間、地平條件要求嚴格，屬于遠距離噴灑，不能對果樹特定區(qū)域病蟲害進行接觸防治，而且農(nóng)藥使用的效率較低，有資料統(tǒng)計不超過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，對人體同樣造成傷害。有報道，國外有一種使用效率較高的隧道式循環(huán)噴霧機可以有效減小飄移、回收霧滴，提高農(nóng)藥利用率，但其結(jié)構(gòu)龐大，需要多人同時操作，使用成本較高，而且勞動強度較大，不太適合小型農(nóng)戶使用。

綜上可知，高株果樹噴藥機未來的發(fā)展趨勢就是智能化、自動化。將現(xiàn)代先進的計算機智能技術(shù)應用到傳統(tǒng)的噴藥設備，結(jié)合PLC自動控制系統(tǒng)，不僅可以提高噴藥的精準度和有效性，還可以減少農(nóng)藥噴灑過程對人體的傷害，降低人工勞動強度。

一、研究思路

現(xiàn)有的高株果樹噴藥機最大的缺陷就是需要人工操作，存在藥物危害隱患，如何讓噴藥機無人駕駛就是關(guān)鍵。本文提出一種用于高株果樹的自動噴藥機，可以在遠程控制下實現(xiàn)自走功能，進行無人駕駛操作，從而避免因噴藥對操作人員身體健康的危害;可實現(xiàn)一人多機控制管理，提高生產(chǎn)效率，減輕勞動力;機架結(jié)構(gòu)可以自動調(diào)整行距，提高噴藥機的通用性;可根據(jù)果樹株高實時調(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，整套噴藥設備從機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩個方面進行了設計，機械結(jié)構(gòu)主要由前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)、高度升降機構(gòu)、噴藥架伸縮機構(gòu)、機架調(diào)整機構(gòu)組成，在噴藥機行走中前輪可以根據(jù)作業(yè)需求自動轉(zhuǎn)向，噴藥架高度可以調(diào)節(jié)實現(xiàn)不同果樹株高的噴灑要求，噴藥架長度伸縮進行噴灑工作面積的改變，機架調(diào)整機構(gòu)可以改變車輪間距以適應不同的果樹行距?？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)是動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，在PLC的控制下工作，PLC下達指令進行液壓系統(tǒng)各個電磁閥的通斷，實現(xiàn)液壓缸活塞的升降從而推動各機械結(jié)構(gòu)間的運動，最終達到噴藥機的作業(yè)要求。PLC是控制系統(tǒng)的核心，根據(jù)傳感器的信號及時調(diào)整噴藥機的運行過程。

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)，噴藥機行走系統(tǒng)，噴藥機轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)三個系統(tǒng)組成。噴藥機的各個液壓系統(tǒng)由中央控制器控制，該控制器由FX2N-64MR型PLC組成，執(zhí)行各個控制程序，實現(xiàn)控制功能。整個液壓系統(tǒng)總體采用電磁控制技術(shù)進行系統(tǒng)的控制，由三個雙向定量液壓泵提供動力，分別給噴藥架升降和啟閉系統(tǒng)、噴藥機行走系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)提供動力。

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)使用兩個三位四通電磁換向閥控制兩個二級伸縮液壓缸來分別實現(xiàn)駕駛室與噴藥架的升降功能，用兩個普通液壓缸控制噴藥架主桿的啟閉與閉合，用兩個擺動馬達控制噴藥架支桿的啟閉與閉合。液壓缸和擺動馬達使用同樣的三位四通電磁換向閥來控制，操作人員也可以遠程控制電磁閥來進行兩個主桿、兩個支桿的啟閉和閉合。

噴藥機行走系統(tǒng)液壓工作原理見圖2，該行走液壓系統(tǒng)采用由一個雙向定量泵供壓，四個雙向變量液壓馬達并聯(lián)控制四個車輪，車輪轉(zhuǎn)速的大小通過雙向變量馬達輸出轉(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、先導溢流閥組成的自由分流系統(tǒng)以達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方法，并設有一對先導閥實現(xiàn)系統(tǒng)的安全保護。

噴藥機轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)液壓工作原理見圖3，由圖可知，噴藥機的四個轉(zhuǎn)向液壓缸連接了四個車輪的轉(zhuǎn)向機構(gòu)，分別由四個電磁比例方向閥控制，噴藥機的PLC控制系統(tǒng)可根據(jù)輸入變量控制四個電磁比例方向閥的輸出變量，從而對四個轉(zhuǎn)向液壓缸的伸出長度進行控制，以達到噴藥機轉(zhuǎn)向控制的目的。

自動噴藥機控制系統(tǒng)使用柴油發(fā)電機電，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)實現(xiàn)噴藥機的行走和轉(zhuǎn)向，控制液壓泵和噴頭電機運轉(zhuǎn)實現(xiàn)噴藥架的噴藥工作，控制安裝在噴藥機機架上的電動推桿運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)噴藥機架高度的調(diào)節(jié)、車輪間距的調(diào)節(jié)等動作，從而完成噴藥機自動化行走和合理化噴藥等過程。

三、工作原理

自動噴藥機控制系統(tǒng)的PLC控制程序主要包括：伺服電機控制程序、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?？刂葡到y(tǒng)電路分為主電路和控制電路兩部分，主電路給整個系統(tǒng)中的伺服驅(qū)動器、伺服電機、電動推桿、PLC等供電?？刂齐娐肥怯梢訮LC為核心的伺服系統(tǒng)控制電路、電動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)動器實現(xiàn)整個傳動系統(tǒng)高精度的定位。電動推桿控制電路中將交流電轉(zhuǎn)換為24V的直流電，給兩個噴藥架高度控制電機供電。DVP-32HN控制器完成噴藥架主桿、支桿的啟閉動作，以噴藥架閉合動作為例，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作，當操作人員遠程發(fā)出一個主桿閉合指令時，控制器接受主桿閉合信號，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，運動停止，主桿閉合動作完成，噴藥架展開動作類似。

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設的噴藥架與果樹之間的距離作比較，并驅(qū)動用于噴藥架高度調(diào)節(jié)的電動推桿運行，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實現(xiàn)噴藥機的行走及轉(zhuǎn)向功能，由觸摸屏、PLC、伺服驅(qū)動器、伺服電機組成。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，使程序中相應的運動控制功能塊工作，PLC就向伺服驅(qū)動器傳輸脈沖，伺服驅(qū)動器接收到脈沖并解析后發(fā)送到伺服電機，驅(qū)動伺服電機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)噴藥機的行走功能。

控制系統(tǒng)有兩套伺服電機系統(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系統(tǒng)執(zhí)行噴藥機前行、后退等動作，采用功率小的伺服電機系統(tǒng)作為噴藥機的轉(zhuǎn)向裝置，PLC通過控制這兩套伺服系統(tǒng)工作情況就可實現(xiàn)噴藥機的行走過程。噴藥機控制系統(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)送的信號判斷噴藥機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)生報警信息，同時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，使噴藥機按照觸摸屏指定的路線前行。

總上所述，本文主要對高株果樹自動噴藥機控制系統(tǒng)進行了研究與設計，機械結(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)，噴藥機行走系統(tǒng)，噴藥機轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)。分別繪制了各系統(tǒng)的液壓傳動原理圖，及自動噴藥機控制系統(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。為高株果樹噴藥機的自動化研究提供一定的參考價值。

為了適應不同用戶、不同地形的需求，高株果樹噴藥機自動控制系統(tǒng)在未來的設計中應需要注意以下要求：（1）控制模式要求：既可以人工遠程控制，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)學院）