趙晶晶

（江蘇省宿遷經(jīng)貿(mào)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 宿遷 223600）

1 PLC技術(shù)概述

1.1 PLC基本原理

PLC 的運(yùn)作依賴于一系列模塊化組件，包括中央處理單元（CPU）、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口（I/O）以及通信接口。中央處理單元的核心是一個(gè)微處理器，常采用32 位或64 位架構(gòu)，擁有高達(dá)400 MHz 的時(shí)鐘頻率，確保了處理速度和效率[1]。存儲(chǔ)器部分包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，前者通常采用非易失性存儲(chǔ)介質(zhì)，例如，閃存容量多在128 KB 至數(shù)MB 之間，而數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器則包含用于臨時(shí)數(shù)據(jù)處理的RAM，容量通常在64 KB 至256 KB 之間。輸入/輸出接口的設(shè)計(jì)允許PLC與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，這些接口能處理多種信號(hào)類型，如24 V DC 數(shù)字信號(hào)和4 mA～20 mA模擬信號(hào)，其反應(yīng)時(shí)間低至微秒級(jí)別。此外，PLC 還支持多種通信協(xié)議，如MODBUS、PROFIBUS 等，以實(shí)現(xiàn)與其他控制系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的連接。

1.2 PLC功能與特點(diǎn)

PLC 的關(guān)鍵功能包括邏輯處理、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和數(shù)據(jù)處理。這些功能得益于其高速的處理器，如具備最高1 GHz 處理速度的ARM Cortex 系列CPU，其快速響應(yīng)時(shí)間通常為10 ms 以內(nèi)，確保即時(shí)和準(zhǔn)確的控制[2]。在特點(diǎn)方面，PLC 支持多種編程語(yǔ)言，如梯形圖、功能塊圖和結(jié)構(gòu)化文本，使得編程更加靈活。其模塊化設(shè)計(jì)允許用戶根據(jù)需要輕松添加或更換I/O 模塊，使系統(tǒng)可擴(kuò)展性較強(qiáng)。此外，PLC 還支持網(wǎng)絡(luò)功能，可通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)或其他通信協(xié)議（例如EtherCAT、CANopen）與其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，增強(qiáng)了其在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中的互聯(lián)互通能力。

2 基于PLC的農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 PLC系統(tǒng)硬件選擇

在設(shè)計(jì)基于PLC 的農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化調(diào)度系統(tǒng)時(shí)，PLC系統(tǒng)的硬件選擇至關(guān)重要。

1）中央處理單元（CPU）的選擇應(yīng)基于其處理能力和存儲(chǔ)容量，考慮到農(nóng)業(yè)環(huán)境中數(shù)據(jù)處理和控制命令的復(fù)雜性，推薦選用具有高速處理器（至少1 GHz）和較大存儲(chǔ)空間（至少512 MB RAM及2 GB的閃存）的CPU。這樣的配置確保了快速、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)處理和足夠的程序存儲(chǔ)空間[3]。

2）輸入/輸出（I/O）模塊必須能夠處理各種傳感器和執(zhí)行器的信號(hào)，如溫度、濕度、GPS 定位和速度控制等。選擇具有多種模擬和數(shù)字輸入/輸出通道的I/O模塊是關(guān)鍵，這些模塊應(yīng)支持至少24 V DC的數(shù)字輸入和0～10 V 或4 mA～20 mA 的模擬輸入以及對(duì)應(yīng)的輸出能力[4]。在通信方面，選用支持多種工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)的PLC 是必要的，這包括但不限于以太網(wǎng)、CAN 總線和無(wú)線通信接口，以確保與農(nóng)業(yè)機(jī)械及監(jiān)控系統(tǒng)的無(wú)縫連接。特別是支持先進(jìn)的工業(yè)協(xié)議如EtherNet/IP 或PROFINET 的PLC 可以大大提高數(shù)據(jù)傳輸效率和系統(tǒng)整體可靠性。

3）考慮到農(nóng)業(yè)環(huán)境的特殊性，所選PLC 的耐環(huán)境性能也非常關(guān)鍵。這意味著PLC 硬件應(yīng)具備良好的防塵、防潮、抗震能力以及在廣泛的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行的能力（如-20 °C～60 °C）。

2.2 PLC軟件編程

編程首先要基于系統(tǒng)的具體需求，例如作物種植模式、土壤狀況監(jiān)測(cè)、灌溉系統(tǒng)控制等，來(lái)設(shè)計(jì)合理的控制邏輯和數(shù)據(jù)處理流程[5]。在此過(guò)程中，使用高級(jí)編程語(yǔ)言如結(jié)構(gòu)化文本（Structured Text）或梯形圖（Ladder Logic）來(lái)編寫(xiě)控制算法是常見(jiàn)的做法。這些語(yǔ)言不僅提供了強(qiáng)大的邏輯處理能力，而且支持復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和控制流程，如多線程處理和事件驅(qū)動(dòng)編程。為了實(shí)現(xiàn)精確的調(diào)度控制，編程中需要集成先進(jìn)的算法，如模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或機(jī)器學(xué)習(xí)算法，以優(yōu)化決策過(guò)程和適應(yīng)多變的農(nóng)業(yè)環(huán)境[6]。例如，通過(guò)集成環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（如溫度、濕度、光照強(qiáng)度）和作物生長(zhǎng)模型，PLC 程序可以智能調(diào)整灌溉和施肥策略。此外，PLC 程序還需考慮與外部設(shè)備和系統(tǒng)的通信需求。這通常涉及實(shí)現(xiàn)工業(yè)通信協(xié)議（如MODBUS TCP、OPC UA）的接口，確保與傳感器、監(jiān)控系統(tǒng)、云平臺(tái)等的高效數(shù)據(jù)交換。程序還應(yīng)包括故障檢測(cè)和自我診斷功能，以實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)并在異常情況下觸發(fā)警報(bào)或采取應(yīng)對(duì)措施。

2.3 通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

在基于PLC 的農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化調(diào)度系統(tǒng)中，通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是確保信息高效流通和系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

1）核心網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)，以保證高速數(shù)據(jù)傳輸，通常要求至少1 Gbps 的傳輸速率和低于10 ms 的延遲[7]。對(duì)于遠(yuǎn)程或移動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械，采用無(wú)線通信技術(shù)，如LTE 或即將普及的5G 網(wǎng)絡(luò)，可以提供高達(dá)100 Mbps 的下行速率和低至1 ms 的延遲，確保遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性[8]。

2）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)采用分層設(shè)計(jì)，以確保可擴(kuò)展性和靈活性。在底層，現(xiàn)場(chǎng)總線如CAN 或MODBUSRTU 適用于近距離、低速率的設(shè)備連接。在中層，以太網(wǎng)或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可用于連接各個(gè)PLC 和中心控制系統(tǒng)[9]。在頂層，云連接或VPN 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)交互。

3）網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮安全性。采用先進(jìn)的加密技術(shù)和安全協(xié)議，如SSL/TLS 或VPN，可以防止數(shù)據(jù)被非法攔截或篡改。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都應(yīng)具備防火墻和入侵檢測(cè)系統(tǒng)，以防止外部攻擊。

3 基于PLC的農(nóng)業(yè)機(jī)械路徑規(guī)劃系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 采集農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)

在基于PLC 的農(nóng)業(yè)機(jī)械路徑規(guī)劃系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，采集農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)是關(guān)鍵的第一步。此過(guò)程涉及使用多種高精度傳感器，如多光譜傳感器、激光雷達(dá)（LiDAR）、GPS 定位系統(tǒng)及地形掃描儀。這些傳感器能夠提供農(nóng)田地形、作物長(zhǎng)勢(shì)、土壤濕度、光照強(qiáng)度等多維度的數(shù)據(jù)[10]。例如，多光譜傳感器可以捕捉不同波長(zhǎng)的反射光譜數(shù)據(jù)，用于分析作物健康狀況。這些數(shù)據(jù)通過(guò)高速通信網(wǎng)絡(luò)（如工業(yè)以太網(wǎng)或無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)）傳輸至PLC 系統(tǒng)。PLC 內(nèi)部的高性能CPU（處理速度至少1 GHz）和大容量存儲(chǔ)（至少512 MB RAM）則負(fù)責(zé)處理這些數(shù)據(jù)，提取關(guān)鍵信息。例如，利用地形數(shù)據(jù)生成高精度的三維地圖，基于作物長(zhǎng)勢(shì)數(shù)據(jù)進(jìn)行作業(yè)區(qū)域的精確劃分。采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)不僅為路徑規(guī)劃提供了基礎(chǔ)，還能夠用于監(jiān)測(cè)作業(yè)過(guò)程中的環(huán)境變化，確保路徑規(guī)劃系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和適應(yīng)性。

3.2 優(yōu)化路徑規(guī)劃算法

路徑規(guī)劃算法優(yōu)化過(guò)程中，關(guān)鍵是采用高級(jí)算法，如A*搜索算法、遺傳算法，這些算法能夠在復(fù)雜的農(nóng)田環(huán)境中找到最優(yōu)或近似最優(yōu)的路徑。例如，A*搜索算法通過(guò)評(píng)估從起點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的預(yù)估總成本（包括實(shí)際成本和預(yù)估剩余成本）來(lái)確定最短路徑。在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中，這個(gè)算法可以結(jié)合地形、作物分布及其他障礙物信息來(lái)計(jì)算成本，從而規(guī)劃出高效的行駛路線。遺傳算法則模仿自然選擇的過(guò)程，通過(guò)迭代進(jìn)化來(lái)優(yōu)化路徑規(guī)劃，在處理大規(guī)?；蜃兓喽说霓r(nóng)田環(huán)境時(shí)尤其有效。這些算法的實(shí)施需要PLC 系統(tǒng)具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和高效的算法執(zhí)行環(huán)境。因此，在PLC 編程中，不僅要實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜的算法，還要優(yōu)化內(nèi)存和處理速度，以確保路徑規(guī)劃的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

3.3 控制路徑跟蹤

路徑跟蹤控制過(guò)程涉及復(fù)雜的控制算法和精確的傳感器反饋。主要采用的控制算法包括比例-積分-微分（PID）控制器、純跟蹤控制器以及模糊邏輯控制器。例如，PID 控制器可以根據(jù)路徑偏差（即機(jī)械實(shí)際位置與預(yù)定路徑之間的差異）動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)械的行駛方向和速度，其關(guān)鍵參數(shù)如比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)需根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行精細(xì)調(diào)整。純跟蹤控制器適用于機(jī)械在較復(fù)雜地形中的路徑跟蹤，它依賴于機(jī)械當(dāng)前位置與預(yù)定路徑之間的橫向距離和角度差異來(lái)調(diào)整行駛方向。模糊邏輯控制器則通過(guò)模擬人類的決策過(guò)程來(lái)處理模糊和不確定的信息，特別適用于變化多端的農(nóng)田環(huán)境。

此外，實(shí)時(shí)的傳感器數(shù)據(jù)對(duì)于路徑跟蹤控制至關(guān)重要。GPS 系統(tǒng)提供精確的位置信息，其精度可達(dá)厘米級(jí)；同時(shí)，慣性測(cè)量單元（IMU）和輪速傳感器可以提供關(guān)于機(jī)械速度和方向的數(shù)據(jù)。PLC 系統(tǒng)需實(shí)時(shí)處理這些傳感器數(shù)據(jù)，并據(jù)此調(diào)整機(jī)械行駛的速度和方向，以確保路徑跟蹤的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

4 試驗(yàn)分析與實(shí)證研究

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證所提出的基于PLC 的農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化路徑規(guī)劃方法的效果，本研究設(shè)計(jì)了如下田間試驗(yàn)。

1）試驗(yàn)平臺(tái)：采用John Deere 8330 輪式拖拉機(jī)作為試驗(yàn)載體，配置Trimble SPS882 RTK GPS 定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度定位，傳感器采集的數(shù)據(jù)精度為2 cm。同時(shí)，安裝XSENS MTi-300 IMU 模塊獲取機(jī)械的速度、方向等狀態(tài)信息，IMU 的陀螺儀和加速度計(jì)精度分別為0.01°/s 和0.002 m/s2。PLC 系統(tǒng)整合了改進(jìn)的純跟蹤控制算法，控制周期為50 ms。

2）試驗(yàn)場(chǎng)地：選擇測(cè)試站內(nèi)100 m×100 m 的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)田，地面平整，設(shè)置了5 種不同復(fù)雜度的路徑，路徑長(zhǎng)度從100 m 到500 m 不等。

3）對(duì)比算法：試驗(yàn)將分別測(cè)試傳統(tǒng)PID 控制、標(biāo)準(zhǔn)純跟蹤控制和改進(jìn)控制算法在不同路徑下的跟蹤精度和穩(wěn)定性。

4.2 結(jié)果分析與討論

通過(guò)上述試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)不同路徑下各種控制算法的跟蹤性能進(jìn)行了定量分析，如表1 所示。結(jié)果表明，在路徑長(zhǎng)度為100 m 的簡(jiǎn)單線性路徑下，PID、標(biāo)準(zhǔn)純跟蹤和改進(jìn)控制的最大跟蹤誤差較小，均在3 cm 左右。但隨著路徑復(fù)雜度的提高，尤其是出現(xiàn)多次連續(xù)轉(zhuǎn)向時(shí)，PID 和標(biāo)準(zhǔn)純跟蹤控制的最大誤差明顯增加，在長(zhǎng)度為500 m 的S 形復(fù)雜路徑下，誤差分別達(dá)到18.3 cm 和12.5 cm。而改進(jìn)控制算法的最大誤差始終維持在8 cm 左右，明顯優(yōu)于其他兩種方法。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)PID 存在積分飽和問(wèn)題，而標(biāo)準(zhǔn)純跟蹤控制對(duì)非線性復(fù)雜路徑的適應(yīng)性較差。相比之下，改進(jìn)算法采用了自適應(yīng)積分飽和處理和當(dāng)前Yaw 角預(yù)測(cè)方案，顯著提升了路徑跟蹤的魯棒性和適應(yīng)性。

表1 不同路徑下三種控制算法的具體指標(biāo)對(duì)比

在另一關(guān)鍵指標(biāo)穩(wěn)定時(shí)間方面，隨著路徑復(fù)雜度提高，PID 控制的穩(wěn)定時(shí)間從68 s 增至193 s，標(biāo)準(zhǔn)純跟蹤從52 s 增至172 s，改進(jìn)控制算法的穩(wěn)定時(shí)間維持在63 s～152 s，增長(zhǎng)緩慢。該結(jié)果表明改進(jìn)控制算法能夠快速跟蹤復(fù)雜路徑，使機(jī)械運(yùn)動(dòng)保持平穩(wěn)。

以上分析表明，本文所提出的改進(jìn)純跟蹤控制算法在復(fù)雜路徑的跟蹤精度和穩(wěn)定性方面顯示出顯著優(yōu)勢(shì)，驗(yàn)證了該方法在農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化路徑規(guī)劃中的效果。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上，本研究的理論分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與算法優(yōu)化為PLC技術(shù)在下一代智能農(nóng)機(jī)中的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。展望未來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的發(fā)展，PLC 的功能將得到進(jìn)一步擴(kuò)展，使農(nóng)業(yè)機(jī)械向更高的智能化程度邁進(jìn)，為現(xiàn)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)提供有力支持。