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 的運作依賴于一系列模塊化組件，包括中央處理單元（CPU）、存儲器、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微處理器，常采用32 位或64 位架構(gòu)，擁有高達400 MHz 的時鐘頻率，確保了處理速度和效率[1]。存儲器部分包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，前者通常采用非易失性存儲介質(zhì)，例如，閃存容量多在128 KB 至數(shù)MB 之間，而數(shù)據(jù)存儲器則包含用于臨時數(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)計允許PLC與外部設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換，這些接口能處理多種信號類型，如24 V DC 數(shù)字信號和4 mA～20 mA模擬信號，其反應(yīng)時間低至微秒級別。此外，PLC 還支持多種通信協(xié)議，如MODBUS、PROFIBUS 等，以實現(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

PLC 的關(guān)鍵功能包括邏輯處理、順序控制、定時、計數(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)時間通常為10 ms 以內(nèi)，確保即時和準確的控制[2]。在特點方面，PLC 支持多種編程語言，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)可擴展性較強。此外，PLC 還支持網(wǎng)絡(luò)功能，可通過工業(yè)以太網(wǎng)或其他通信協(xié)議（例如EtherCAT、CANopen）與其他設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換，增強了其在復(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)機械智能化調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計

2.1 PLC系統(tǒng)硬件選擇

在設(shè)計基于PLC 的農(nóng)業(yè)機械智能化調(diào)度系統(tǒng)時，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、準確的數(shù)據(jù)處理和足夠的程序存儲空間[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，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)通信標準的PLC 是必要的，這包括但不限于以太網(wǎng)、CAN 總線和無線通信接口，以確保與農(nóng)業(yè)機械及監(jiān)控系統(tǒng)的無縫連接。特別是支持先進的工業(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、灌溉系統(tǒng)控制等，來設(shè)計合理的控制邏輯和數(shù)據(jù)處理流程[5]。在此過程中，使用高級編程語言如結(jié)構(gòu)化文本（Structured Text）或梯形圖（Ladder Logic）來編寫控制算法是常見的做法。這些語言不僅提供了強大的邏輯處理能力，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)動編程。為了實現(xiàn)精確的調(diào)度控制，編程中需要集成先進的算法，如模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或機器學(xué)習(xí)算法，以優(yōu)化決策過程和適應(yīng)多變的農(nóng)業(yè)環(huán)境[6]。例如，通過集成環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)（如溫度、濕度、光照強度）和作物生長模型，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)、云平臺等的高效數(shù)據(jù)交換。程序還應(yīng)包括故障檢測和自我診斷功能，以實時監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)并在異常情況下觸發(fā)警報或采取應(yīng)對措施。

2.3 通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

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

1）核心網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用工業(yè)級以太網(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]。對于遠程或移動農(nóng)業(yè)機械，采用無線通信技術(shù)，如LTE 或即將普及的5G 網(wǎng)絡(luò)，可以提供高達100 Mbps 的下行速率和低至1 ms 的延遲，確保遠程控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性[8]。

2）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)采用分層設(shè)計，以確?？蓴U展性和靈活性。在底層，現(xiàn)場總線如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)或無線網(wǎng)絡(luò)可用于連接各個PLC 和中心控制系統(tǒng)[9]。在頂層，云連接或VPN 技術(shù)可實現(xiàn)與遠程監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)交互。

3）網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計還應(yīng)考慮安全性。采用先進的加密技術(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，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都應(yīng)具備防火墻和入侵檢測系統(tǒng)，以防止外部攻擊。

3 基于PLC的農(nóng)業(yè)機械路徑規(guī)劃系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 采集農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)

在基于PLC 的農(nóng)業(yè)機械路徑規(guī)劃系統(tǒng)實現(xiàn)中，采集農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)是關(guān)鍵的第一步。此過程涉及使用多種高精度傳感器，如多光譜傳感器、激光雷達（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、作物長勢、土壤濕度、光照強度等多維度的數(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)通過高速通信網(wǎng)絡(luò)（如工業(yè)以太網(wǎng)或無線通信網(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（至少512 MB RAM）則負責處理這些數(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，基于作物長勢數(shù)據(jù)進行作業(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)測作業(yè)過程中的環(huán)境變化，確保路徑規(guī)劃系統(tǒng)的實時性和適應(yīng)性。

3.2 優(yōu)化路徑規(guī)劃算法

路徑規(guī)劃算法優(yōu)化過程中，關(guān)鍵是采用高級算法，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*搜索算法通過評估從起點到目標點的預(yù)估總成本（包括實際成本和預(yù)估剩余成本）來確定最短路徑。在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中，這個算法可以結(jié)合地形、作物分布及其他障礙物信息來計算成本，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程，通過迭代進化來優(yōu)化路徑規(guī)劃，在處理大規(guī)?；蜃兓喽说霓r(nóng)田環(huán)境時尤其有效。這些算法的實施需要PLC 系統(tǒng)具備強大的數(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)劃的實時性和準確性。

3.3 控制路徑跟蹤

路徑跟蹤控制過程涉及復(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（即機械實際位置與預(yù)定路徑之間的差異）動態(tài)調(diào)整機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)境進行精細調(diào)整。純跟蹤控制器適用于機械在較復(fù)雜地形中的路徑跟蹤，它依賴于機械當前位置與預(yù)定路徑之間的橫向距離和角度差異來調(diào)整行駛方向。模糊邏輯控制器則通過模擬人類的決策過程來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，實時的傳感器數(shù)據(jù)對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，其精度可達厘米級；同時，慣性測量單元（IMU）和輪速傳感器可以提供關(guān)于機械速度和方向的數(shù)據(jù)。PLC 系統(tǒng)需實時處理這些傳感器數(shù)據(jù)，并據(jù)此調(diào)整機械行駛的速度和方向，以確保路徑跟蹤的準確性和穩(wěn)定性。

4 試驗分析與實證研究

4.1 試驗設(shè)計

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

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

2）試驗場地：選擇測試站內(nèi)100 m×100 m 的標準試驗田，地面平整，設(shè)置了5 種不同復(fù)雜度的路徑，路徑長度從100 m 到500 m 不等。

3）對比算法：試驗將分別測試傳統(tǒng)PID 控制、標準純跟蹤控制和改進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

通過上述試驗設(shè)計，對不同路徑下各種控制算法的跟蹤性能進行了定量分析，如表1 所示。結(jié)果表明，在路徑長度為100 m 的簡單線性路徑下，PID、標準純跟蹤和改進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，PID 和標準純跟蹤控制的最大誤差明顯增加，在長度為500 m 的S 形復(fù)雜路徑下，誤差分別達到18.3 cm 和12.5 cm。而改進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。這是因為傳統(tǒng)PID 存在積分飽和問題，而標準純跟蹤控制對非線性復(fù)雜路徑的適應(yīng)性較差。相比之下，改進算法采用了自適應(yīng)積分飽和處理和當前Yaw 角預(yù)測方案，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對比

在另一關(guān)鍵指標穩(wěn)定時間方面，隨著路徑復(fù)雜度提高，PID 控制的穩(wěn)定時間從68 s 增至193 s，標準純跟蹤從52 s 增至172 s，改進控制算法的穩(wěn)定時間維持在63 s～152 s，增長緩慢。該結(jié)果表明改進控制算法能夠快速跟蹤復(fù)雜路徑，使機械運動保持平穩(wěn)。

以上分析表明，本文所提出的改進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，驗證了該方法在農(nóng)業(yè)機械智能化路徑規(guī)劃中的效果。

5 結(jié)語

綜上，本研究的理論分析、系統(tǒng)設(shè)計與算法優(yōu)化為PLC技術(shù)在下一代智能農(nóng)機中的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。展望未來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的發(fā)展，PLC 的功能將得到進一步擴展，使農(nóng)業(yè)機械向更高的智能化程度邁進，為現(xiàn)代精準農(nóng)業(yè)提供有力支持。