WP-40Ⅱ型微噴灌機自動撥管換向控制：方法解析與性能洞察一、引言1.1研究背景與意義水是生命之源，是人類社會賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)性自然資源。然而，全球水資源分布不均，短缺問題日益嚴峻。據(jù)世界氣象組織報告顯示，2023年是三十多年來全球河流最干旱的一年，在過去連續(xù)五年中，河流流量普遍低于正常水平，水庫流量型態(tài)類似，減少了社區(qū)、農(nóng)業(yè)和生態(tài)系統(tǒng)的可用水量，進一步加劇了全球供水壓力。預計到2050年，全球?qū)⒂?0億以上人口每年至少有一個月面臨水資源短缺。在我國，人均水資源占有量僅為世界平均水平的28%，是全球十三個水資源最貧乏的國家之一，且水資源時空分布不均，北方地區(qū)缺水嚴重，南方部分地區(qū)季節(jié)性缺水問題突出。農(nóng)業(yè)作為用水大戶，在全球淡水資源利用中占比約70%。在我國，2018年農(nóng)業(yè)用水量占全國總用水量的61.8%，而農(nóng)業(yè)用水的90%為灌溉用水。傳統(tǒng)的灌溉方式，如漫灌，水資源利用效率極低，大部分水分在灌溉過程中因蒸發(fā)、滲漏等原因被浪費，造成水資源的極大消耗。據(jù)統(tǒng)計，我國目前灌溉水利用率約為43%，單方水糧食生產(chǎn)率只有1.0kg左右，與發(fā)達國家灌溉水利用率70%-80%、單方水糧食生產(chǎn)率2.0kg以上的水平相比，差距顯著。隨著人口增長、經(jīng)濟發(fā)展以及城市化進程的加速，水資源供需矛盾愈發(fā)尖銳，農(nóng)業(yè)干旱缺水與水資源短缺已成為我國經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要制約因素，且加劇了生態(tài)環(huán)境的惡化。因此，發(fā)展高效節(jié)水灌溉技術(shù)，提高水資源利用效率，成為解決農(nóng)業(yè)用水危機、保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵舉措。噴灌作為一種現(xiàn)代化的高效節(jié)水灌溉技術(shù)，具有節(jié)水、節(jié)能、節(jié)省勞力、抗風、適應性強、自動化程度高等特點。與傳統(tǒng)地面灌溉相比，噴灌能夠?qū)⑺约毿∷蔚男问骄鶆驀姙⒃谵r(nóng)田上，有效減少了水分的蒸發(fā)和滲漏損失，節(jié)水效果可達30%-50%。同時，噴灌還能根據(jù)作物的需水規(guī)律進行精準灌溉，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，減少病蟲害的發(fā)生。此外，噴灌系統(tǒng)的自動化程度較高，可大大降低人工勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率。在全球水資源日益緊張的背景下，噴灌技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域得到了廣泛的應用和推廣。WP-40Ⅱ型微噴灌機是一種新型的噴灌設(shè)備，它結(jié)合了先進的技術(shù)和設(shè)計理念，旨在實現(xiàn)更高效、更精準的灌溉作業(yè)。然而，在實際應用中，WP-40Ⅱ型微噴灌機的自動撥管換向控制方面仍存在一些問題，如換向成功率不穩(wěn)定、水管排列不整齊等，這些問題不僅影響了噴灌機的工作效率和性能，還可能導致設(shè)備故障和損壞，增加維修成本和運行風險。因此，深入研究WP-40Ⅱ型微噴灌機自動撥管換向控制方法，優(yōu)化其性能，具有重要的現(xiàn)實意義。通過對WP-40Ⅱ型微噴灌機自動撥管換向控制方法及性能的研究，可以有效解決當前存在的技術(shù)難題，提高噴灌機的換向成功率和穩(wěn)定性，確保水管在滾筒上順利而有序地進行整齊排列卷管，從而提高噴灌機的工作效率和可靠性，降低運行成本。這對于推廣和應用高效節(jié)水灌溉技術(shù)，促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，緩解水資源短缺壓力，具有重要的推動作用。同時，本研究成果也可為其他類型噴灌機的設(shè)計和改進提供參考和借鑒，具有一定的理論價值和實踐意義。1.2國內(nèi)外噴灌技術(shù)發(fā)展歷程1.2.1國外噴灌技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)噴灌技術(shù)的起源可以追溯到19世紀末，美國和俄國率先使用了固定式的自壓管道噴灌系統(tǒng)，開啟了噴灌技術(shù)發(fā)展的先河。這些早期的噴灌系統(tǒng)主要應用于草地、菜園、苗圃和果園等小型區(qū)域，為后續(xù)噴灌技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1913-1920年間，簡易的噴灌車應運而生，其機動性相較于固定式噴灌系統(tǒng)有所提升，能夠在一定范圍內(nèi)靈活移動進行灌溉作業(yè)，進一步拓展了噴灌技術(shù)的應用場景。1922年，蘇聯(lián)研制出自動旋轉(zhuǎn)噴頭和遠射程噴灌裝置，這一創(chuàng)新使得噴灌的覆蓋范圍和均勻度得到顯著提高，為大面積農(nóng)田灌溉提供了可能。到了30年代，蘇聯(lián)又制成了雙懸臂式噴灌機和塑料管道，噴灌設(shè)備的種類和性能不斷豐富和提升。進入40年代，噴灌技術(shù)迎來了重要的發(fā)展階段。搖臂式噴頭和快速接頭的出現(xiàn)，以及鋁合金管的應用，極大地改善了噴灌系統(tǒng)的性能和便捷性。同時，端拖式和滾移式噴灌機在美國得到應用，這些設(shè)備的出現(xiàn)使得噴灌作業(yè)更加高效，能夠適應不同地形和作物的灌溉需求。50年代，美國研制和生產(chǎn)了水力驅(qū)動型圓形噴灌機，這種噴灌機以其獨特的圓形灌溉方式，能夠?qū)崿F(xiàn)大面積農(nóng)田的自動化灌溉，大大提高了灌溉效率。60年代，電力驅(qū)動型圓形噴灌機的研制成功，標志著噴灌技術(shù)向自動化、智能化方向邁出了重要一步。與此同時，聚乙烯半軟管和鋼索絞盤式噴灌機也相繼出現(xiàn)，進一步豐富了噴灌設(shè)備的種類。60年代末，平移式噴灌機的問世，彌補了圓形噴灌機在矩形地塊灌溉上的不足，能夠更有效地利用土地資源，實現(xiàn)對矩形地塊的全面灌溉。70年代初，同步脈沖固定式噴灌系統(tǒng)的研制成功，使得噴灌系統(tǒng)的控制更加精準，能夠根據(jù)作物的需水情況進行精確灌溉。70年代末，美國已生產(chǎn)電力驅(qū)動的全自動化平移式噴灌機，并發(fā)展耗能少的低壓噴灌機，噴灌技術(shù)在節(jié)能和自動化方面取得了顯著進展。隨著科技的不斷進步，現(xiàn)代噴灌技術(shù)在精確噴灑控制和水量分布技術(shù)方面取得了重大突破，能夠?qū)崿F(xiàn)均勻、準確的噴灑，避免了水資源的浪費。同時，現(xiàn)代噴灌技術(shù)配備了先進的自動控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測土壤濕度、溫度、氣象等信息，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)自動調(diào)節(jié)灌溉量和灌溉時間，實現(xiàn)了自動化控制和監(jiān)測，大大減少了人工干預和勞動強度。此外，現(xiàn)代噴灌技術(shù)還具有廣泛的適用范圍，無論是平原、丘陵還是山區(qū)，無論是干旱地區(qū)還是濕潤地區(qū)，都能發(fā)揮其高效灌溉的優(yōu)勢。在經(jīng)濟效益方面，現(xiàn)代噴灌技術(shù)能夠提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，減少水資源的消耗和浪費，從而帶來顯著的經(jīng)濟效益。1.2.2我國噴灌技術(shù)發(fā)展及研究現(xiàn)狀我國噴灌技術(shù)的發(fā)展起步相對較晚，但在過去幾十年中取得了顯著的進步。從最早的引進仿制到自主研究創(chuàng)新，我國的噴灌技術(shù)經(jīng)歷了起步初始、快速發(fā)展、回落彷徨和穩(wěn)定發(fā)展等四個階段。20世紀50年代初，我國開始在一些大城市郊區(qū)的蔬菜地發(fā)展固定式噴灌系統(tǒng)，這是我國噴灌技術(shù)發(fā)展的萌芽階段。當時的噴灌設(shè)備主要依賴進口，技術(shù)水平相對較低，但這一嘗試為我國噴灌技術(shù)的發(fā)展積累了寶貴的經(jīng)驗。到了70年代，我國開始大力研制小型噴灌機（人工降雨機）和旋轉(zhuǎn)式噴頭，并于1978年完成了搖臂式噴頭和噴灌泵兩個系列產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)。這一時期，我國還先后研制成輕型、小型、中型和大型噴灌機，全射流噴頭和時針式（圓形）、平移式、絞盤式和滾移式噴灌機也相繼研制成功。同時，低壓噴頭和微型噴頭也開始出現(xiàn)，噴灌設(shè)備的種類逐漸豐富，技術(shù)水平不斷提高。這一階段，我國噴灌技術(shù)進入了快速發(fā)展期，噴灌面積迅速擴大。80年代到90年代，通過引進、消化、吸收國外先進技術(shù)和制造經(jīng)驗，我國建立了一批獨資、合資噴灌設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)。這些企業(yè)的建立，不僅提高了我國噴灌產(chǎn)品設(shè)備的水平，還培養(yǎng)了一批專業(yè)的技術(shù)人才和生產(chǎn)隊伍。在這一時期，我國在節(jié)水灌溉工程的規(guī)劃設(shè)計及施工安裝、開發(fā)研制節(jié)水灌溉設(shè)備新產(chǎn)品及新機具、開展節(jié)水灌溉科研項目攻關(guān)等諸方面均具有了一定的實力。噴灌技術(shù)在我國的應用范圍也進一步擴大，不僅應用于蔬菜、水果等經(jīng)濟作物的灌溉，還逐漸推廣到大田作物的灌溉中。進入21世紀，我國噴灌技術(shù)進入了穩(wěn)定發(fā)展階段。隨著國家對節(jié)水灌溉的重視程度不斷提高，以及相關(guān)政策的支持和資金的投入，我國噴灌技術(shù)得到了更廣泛的應用和推廣。同時，我國在噴灌技術(shù)的研究方面也取得了一系列成果，如智能化噴灌系統(tǒng)的研發(fā)、新型噴頭和管材的研制等。這些研究成果的應用，進一步提高了我國噴灌技術(shù)的水平和效率。目前，我國噴灌技術(shù)在不同地區(qū)和作物上都有廣泛的應用。在北方干旱半干旱地區(qū)，噴灌技術(shù)主要應用于小麥、玉米等大田作物的灌溉，以提高水資源利用效率，緩解水資源短缺問題。在南方地區(qū)，噴灌技術(shù)則多用于蔬菜、水果、茶葉等經(jīng)濟作物的灌溉，以提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。此外，在一些經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，噴灌技術(shù)還應用于園林草坪和高爾夫球場等的灌溉。然而，我國噴灌技術(shù)在發(fā)展過程中仍面臨一些問題。一方面，噴灌設(shè)備的質(zhì)量和性能有待進一步提高，部分設(shè)備存在可靠性差、使用壽命短等問題。另一方面，噴灌技術(shù)的應用成本相對較高，包括設(shè)備投資、運行維護費用等，這在一定程度上限制了噴灌技術(shù)的推廣和應用。此外，噴灌技術(shù)的管理和服務體系還不夠完善，缺乏專業(yè)的技術(shù)人員和管理人員，影響了噴灌系統(tǒng)的正常運行和效益發(fā)揮。針對這些問題，我國相關(guān)部門和科研機構(gòu)正在加大研究和投入力度，致力于提高噴灌設(shè)備的質(zhì)量和性能，降低應用成本，完善管理和服務體系。未來，隨著科技的不斷進步和創(chuàng)新，我國噴灌技術(shù)有望取得更大的突破和發(fā)展，為我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供更加有力的支撐。1.3WP-40Ⅰ型雙旋轉(zhuǎn)臂直行自走式微噴灌機的誕生在全球水資源日益緊張的大背景下，我國作為農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)用水占比高，節(jié)水灌溉需求迫切。特別是在農(nóng)牧區(qū)，干旱少雨的氣候條件以及廣袤的土地資源，對高效節(jié)水灌溉設(shè)備提出了更高的要求。針對這一現(xiàn)狀，內(nèi)蒙古包頭市興龍水利科學技術(shù)研究所和內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學機電工程學院聯(lián)合開展研究，致力于研發(fā)一款適合農(nóng)牧區(qū)特點的新型噴灌機。研發(fā)團隊深入農(nóng)牧區(qū)進行實地調(diào)研，詳細了解當?shù)氐牡匦蔚孛?、氣候條件、作物種植種類和灌溉需求等情況。他們發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的噴灌機在能耗、抗風性能、整機質(zhì)量以及灌溉用水量等方面存在諸多問題，難以滿足農(nóng)牧區(qū)的實際需求。例如，一些大型噴灌機能耗高，運行成本昂貴，對于經(jīng)濟相對落后的農(nóng)牧區(qū)來說難以承受；部分噴灌機抗風性能差，在多風的農(nóng)牧區(qū)無法穩(wěn)定工作，影響灌溉效果?；谶@些問題，研發(fā)團隊結(jié)合我國目前噴灌設(shè)備的研究和發(fā)展狀況，在“機械化微噴灌設(shè)備研制與開發(fā)”項目中，經(jīng)過不懈努力，成功研制出了WP-40Ⅰ型雙旋轉(zhuǎn)臂直行自走式微噴灌機。這款噴灌機集成了現(xiàn)有各種噴灌機的主要優(yōu)點，在關(guān)鍵部件和整體結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了較大的技術(shù)創(chuàng)新與突破。從結(jié)構(gòu)設(shè)計來看，WP-40Ⅰ型雙旋轉(zhuǎn)臂直行自走式微噴灌機主要由旋轉(zhuǎn)臂架、主桁架、絞盤、發(fā)動機、行走車、交流發(fā)電機、無級變速機、撥管機構(gòu)、壓管器等組成。獨特的雙旋轉(zhuǎn)臂設(shè)計，使得噴灌機的覆蓋范圍更廣，能夠更均勻地對農(nóng)田進行灌溉。主桁架為整個設(shè)備提供了穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)，確保在復雜的地形條件下也能正常工作。絞盤用于收放輸水管，發(fā)動機為設(shè)備提供動力，行走車實現(xiàn)噴灌機的移動，交流發(fā)電機為設(shè)備的電氣系統(tǒng)供電。無級變速機可以根據(jù)不同的灌溉需求調(diào)整噴灌機的行走速度和旋轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)速度，提高了設(shè)備的適應性。撥管機構(gòu)和壓管器則是保證輸水管在收放過程中能夠整齊排列的關(guān)鍵部件，它們的設(shè)計直接影響到噴灌機的工作效率和穩(wěn)定性。在性能方面，WP-40Ⅰ型雙旋轉(zhuǎn)臂直行自走式微噴灌機表現(xiàn)出色。通過性能試驗表明，該機具有顯著的節(jié)水、節(jié)能效果。與傳統(tǒng)噴灌機相比，其用水量可減少30%-50%，能耗降低20%-30%。這主要得益于其精準的噴灌控制系統(tǒng)和高效的噴頭設(shè)計，能夠根據(jù)作物的需水情況進行精確灌溉，避免了水資源的浪費。同時，該噴灌機還具有節(jié)省勞力、抗風、適應性強、自動化程度高等特點。自動化的控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控和操作，大大降低了人工勞動強度。先進的抗風設(shè)計，使得噴灌機在6-7級風的情況下仍能正常工作，適應了農(nóng)牧區(qū)多風的氣候條件。無論是平原、丘陵還是山區(qū)等不同地形，該噴灌機都能靈活作業(yè)，為農(nóng)牧區(qū)的灌溉提供了有力的支持。WP-40Ⅰ型雙旋轉(zhuǎn)臂直行自走式微噴灌機的誕生，初步解決了草原禁牧后牧區(qū)草庫侖建設(shè)的節(jié)水灌溉及我國西部干旱地區(qū)和半干旱地區(qū)的農(nóng)田節(jié)水抗旱、擴大水澆地面積等系列問題。它為既節(jié)水又節(jié)能的灌溉技術(shù)找到了一條新的途徑，對促進農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)性發(fā)展和干旱、半干旱地區(qū)經(jīng)濟建設(shè)具有重要意義。然而，在實際應用過程中，WP-40Ⅰ型微噴灌機的滾筒（卷盤）撥管系統(tǒng)中的換向器在實現(xiàn)自動換向時仍存在一些問題，如換向成功率不穩(wěn)定、水管排列不整齊等，這些問題限制了噴灌機性能的進一步提升，也為后續(xù)的研究和改進提出了新的挑戰(zhàn)。1.4研究基礎(chǔ)與主要內(nèi)容在前期研究中，WP-40Ⅰ型雙旋轉(zhuǎn)臂直行自走式微噴灌機已成功研制并投入實際應用。通過對該機型的性能試驗和實際使用情況的監(jiān)測，積累了豐富的數(shù)據(jù)和實踐經(jīng)驗。這些數(shù)據(jù)涵蓋了噴灌機的運行參數(shù)，如噴灌流量、壓力、射程等，以及在不同工況下的工作穩(wěn)定性和可靠性等方面的信息。例如，通過對噴灌流量的監(jiān)測，了解到在不同地形和作物需水情況下，噴灌機的實際噴灌量與設(shè)計值的偏差情況；通過對壓力的監(jiān)測，掌握了噴灌系統(tǒng)在運行過程中的壓力變化規(guī)律，為后續(xù)的改進提供了數(shù)據(jù)支持。在WP-40Ⅰ型微噴灌機的研發(fā)過程中，對其結(jié)構(gòu)設(shè)計、工作原理以及關(guān)鍵部件的性能進行了深入研究。對旋轉(zhuǎn)臂架的力學性能進行了分析，確保其在噴灌過程中能夠穩(wěn)定地支撐噴頭并實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動；對絞盤的收放性能進行了測試，優(yōu)化了其收放速度和力量控制，以保證輸水管的順利收放。這些前期研究成果為WP-40Ⅱ型微噴灌機的研發(fā)奠定了堅實的基礎(chǔ)。本研究將圍繞WP-40Ⅱ型微噴灌機自動撥管換向控制方法及性能展開，主要內(nèi)容包括以下幾個方面：自動撥管換向控制方法研究：對WP-40Ⅱ型微噴灌機自動撥管換向控制方法進行深入研究，分析現(xiàn)有控制方法存在的問題。對比不同的電氣控制方案，如傳統(tǒng)繼電器控制、PLC控制等，從控制精度、可靠性、抗干擾能力等方面進行綜合評估。考慮到微噴灌機的工作環(huán)境復雜，野外環(huán)境中存在電磁干擾、溫度變化等因素，通過實際測試和模擬分析，確定最適合的控制方案。研究如何利用傳感器技術(shù)實現(xiàn)對撥管換向過程的精確監(jiān)測和反饋控制，如通過位置傳感器實時監(jiān)測撥管器的位置，通過壓力傳感器監(jiān)測水管的受力情況，從而實現(xiàn)對撥管換向的精準控制。性能研究：對WP-40Ⅱ型微噴灌機的性能進行全面研究，包括換向成功率、水管排列整齊度、工作效率等方面。通過現(xiàn)場試驗和模擬分析，深入研究不同因素對噴灌機性能的影響，如撥管速度、換向時間、水管材質(zhì)等。建立噴灌機性能評估模型，通過對模型的分析和優(yōu)化，提出提高噴灌機性能的具體措施。例如，通過優(yōu)化撥管速度和換向時間的匹配關(guān)系，提高換向成功率；通過改進水管材質(zhì)和表面處理工藝，減少水管與撥管器之間的摩擦力，提高水管排列整齊度。現(xiàn)場試驗與驗證：在實際農(nóng)田環(huán)境中進行WP-40Ⅱ型微噴灌機的現(xiàn)場試驗，對研究提出的自動撥管換向控制方法和性能改進措施進行驗證。記錄噴灌機在不同工況下的運行數(shù)據(jù)，如噴灌面積、噴灌時間、用水量等，對試驗結(jié)果進行詳細分析和評估。根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果，對控制方法和性能改進措施進行進一步優(yōu)化和完善，確保噴灌機能夠穩(wěn)定、高效地運行。經(jīng)濟與社會效益分析：對WP-40Ⅱ型微噴灌機的應用進行經(jīng)濟與社會效益分析，評估其在節(jié)水、節(jié)能、提高作物產(chǎn)量等方面的經(jīng)濟效益。計算噴灌機的投資成本、運行成本以及節(jié)水節(jié)能帶來的收益，分析其投資回報率和成本回收期。分析噴灌機的應用對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變、生態(tài)環(huán)境保護等方面的社會效益，為其推廣應用提供有力的支持。二、撥管換向器工作原理及關(guān)鍵技術(shù)2.1滾筒自動撥管換向過程WP-40Ⅱ型微噴灌機的滾筒自動撥管換向過程是一個較為復雜且精密的機械運動過程，涉及多個部件的協(xié)同工作。當噴灌機開始工作時，輸水管隨著滾筒的旋轉(zhuǎn)逐漸被放出或收回。在這個過程中，撥管器起著關(guān)鍵作用，它負責將輸水管準確地引導到滾筒上的特定位置，確保水管排列整齊。換向的觸發(fā)通常由安裝在滾筒或相關(guān)部件上的傳感器來實現(xiàn)。這些傳感器能夠?qū)崟r監(jiān)測滾筒的旋轉(zhuǎn)角度、輸水管的收放長度等參數(shù)。當傳感器檢測到預設(shè)的換向條件滿足時，比如滾筒旋轉(zhuǎn)了一定的圈數(shù)或者輸水管放出/收回了一定的長度，就會向控制系統(tǒng)發(fā)送信號，觸發(fā)換向動作。一旦換向信號被觸發(fā)，控制系統(tǒng)會立即啟動撥管換向裝置。撥管換向裝置主要由電磁鐵、連桿機構(gòu)和撥管器等組成。電磁鐵在接收到控制系統(tǒng)的信號后，會產(chǎn)生電磁力，驅(qū)動連桿機構(gòu)運動。連桿機構(gòu)則將電磁鐵的直線運動轉(zhuǎn)化為撥管器的旋轉(zhuǎn)或擺動運動，從而實現(xiàn)撥管器的換向。在換向過程中，撥管器會按照預定的軌跡運動，從當前的撥管位置移動到相反方向的撥管位置。在這個過程中，撥管器需要克服水管與滾筒之間的摩擦力以及水管自身的重力等阻力。為了確保撥管器能夠順利換向，其結(jié)構(gòu)設(shè)計和運動參數(shù)都經(jīng)過了精心優(yōu)化。例如，撥管器的撥管爪采用了特殊的形狀和材質(zhì)，以增加與水管的摩擦力，同時減少對水管的損傷；撥管器的運動速度和加速度也經(jīng)過了精確計算，以保證在最短的時間內(nèi)完成換向動作，同時避免因速度過快而導致水管晃動或脫落。當撥管器完成換向動作后，會進入新的撥管位置，繼續(xù)對輸水管進行引導。此時，水管在撥管器的作用下，開始沿著滾筒的相反方向進行排列。在整個換向過程中，水管在滾筒上的運動軌跡呈現(xiàn)出一種對稱的變化。在換向之前，水管沿著滾筒的一個方向逐漸纏繞或展開，而在換向之后，水管則沿著相反的方向進行同樣的運動，從而實現(xiàn)了噴灌機在不同方向上的連續(xù)噴灌作業(yè)。為了更好地理解滾筒自動撥管換向過程，以一個實際的工作場景為例進行說明。假設(shè)噴灌機正在對一塊矩形農(nóng)田進行噴灌作業(yè)，初始狀態(tài)下，噴灌機從農(nóng)田的一端開始，沿著農(nóng)田的長邊方向進行噴灌，此時滾筒上的輸水管按照順時針方向逐漸放出。當噴灌機移動到農(nóng)田的另一端時，傳感器檢測到換向條件滿足，觸發(fā)換向動作。撥管換向裝置啟動，撥管器迅速從順時針方向的撥管位置轉(zhuǎn)換到逆時針方向的撥管位置。然后，噴灌機開始沿著農(nóng)田的長邊反方向進行噴灌，輸水管在撥管器的引導下，按照逆時針方向逐漸收回，完成一次完整的滾筒自動撥管換向過程。2.2撥管換向裝置及定義WP-40Ⅱ型微噴灌機的撥管換向裝置主要由電磁鐵、連桿機構(gòu)、撥管器、限制導軌以及相關(guān)的傳感器和控制電路等組成。電磁鐵作為驅(qū)動源，在接收到控制信號后，能夠產(chǎn)生強大的電磁力。連桿機構(gòu)則起到了連接和傳動的作用，它將電磁鐵的直線運動巧妙地轉(zhuǎn)化為撥管器的旋轉(zhuǎn)或擺動運動，從而實現(xiàn)撥管器在不同位置之間的切換。撥管器是直接作用于輸水管的關(guān)鍵部件，其設(shè)計形狀和尺寸經(jīng)過精心優(yōu)化，以確保能夠可靠地抓取和引導輸水管。限制導軌則為撥管器的運動提供了精確的導向和限位，保證撥管器在規(guī)定的軌跡上運動，避免出現(xiàn)偏差和晃動。撥管換向，是指在微噴灌機的工作過程中，當需要改變輸水管在滾筒上的纏繞方向時，通過撥管換向裝置的動作，使撥管器從當前的撥管位置轉(zhuǎn)換到相反方向的撥管位置，從而實現(xiàn)輸水管在滾筒上的反向排列。這一過程的實現(xiàn)，需要滿足多個條件。控制系統(tǒng)必須能夠準確地檢測到換向的觸發(fā)條件。這些觸發(fā)條件通常與噴灌機的工作狀態(tài)和位置有關(guān)，比如噴灌機完成了一次往返運動，或者輸水管放出/收回的長度達到了預設(shè)的閾值等。傳感器的精度和可靠性直接影響到換向觸發(fā)的準確性，因此需要選用高精度、高可靠性的傳感器，并對其進行合理的安裝和校準。撥管換向裝置的動作必須迅速、準確。在接收到換向信號后，電磁鐵應立即產(chǎn)生足夠的電磁力，驅(qū)動連桿機構(gòu)快速動作，使撥管器在最短的時間內(nèi)完成換向動作。同時，撥管器的運動軌跡和位置精度也至關(guān)重要，需要通過優(yōu)化連桿機構(gòu)的設(shè)計和調(diào)整相關(guān)參數(shù)，確保撥管器能夠準確地到達目標位置。輸水管與撥管器之間的摩擦力和附著力也需要進行合理的控制。如果摩擦力過大，會導致?lián)芄芷麟y以推動輸水管，甚至可能損壞輸水管；如果摩擦力過小，輸水管則可能在撥管器上打滑，無法實現(xiàn)準確的換向。因此，需要根據(jù)輸水管的材質(zhì)和表面特性，選擇合適的撥管器材料和表面處理工藝，以確保兩者之間具有良好的摩擦力和附著力。此外，還可以通過調(diào)整撥管器的壓力和運動速度等參數(shù)，進一步優(yōu)化輸水管與撥管器之間的相互作用。2.3滾筒自動撥管換向目的滾筒自動撥管換向的首要目的是提高灌溉均勻性。在農(nóng)田灌溉中，確保每一處土地都能得到均勻的水分供應至關(guān)重要。由于農(nóng)田的形狀往往不規(guī)則，且作物的需水情況在不同區(qū)域可能存在差異，傳統(tǒng)的單一方向噴灌方式難以滿足全面且均勻的灌溉需求。通過滾筒自動撥管換向，噴灌機能夠在不同方向上進行噴灌作業(yè)，從而覆蓋更廣泛的區(qū)域，減少灌溉死角，使水分能夠均勻地分布在農(nóng)田的各個角落。這有助于提高作物的生長一致性，減少因灌溉不均導致的作物生長差異，從而提高農(nóng)作物的整體產(chǎn)量和質(zhì)量。滾筒自動撥管換向還能增加灌溉效率。在大面積農(nóng)田灌溉中，提高灌溉效率可以顯著節(jié)省時間和資源。自動撥管換向使得噴灌機能夠快速、自動地切換噴灌方向，無需人工手動干預調(diào)整噴灌設(shè)備的位置和方向。這大大縮短了噴灌作業(yè)的時間，提高了單位時間內(nèi)的灌溉面積。以一塊100畝的農(nóng)田為例，采用傳統(tǒng)噴灌方式，每次切換噴灌方向都需要人工移動噴灌設(shè)備，完成一次灌溉可能需要5天時間；而采用具有自動撥管換向功能的WP-40Ⅱ型微噴灌機，通過自動切換噴灌方向，能夠?qū)⒐喔葧r間縮短至3天，大大提高了灌溉效率，使得水資源能夠更及時地滿足作物的生長需求。減少人工干預也是滾筒自動撥管換向的重要目的之一。在傳統(tǒng)的噴灌作業(yè)中，人工手動調(diào)整噴灌設(shè)備的方向和位置不僅勞動強度大，而且容易出現(xiàn)操作失誤，影響灌溉效果。而滾筒自動撥管換向系統(tǒng)能夠根據(jù)預設(shè)的程序和傳感器反饋的信息，自動準確地完成撥管換向動作，減少了對人工操作的依賴。這不僅降低了農(nóng)民的勞動強度，還減少了因人工操作不當而導致的灌溉問題，提高了噴灌作業(yè)的可靠性和穩(wěn)定性。同時，減少人工干預也有助于降低人力成本，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。滾筒自動撥管換向?qū)τ谘娱L設(shè)備使用壽命也具有積極意義。在噴灌過程中，如果水管排列不整齊或者頻繁受到不合理的外力作用，容易導致水管磨損、破裂，影響設(shè)備的正常運行。通過自動撥管換向，能夠使水管在滾筒上整齊排列，減少水管之間的摩擦和碰撞，降低水管的磨損程度。合理的撥管換向控制可以使設(shè)備的運行更加平穩(wěn)，減少機械部件的疲勞和損壞，從而延長噴灌機的整體使用壽命，降低設(shè)備的維修和更換成本。2.4撥管換向器工作原理撥管換向器的工作原理涉及電氣控制與機械結(jié)構(gòu)的協(xié)同運作，是一個精密且復雜的過程。在電氣控制方面，WP-40Ⅱ型微噴灌機采用可編程控制器（PLC）作為核心控制單元。PLC通過接收各種傳感器傳來的信號，對整個撥管換向過程進行精確控制。這些傳感器包括安裝在滾筒上的接近開關(guān)，用于檢測滾筒的旋轉(zhuǎn)角度和位置；安裝在輸水管上的壓力傳感器，用于監(jiān)測水管的受力情況，以判斷水管是否正常工作；以及安裝在噴灌機行進部件上的行程開關(guān)，用于確定噴灌機的行進位置。當噴灌機工作時，PLC實時采集這些傳感器的數(shù)據(jù)，并根據(jù)預設(shè)的程序和邏輯進行分析處理。例如，當接近開關(guān)檢測到滾筒旋轉(zhuǎn)到特定角度，即達到預設(shè)的換向位置時，會向PLC發(fā)送信號。PLC接收到該信號后，經(jīng)過內(nèi)部的邏輯運算，判斷是否滿足換向條件。如果滿足條件，PLC會立即發(fā)出控制指令，控制電磁鐵的通電與斷電。在機械結(jié)構(gòu)方面，電磁鐵是撥管換向器的關(guān)鍵執(zhí)行部件之一。當電磁鐵接收到PLC發(fā)出的通電指令時，會產(chǎn)生強大的電磁力，吸引銜鐵動作。銜鐵的運動通過連桿機構(gòu)傳遞給撥管器，使撥管器繞著特定的軸進行旋轉(zhuǎn)或擺動。連桿機構(gòu)的設(shè)計采用了四桿機構(gòu)的原理，通過合理調(diào)整各桿件的長度和連接方式，能夠?qū)㈦姶盆F的直線運動精確地轉(zhuǎn)化為撥管器所需的旋轉(zhuǎn)或擺動運動。撥管器的結(jié)構(gòu)設(shè)計也經(jīng)過了精心優(yōu)化。它通常由撥管爪、撥管臂和連接軸等部分組成。撥管爪采用了特殊的材料和形狀設(shè)計，以增加與輸水管的摩擦力，確保能夠可靠地抓取和引導水管。撥管臂則起到了連接撥管爪和連桿機構(gòu)的作用，它需要具備足夠的強度和剛度，以承受在撥管過程中產(chǎn)生的各種力。在換向過程中，撥管器在電磁鐵和連桿機構(gòu)的驅(qū)動下，從當前的撥管位置快速移動到相反方向的撥管位置。在這個過程中，撥管器需要克服水管與滾筒之間的摩擦力、水管自身的重力以及慣性力等阻力。為了確保撥管器能夠順利換向，除了優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計外，還需要合理調(diào)整電磁鐵的輸出力、連桿機構(gòu)的傳動比以及撥管器的運動速度和加速度等參數(shù)。以一個實際的工作場景為例，當噴灌機沿著農(nóng)田的一側(cè)進行噴灌作業(yè)時，輸水管隨著滾筒的旋轉(zhuǎn)逐漸放出。當噴灌機到達農(nóng)田的另一端時，安裝在滾筒上的接近開關(guān)檢測到滾筒旋轉(zhuǎn)了預設(shè)的圈數(shù)，達到了換向位置，于是向PLC發(fā)送信號。PLC接收到信號后，判斷滿足換向條件，立即發(fā)出控制指令，使電磁鐵通電。電磁鐵產(chǎn)生電磁力，吸引銜鐵動作，通過連桿機構(gòu)帶動撥管器旋轉(zhuǎn)180度，完成換向動作。然后，噴灌機開始沿著農(nóng)田的另一側(cè)進行噴灌作業(yè)，輸水管在撥管器的引導下，逐漸收回，實現(xiàn)了自動撥管換向的全過程。2.5關(guān)鍵技術(shù)在WP-40Ⅱ型微噴灌機自動撥管換向控制中，傳感器精度是至關(guān)重要的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳感器作為系統(tǒng)獲取實時信息的關(guān)鍵部件，其精度直接決定了控制系統(tǒng)對噴灌機工作狀態(tài)的感知準確性。在WP-40Ⅱ型微噴灌機中，多種傳感器協(xié)同工作，包括用于檢測滾筒旋轉(zhuǎn)角度和位置的接近開關(guān)，監(jiān)測輸水管受力情況的壓力傳感器，以及確定噴灌機行進位置的行程開關(guān)等。以接近開關(guān)為例，其精度決定了對滾筒旋轉(zhuǎn)角度的測量準確性。如果接近開關(guān)的精度不足，可能導致檢測到的滾筒旋轉(zhuǎn)角度與實際角度存在偏差，從而使控制系統(tǒng)在錯誤的時機觸發(fā)撥管換向動作。這不僅會影響水管在滾筒上的排列整齊度，還可能導致水管纏繞混亂，甚至損壞水管和相關(guān)設(shè)備。壓力傳感器的精度同樣重要，它能夠?qū)崟r監(jiān)測輸水管的受力情況，當水管受到過大的拉力或壓力時，及時向控制系統(tǒng)發(fā)送信號，以便采取相應的保護措施。若壓力傳感器精度不夠，可能無法準確檢測到水管的異常受力，從而增加水管破裂或損壞的風險。為了提高傳感器精度，需要選用高精度的傳感器產(chǎn)品，并對傳感器進行定期校準和維護。在安裝傳感器時，要確保其安裝位置準確，避免受到外界干擾。例如，將接近開關(guān)安裝在滾筒的穩(wěn)定部位，避免因滾筒的振動或晃動而影響其檢測精度；將壓力傳感器安裝在輸水管的合適位置，保證能夠準確測量水管的受力情況?？刂扑惴▋?yōu)化也是提升WP-40Ⅱ型微噴灌機性能的關(guān)鍵技術(shù)。控制算法作為控制系統(tǒng)的核心，負責根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)進行分析和決策，控制撥管換向裝置的動作。優(yōu)化控制算法可以提高系統(tǒng)的響應速度、穩(wěn)定性和控制精度。傳統(tǒng)的控制算法可能存在響應速度慢、控制精度低等問題，難以滿足WP-40Ⅱ型微噴灌機對高效、精準灌溉的要求。為了優(yōu)化控制算法，可以采用先進的智能控制算法，如模糊控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法等。模糊控制算法能夠根據(jù)模糊規(guī)則對復雜的非線性系統(tǒng)進行控制，具有較強的魯棒性和適應性。在WP-40Ⅱ型微噴灌機中，通過建立模糊控制規(guī)則，將傳感器采集的滾筒旋轉(zhuǎn)角度、輸水管受力情況等信息進行模糊化處理，然后根據(jù)模糊規(guī)則進行推理和決策，控制撥管換向裝置的動作。這樣可以使系統(tǒng)在不同的工作條件下都能快速、準確地實現(xiàn)撥管換向，提高換向成功率和穩(wěn)定性。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法則具有自學習、自適應的能力，能夠通過對大量數(shù)據(jù)的學習，不斷優(yōu)化自身的控制策略。通過訓練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使其能夠準確地識別噴灌機的工作狀態(tài)，并根據(jù)不同的狀態(tài)自動調(diào)整控制參數(shù)，實現(xiàn)更加精準的撥管換向控制。在優(yōu)化控制算法的過程中，還需要考慮算法的實時性和計算復雜度。確?？刂扑惴軌蛟诙虝r間內(nèi)完成計算和決策，同時不會對控制系統(tǒng)的硬件資源造成過大的負擔。機械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是保證WP-40Ⅱ型微噴灌機正常運行的基礎(chǔ)。撥管換向裝置的機械結(jié)構(gòu)需要承受較大的作用力，包括電磁鐵產(chǎn)生的電磁力、水管與撥管器之間的摩擦力以及設(shè)備運行過程中的振動和沖擊等。如果機械結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，可能導致?lián)芄芷鬟\動不順暢、換向不準確，甚至出現(xiàn)機械部件損壞的情況。以連桿機構(gòu)為例，其連接部位的穩(wěn)定性直接影響到撥管器的運動精度。如果連桿機構(gòu)的連接松動，在運動過程中可能會產(chǎn)生晃動，導致?lián)芄芷鳠o法準確地到達目標位置，從而影響水管的排列整齊度。撥管器的結(jié)構(gòu)強度也至關(guān)重要，它需要具備足夠的強度和剛度，以承受在撥管過程中產(chǎn)生的各種力。若撥管器的材料選擇不當或結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，可能在受力較大時發(fā)生變形或損壞，影響噴灌機的正常工作。為了提高機械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，需要對撥管換向裝置的機械結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。合理選擇材料，確保機械部件具有足夠的強度和剛度。對機械結(jié)構(gòu)進行動力學分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，減少運動過程中的振動和沖擊。加強機械部件的連接和固定，采用可靠的連接方式，如螺栓連接、焊接等，確保連接部位的穩(wěn)定性。定期對機械結(jié)構(gòu)進行檢查和維護，及時發(fā)現(xiàn)并解決潛在的問題，保證設(shè)備的正常運行。2.6換向失敗后果若WP-40Ⅱ型微噴灌機的自動撥管換向過程中出現(xiàn)換向失敗，將對灌溉效果產(chǎn)生嚴重的負面影響。在農(nóng)田灌溉中，均勻的水分分布是保證作物正常生長的關(guān)鍵因素之一。當換向失敗時，噴灌機可能無法按照預定的路徑進行噴灌，導致部分農(nóng)田灌溉不足，而部分農(nóng)田灌溉過量。以一塊種植小麥的農(nóng)田為例，若在噴灌過程中換向失敗，可能會使得農(nóng)田的一側(cè)水分充足，小麥生長良好；而另一側(cè)則因灌溉不足，小麥出現(xiàn)干旱缺水的癥狀，葉片發(fā)黃、生長緩慢，嚴重影響小麥的產(chǎn)量和質(zhì)量。長期的灌溉不均還可能導致土壤水分分布失衡，進而影響土壤的理化性質(zhì)，如土壤的透氣性、肥力等，進一步破壞農(nóng)田的生態(tài)環(huán)境。設(shè)備壽命也會受到影響。換向失敗往往伴隨著撥管器與水管之間的異常作用力。當撥管器無法正常換向時，可能會對水管施加過大的拉力或扭曲力，導致水管磨損加劇。頻繁的異常受力還可能使水管出現(xiàn)破裂、變形等損壞情況，縮短水管的使用壽命。水管的頻繁更換不僅增加了設(shè)備的維護成本，還可能影響噴灌機的正常運行。換向失敗對撥管換向裝置的其他機械部件也會造成損害。例如，電磁鐵在頻繁的換向失敗過程中，可能會因過載而發(fā)熱，降低其工作性能，甚至損壞。連桿機構(gòu)也可能因承受過大的沖擊力而導致連接部位松動、變形，影響整個撥管換向裝置的穩(wěn)定性和可靠性。長期的換向失敗還可能導致設(shè)備的其他部件，如滾筒、行走機構(gòu)等，因受力不均而出現(xiàn)磨損、故障，從而縮短設(shè)備的整體使用壽命。水資源浪費也是換向失敗帶來的重要問題。在噴灌過程中，換向失敗可能導致噴灌機無法及時調(diào)整噴灌方向，使得噴灌區(qū)域出現(xiàn)重復灌溉或灌溉不足的情況。重復灌溉會使水分在土壤中積聚，超過作物的吸收能力，從而造成水資源的浪費。這不僅違背了節(jié)水灌溉的初衷，還增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。灌溉不足則會導致作物生長所需的水分無法得到滿足，影響作物的生長發(fā)育，降低作物產(chǎn)量，間接造成了水資源利用的低效。在水資源日益短缺的今天，這種因換向失敗導致的水資源浪費問題顯得尤為突出，嚴重制約了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。三、WP-40Ⅱ型微噴灌機實現(xiàn)自動換向控制電路的設(shè)計與實現(xiàn)3.1PLC控制方案的總體設(shè)計3.1.1PLC控制技術(shù)的產(chǎn)生、發(fā)展和現(xiàn)狀可編程邏輯控制器（PLC）的誕生，源于20世紀60年代末美國制造業(yè)對于工業(yè)控制設(shè)備靈活性和通用性的迫切需求。當時，通用汽車公司為了應對汽車生產(chǎn)線頻繁的工藝變更，提出了一種能夠通過軟件編程實現(xiàn)控制邏輯改變的新型控制器設(shè)想。在這一背景下，1969年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制出世界上第一臺可編程邏輯控制器PDP-14，它采用了與計算機類似的存儲程序控制方式，通過編程來實現(xiàn)各種邏輯控制功能，成功解決了傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)靈活性差、維護困難的問題。這一創(chuàng)新產(chǎn)品的出現(xiàn)，標志著工業(yè)控制領(lǐng)域進入了一個全新的時代。20世紀70年代，隨著微處理器技術(shù)的飛速發(fā)展，PLC開始引入微處理器作為核心部件，使其運算速度、控制功能和可靠性得到了顯著提升。這一時期的PLC不僅能夠?qū)崿F(xiàn)基本的邏輯控制，還具備了一定的數(shù)據(jù)處理和通信能力，應用范圍也逐漸從汽車制造業(yè)擴展到其他工業(yè)領(lǐng)域。到了80年代，微電子技術(shù)和微處理器技術(shù)的進一步發(fā)展，以及個人計算機（PC）的廣泛應用，推動PLC技術(shù)走向成熟。PLC的功能不斷豐富，除了邏輯控制和數(shù)據(jù)處理外，還增加了模擬量控制、PID控制等功能，能夠更好地滿足復雜工業(yè)生產(chǎn)過程的控制需求。同時，PLC的體積不斷減小，成本降低，可靠性進一步提高，使得其在工業(yè)自動化領(lǐng)域得到了更廣泛的應用。90年代，隨著PLC國際標準IEC61131的正式頒布，PLC技術(shù)進入了一個新的發(fā)展階段。該標準對PLC的編程語言、硬件結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議等方面進行了規(guī)范，使得不同廠家的PLC產(chǎn)品之間具有了更好的兼容性和互換性。在這一時期，PLC在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上從傳統(tǒng)的單機控制向多處理器、分布式和遠程控制方向發(fā)展；在編程語言方面，除了傳統(tǒng)的梯形圖語言外，還增加了指令表、功能塊圖、結(jié)構(gòu)化文本等多種編程語言，滿足了不同用戶的編程需求。除了在自動化生產(chǎn)線中的應用外，PLC還被廣泛應用于分布式控制系統(tǒng)（DCS）、監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）、靈活多變制造系統(tǒng)（FMS）、安全聯(lián)鎖保護（ESD）系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)等領(lǐng)域，成為工業(yè)自動化的核心設(shè)備之一。自20世紀90年代末以來，信息技術(shù)的迅猛發(fā)展和用戶對開放性的強烈需求，促使PLC向網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展。PLC開始采用開放式通信接口，支持多種現(xiàn)場總線協(xié)議，能夠方便地與其他設(shè)備進行通信和數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)過程的信息化管理和遠程監(jiān)控。同時，PLC的智能化水平不斷提高，具備了自診斷、自修復、自適應控制等功能，能夠更好地適應復雜多變的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。如今，PLC技術(shù)已經(jīng)非常成熟，不僅控制功能強大，功耗和體積進一步減小，成本持續(xù)下降，可靠性和穩(wěn)定性得到了極大提高，編程和故障檢測也更加靈活方便。隨著遠程I/O、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理以及圖象顯示等技術(shù)的不斷發(fā)展，PLC在工業(yè)自動化領(lǐng)域的應用范圍不斷擴大，成為實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的重要支柱。在制造業(yè)中，PLC被廣泛應用于汽車、電子、機械、化工等行業(yè)的生產(chǎn)線控制；在電力行業(yè)，用于變電站自動化、電網(wǎng)調(diào)度自動化等方面；在交通運輸領(lǐng)域，應用于軌道交通的信號控制、電梯控制等。PLC的應用幾乎涵蓋了工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，為提高生產(chǎn)效率、降低成本、保障生產(chǎn)安全發(fā)揮了重要作用。在國內(nèi)，PLC的研究和應用始于20世紀70年代。1974年，我國首次仿制了美國生產(chǎn)的第二代PLC；1977年，采用美國摩托羅拉公司的mc14500集成芯片，成功開發(fā)出第一臺具有實用價值的PLC。1979年，從美國引進MODICON584的PLC并在電站輔助設(shè)備中成功應用。此后，以北京機械工業(yè)自動化研究所、上海工業(yè)自動化儀表研究所等為代表的科研單位和工廠開始了PLC的研發(fā)生產(chǎn)，推出了一系列具有代表性的PLC產(chǎn)品。20世紀90年代，我國開始制定PLC行業(yè)標準，中國工業(yè)過程測量和控制標準化技術(shù)委員會——可編程序控制器及系統(tǒng)分技術(shù)委員會SAC/TC124/SC5于1993年成立，制定了GB/T15969可編程序控制器系列國家標準，為我國PLC行業(yè)的發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。2001年至今，隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)、自動控制技術(shù)等高新技術(shù)的不斷進步，以及PLC行業(yè)下游應用領(lǐng)域的多樣化發(fā)展，PLC在我國的應用范圍不斷擴大，從最初局限于大規(guī)模設(shè)備系統(tǒng)的應用，逐步發(fā)展為適用于大、中、小型設(shè)備系統(tǒng)。雖然目前我國PLC市場份額仍主要被西門子、三菱、歐姆龍、羅克韋爾等外資巨頭占據(jù)，但國內(nèi)廠商也在不斷努力，加大研發(fā)投入，提高技術(shù)水平，部分本土品牌在中小型PLC市場上已取得了一定的成績，并且在一些特定領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了國產(chǎn)化替代。未來，隨著我國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級和工業(yè)自動化水平的不斷提高，PLC在我國的市場前景將更加廣闊。3.1.2PLC控制系統(tǒng)和其它控制系統(tǒng)比較與傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)相比，PLC控制系統(tǒng)在邏輯控制方面具有顯著優(yōu)勢。繼電器控制依賴于各電器件機械觸點的串、并聯(lián)組合來實現(xiàn)邏輯控制，采用硬線連接方式，這使得連線繁多且復雜。在實際應用中，若要對邏輯進行修改或增加功能，往往需要重新布線和更換電器件，操作難度大且成本高。而PLC控制系統(tǒng)則將邏輯控制以程序的形式存儲于內(nèi)存之中，只需對程序進行修改，便能輕松改變邏輯。這種方式不僅連線少，大大減少了布線的工作量和成本，而且體積小，安裝和維護更加方便可靠。在一個簡單的電機正反轉(zhuǎn)控制電路中，繼電器控制系統(tǒng)需要使用多個繼電器和大量的導線來實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)邏輯，線路復雜且容易出現(xiàn)故障。而PLC控制系統(tǒng)只需編寫簡單的梯形圖程序，通過內(nèi)部的邏輯運算即可實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)控制，線路簡潔，可靠性高。從控制速度來看，繼電器控制系統(tǒng)依靠機械觸點的吸合動作來完成控制，由于機械觸點的動作速度有限，其工作頻率較低，工作速度較慢。在一些對控制速度要求較高的場合，如自動化生產(chǎn)線的高速分揀系統(tǒng)，繼電器控制系統(tǒng)很難滿足快速響應的需求。而PLC控制系統(tǒng)采用程序指令控制半導體電路來實現(xiàn)控制，其運行速度大大提高。PLC的中央處理器（CPU）能夠快速執(zhí)行程序指令，實現(xiàn)對各種信號的快速處理和響應，能夠滿足高速、高精度的控制要求。在順序控制方面，繼電器控制通常利用時間繼電器的滯后動作來完成時間上的順序控制。然而，時間繼電器內(nèi)部的機械結(jié)構(gòu)容易受到環(huán)境溫度和濕度變化的影響，導致定時精度不高。在一些對時間精度要求嚴格的工業(yè)生產(chǎn)過程中，如化工反應過程的精確計時控制，繼電器控制系統(tǒng)難以保證生產(chǎn)的準確性和穩(wěn)定性。而PLC內(nèi)部的定時器由半導體電路組成，并利用晶體振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖進行計時，定時精度高。用戶可以根據(jù)實際需要，在程序中靈活設(shè)置定時值，且定時時間不受環(huán)境因素的影響，能夠滿足各種復雜的順序控制需求。靈活性和可擴展性也是PLC控制系統(tǒng)的一大優(yōu)勢。繼電器系統(tǒng)安裝完成后，由于受電器設(shè)備觸點數(shù)目的限制以及連線復雜等因素的影響，在后續(xù)使用過程中，若要對系統(tǒng)進行擴展或增加新的功能，往往面臨諸多困難，甚至需要重新設(shè)計整個控制系統(tǒng)。而PLC具有專用的輸入和輸出模塊，理論上其連接點數(shù)可以無限擴展。在實際應用中，用戶可以根據(jù)實際需求，方便地增加或減少輸入輸出模塊，對系統(tǒng)進行靈活擴展。同時，通過修改程序，還可以輕松實現(xiàn)新功能的添加，具有很強的靈活性和可擴展性。在計數(shù)功能上，繼電器控制主要實現(xiàn)邏輯功能，一般不具備計數(shù)功能。對于一些需要對生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品數(shù)量、動作次數(shù)等進行計數(shù)的場合，繼電器控制系統(tǒng)無法滿足需求。而PLC內(nèi)部配備了特定的計數(shù)器，用戶可以通過編程實現(xiàn)對生產(chǎn)設(shè)備的步進控制和精確計數(shù)，在自動化生產(chǎn)線上對產(chǎn)品進行計數(shù)統(tǒng)計，以便進行生產(chǎn)管理和質(zhì)量控制。在可靠性和可維護性方面，繼電器控制使用大量的機械觸點，這些觸點在開閉過程中會產(chǎn)生電弧，容易造成觸點損傷，并伴有機械磨損，導致使用壽命短，運行可靠性差。一旦出現(xiàn)故障，查找和排除故障的難度較大，維護成本高。而PLC采用微電子技術(shù)，內(nèi)部的開關(guān)動作均由無觸點的半導體電路來完成，具有體積小、壽命長、可靠性高的特點。PLC還能夠?qū)崟r顯示控制程序的執(zhí)行狀況，為操作人員提供直觀的監(jiān)控信息，便于及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，大大降低了現(xiàn)場調(diào)試和維護的難度。與單片機控制系統(tǒng)相比，雖然單片機可以構(gòu)成各種類型的應用系統(tǒng)，從微型到大型系統(tǒng)都能實現(xiàn)，但其應用系統(tǒng)往往功能差異較大，質(zhì)量參差不齊。不同廠家或開發(fā)者設(shè)計的單片機應用系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)和軟件編程上各不相同，缺乏統(tǒng)一的標準和規(guī)范，這使得學習、使用和維護都面臨較大困難。而PLC則是建立在單片機之上的產(chǎn)品，不同廠家的PLC具有相同的工作原理、類似的功能和指標，具有一定的互換性。PLC的編程軟件也正朝著標準化方向發(fā)展，用戶學習和使用相對容易。在工業(yè)自動化領(lǐng)域，當需要對不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備進行集中控制時，PLC的通用性和互換性能夠大大降低系統(tǒng)集成的難度。對于一些需要快速搭建控制系統(tǒng)的項目，使用PLC可以節(jié)省開發(fā)時間和成本，提高項目的成功率。從工程應用的角度來看，對于單項工程或重復數(shù)極少的項目，采用PLC方案是較為明智和快捷的選擇。PLC系統(tǒng)的可靠性高，穩(wěn)定性好，項目實施過程中的風險較低，且后期維護相對簡單。雖然PLC的成本相對較高，但其帶來的高效性和可靠性能夠彌補成本上的不足。而對于量大的配套項目，采用單片機系統(tǒng)則具有成本低、效益高的優(yōu)勢。然而，單片機系統(tǒng)的開發(fā)需要具備相當?shù)难邪l(fā)力量和行業(yè)經(jīng)驗，以確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠地運行。在實際應用中，為了充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，有時會將單片機系統(tǒng)嵌入PLC的功能，這樣既可以降低成本，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。3.1.3采取的控制技術(shù)路線在WP-40Ⅱ型微噴灌機自動撥管換向控制中，采用PLC控制技術(shù)路線具有多方面的優(yōu)勢。在硬件選型方面，充分考慮噴灌機的實際工作需求和環(huán)境條件。由于噴灌機通常在野外環(huán)境工作，可能會面臨高溫、潮濕、灰塵等惡劣條件，因此選擇具有高可靠性、強抗干擾能力的PLC產(chǎn)品至關(guān)重要。在輸入輸出（I/O）點數(shù)方面，根據(jù)噴灌機需要監(jiān)測和控制的參數(shù)數(shù)量進行精確計算。需要接入多個傳感器的信號，如檢測滾筒旋轉(zhuǎn)角度的接近開關(guān)信號、監(jiān)測輸水管壓力的壓力傳感器信號等，這些都需要占用PLC的輸入點。還需要控制電磁鐵、電機等執(zhí)行器，這就需要相應的輸出點。在選擇PLC時，不僅要滿足當前的I/O點數(shù)需求，還要預留一定的余量，以應對未來可能的功能擴展。若考慮到未來可能會增加對噴灌機工作狀態(tài)的遠程監(jiān)控功能，可能需要預留額外的通信接口和相應的I/O點。對于模擬量信號的處理，若噴灌機中存在模擬量傳感器或執(zhí)行器，如壓力傳感器輸出的模擬量信號用于精確控制噴灌壓力，則需要選擇具備模擬量輸入輸出模塊的PLC，或者為PLC配置相應的模擬量擴展模塊。在軟件設(shè)計方面，根據(jù)噴灌機自動撥管換向的工作流程和控制邏輯，利用PLC的編程語言進行程序編寫。采用梯形圖語言進行編程，因為梯形圖語言具有直觀、易懂的特點，類似于傳統(tǒng)的繼電器控制電路圖，對于熟悉電氣控制的工程師來說容易上手。在程序中，首先要對各種傳感器的輸入信號進行實時采集和處理。通過編寫相應的程序邏輯，當檢測到滾筒旋轉(zhuǎn)到預設(shè)的換向位置時，即接近開關(guān)發(fā)出觸發(fā)信號，PLC能夠迅速做出響應。根據(jù)預設(shè)的程序邏輯，判斷是否滿足換向條件。若滿足條件，PLC立即發(fā)出控制指令，通過輸出端口控制電磁鐵的通電與斷電。在控制電磁鐵時，為了確保其動作的準確性和可靠性，可以設(shè)置適當?shù)难訒r程序，避免因信號干擾或瞬間波動導致電磁鐵誤動作。在撥管換向過程中，還可以通過程序?qū)φ麄€過程進行監(jiān)控和保護。當檢測到輸水管壓力異常時，即壓力傳感器反饋的信號超出正常范圍，PLC可以立即停止撥管換向動作，并發(fā)出報警信號，提示操作人員進行檢查和處理，以避免設(shè)備損壞。為了提高系統(tǒng)的自動化程度和智能化水平，可以在程序中加入一些智能控制算法。采用模糊控制算法，根據(jù)滾筒旋轉(zhuǎn)角度、輸水管壓力等多個參數(shù)，通過模糊推理和決策，自動調(diào)整撥管換向的時機和速度，以適應不同的工作條件和需求。在系統(tǒng)調(diào)試階段，對硬件和軟件進行全面的測試和優(yōu)化。在硬件方面，檢查PLC與各種傳感器、執(zhí)行器之間的連接是否正確、牢固，確保信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。使用專業(yè)的測試設(shè)備對傳感器的精度進行校準，保證其檢測數(shù)據(jù)的準確性。對執(zhí)行器的動作進行測試，檢查電磁鐵的吸力是否足夠、電機的運轉(zhuǎn)是否正常等。在軟件方面，通過PLC的編程軟件進行在線調(diào)試。逐步執(zhí)行程序，觀察各個變量的變化情況，檢查程序邏輯是否正確。根據(jù)實際運行情況，對程序中的參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整。調(diào)整電磁鐵的通電時間、延時時間等參數(shù)，以確保撥管換向動作的順暢和準確。還可以通過模擬各種故障情況，如傳感器故障、執(zhí)行器故障等，測試系統(tǒng)的容錯能力和報警功能。當模擬接近開關(guān)故障時，檢查PLC是否能夠及時檢測到并做出相應的處理，如發(fā)出故障報警信號，停止相關(guān)動作，以保障系統(tǒng)的安全運行。通過反復的調(diào)試和優(yōu)化，使PLC控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠地實現(xiàn)WP-40Ⅱ型微噴灌機的自動撥管換向控制。3.2PLC控制電路的實現(xiàn)3.2.1PLC型號的選擇及I/O分配表在WP-40Ⅱ型微噴灌機自動撥管換向控制中，選擇合適的PLC型號至關(guān)重要。綜合考慮噴灌機的控制需求、工作環(huán)境以及成本等因素，最終選用了西門子S7-200SMART系列PLC。該系列PLC具有體積小巧、功能強大、可靠性高、抗干擾能力強等優(yōu)點，能夠很好地適應噴灌機在野外復雜環(huán)境下的工作要求。從控制需求來看，WP-40Ⅱ型微噴灌機需要對多個輸入信號進行監(jiān)測，如檢測滾筒旋轉(zhuǎn)角度的接近開關(guān)信號、監(jiān)測輸水管壓力的壓力傳感器信號、噴灌機行進位置的行程開關(guān)信號等。同時，還需要對電磁鐵、電機等執(zhí)行器進行控制。西門子S7-200SMART系列PLC具有豐富的I/O接口，能夠滿足這些輸入輸出信號的連接需求。其高速計數(shù)器功能可以精確地對接近開關(guān)的脈沖信號進行計數(shù)，從而準確測量滾筒的旋轉(zhuǎn)角度。該系列PLC還支持多種通信協(xié)議，便于與其他設(shè)備進行數(shù)據(jù)交互，為未來噴灌機功能的擴展提供了便利。在I/O分配方面，根據(jù)噴灌機的控制邏輯和實際信號連接情況，制定了詳細的I/O分配表（見表1）。將檢測滾筒旋轉(zhuǎn)角度的接近開關(guān)信號連接到PLC的輸入點I0.0，當接近開關(guān)檢測到滾筒旋轉(zhuǎn)到特定位置時，會向PLC發(fā)送信號，PLC通過對該輸入點信號的監(jiān)測來判斷是否需要進行撥管換向。將監(jiān)測輸水管壓力的壓力傳感器信號連接到模擬量輸入點AIW0，PLC可以實時采集壓力數(shù)據(jù)，并根據(jù)預設(shè)的壓力閾值進行相應的控制。對于電磁鐵的控制，將控制信號輸出到輸出點Q0.0，當PLC判斷需要進行撥管換向時，會使Q0.0輸出高電平，驅(qū)動電磁鐵動作。I/O點功能描述連接設(shè)備I0.0檢測滾筒旋轉(zhuǎn)角度的接近開關(guān)信號輸入接近開關(guān)I0.1監(jiān)測輸水管壓力的壓力傳感器信號輸入（模擬量轉(zhuǎn)換后）壓力傳感器（經(jīng)模擬量模塊轉(zhuǎn)換）I0.2噴灌機行進位置的行程開關(guān)信號輸入行程開關(guān)Q0.0電磁鐵控制信號輸出電磁鐵Q0.1電機正轉(zhuǎn)控制信號輸出電機正轉(zhuǎn)接觸器Q0.2電機反轉(zhuǎn)控制信號輸出電機反轉(zhuǎn)接觸器表1WP-40Ⅱ型微噴灌機PLCI/O分配表通過合理的I/O分配，確保了PLC能夠準確地采集各種輸入信號，并根據(jù)控制邏輯對執(zhí)行器進行精確控制。在分配I/O點時，還預留了部分備用輸入輸出點，如I0.3-I0.7和Q0.3-Q0.7，以便在未來噴灌機功能擴展或出現(xiàn)故障時進行調(diào)試和維修。若后續(xù)需要增加對噴灌機工作狀態(tài)的遠程監(jiān)控功能，可以利用預留的I/O點連接相關(guān)的通信模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸。3.2.2控制電路主要電氣元件作用在WP-40Ⅱ型微噴灌機的PLC控制電路中，傳感器起著至關(guān)重要的作用，它能夠?qū)崟r監(jiān)測噴灌機的工作狀態(tài)，為PLC提供準確的控制依據(jù)。接近開關(guān)作為檢測滾筒旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)鍵傳感器，采用電感式接近開關(guān)。當滾筒旋轉(zhuǎn)時，安裝在滾筒上的感應片會周期性地靠近和遠離接近開關(guān)。接近開關(guān)內(nèi)部的感應元件會根據(jù)感應片的靠近程度產(chǎn)生相應的電信號變化。當感應片靠近接近開關(guān)時，接近開關(guān)輸出高電平信號；當感應片遠離時，輸出低電平信號。PLC通過對接近開關(guān)輸出信號的計數(shù)和分析，能夠精確地計算出滾筒的旋轉(zhuǎn)角度，從而判斷是否達到預設(shè)的撥管換向位置。壓力傳感器用于監(jiān)測輸水管的壓力，采用電阻應變片式壓力傳感器。當輸水管內(nèi)的壓力發(fā)生變化時，壓力傳感器內(nèi)部的電阻應變片會產(chǎn)生形變，導致其電阻值發(fā)生改變。通過測量電阻值的變化，并經(jīng)過相應的信號調(diào)理電路，將壓力信號轉(zhuǎn)換為標準的電壓或電流信號輸出給PLC的模擬量輸入模塊。PLC根據(jù)接收到的壓力信號，判斷輸水管的壓力是否正常。若壓力過高或過低，PLC會采取相應的控制措施，如調(diào)整噴灌機的工作速度或停止噴灌，以保護設(shè)備和確保灌溉效果。繼電器和接觸器是控制電路中的重要執(zhí)行元件，它們負責將PLC的控制信號轉(zhuǎn)換為實際的電氣動作，驅(qū)動電磁鐵、電機等設(shè)備工作。中間繼電器在控制電路中起到信號隔離和放大的作用。由于PLC的輸出觸點容量有限，無法直接驅(qū)動電磁鐵等大功率負載。中間繼電器的線圈連接到PLC的輸出點，當PLC輸出控制信號時，中間繼電器的線圈通電，觸點閉合。中間繼電器的觸點則連接到電磁鐵的控制電路，通過觸點的閉合和斷開來控制電磁鐵的通電與斷電。這樣不僅實現(xiàn)了PLC與電磁鐵之間的電氣隔離，還放大了控制信號的功率，確保電磁鐵能夠可靠動作。交流接觸器用于控制電機的正反轉(zhuǎn)。在噴灌機中，電機需要根據(jù)工作需求進行正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)不同的功能，如驅(qū)動噴灌機前進和后退。交流接觸器有多個觸點，其中主觸點連接到電機的電源電路，輔助觸點連接到控制電路。當PLC輸出電機正轉(zhuǎn)控制信號時，控制電路中的中間繼電器動作，使交流接觸器的主觸點閉合，電機接通正轉(zhuǎn)電源，開始正轉(zhuǎn)。同理，當PLC輸出電機反轉(zhuǎn)控制信號時，交流接觸器的主觸點切換，電機接通反轉(zhuǎn)電源，實現(xiàn)反轉(zhuǎn)。交流接觸器的觸點具有較大的額定電流和電壓，能夠滿足電機的工作要求，并且具有良好的滅弧性能，確保在頻繁的通斷操作中安全可靠。3.2.3PLC控制外部接線圖WP-40Ⅱ型微噴灌機PLC控制外部接線圖清晰地展示了PLC與各種傳感器、執(zhí)行器以及其他電氣設(shè)備之間的連接關(guān)系（見圖1）。在輸入部分，檢測滾筒旋轉(zhuǎn)角度的接近開關(guān)一端連接到直流24V電源的正極，另一端連接到PLC的輸入點I0.0。接近開關(guān)的信號輸出采用三線制方式，棕色線接電源正極，藍色線接電源負極，黑色線為信號輸出線。這種連接方式能夠確保接近開關(guān)在檢測到滾筒旋轉(zhuǎn)位置變化時，準確地向PLC發(fā)送信號。監(jiān)測輸水管壓力的壓力傳感器輸出的模擬量信號先經(jīng)過信號調(diào)理模塊，將信號轉(zhuǎn)換為PLC模擬量輸入模塊能夠接收的標準電壓信號（如0-10V）。調(diào)理后的信號通過屏蔽線連接到PLC的模擬量輸入點AIW0。使用屏蔽線可以有效減少外界電磁干擾對模擬量信號的影響，確保壓力信號的準確性。噴灌機行進位置的行程開關(guān)連接方式與接近開關(guān)類似，一端接電源正極，另一端接PLC的輸入點I0.2。在輸出部分，PLC的輸出點Q0.0連接到中間繼電器的線圈，中間繼電器的觸點則連接到電磁鐵的控制電路。當Q0.0輸出高電平時，中間繼電器線圈通電，觸點閉合，電磁鐵通電動作，實現(xiàn)撥管換向。電機正轉(zhuǎn)控制信號輸出點Q0.1和電機反轉(zhuǎn)控制信號輸出點Q0.2分別連接到兩個交流接觸器的線圈。交流接觸器的主觸點連接到電機的電源電路，通過控制交流接觸器的線圈通電與斷電，實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)控制。在接線過程中，為了確保系統(tǒng)的安全可靠運行，所有電氣設(shè)備的金屬外殼都進行了接地處理。在電源部分，采用了隔離變壓器對輸入電源進行隔離，減少電源干擾對控制系統(tǒng)的影響。還安裝了熔斷器等保護裝置，當電路發(fā)生過載、短路等故障時，熔斷器會迅速熔斷，切斷電路，保護設(shè)備和人員安全。3.2.4PLC控制的電路原理圖及主要工作原理WP-40Ⅱ型微噴灌機PLC控制的電路原理圖（見圖2）詳細展示了控制系統(tǒng)的電氣連接和信號傳輸路徑。其主要工作原理基于PLC的程序控制和邏輯運算。在初始狀態(tài)下，PLC處于待機模式，實時監(jiān)測各個輸入點的信號。檢測滾筒旋轉(zhuǎn)角度的接近開關(guān)、監(jiān)測輸水管壓力的壓力傳感器以及噴灌機行進位置的行程開關(guān)等傳感器將采集到的信號實時傳輸給PLC。接近開關(guān)將滾筒旋轉(zhuǎn)的位置信號以脈沖形式輸入到PLC的高速計數(shù)器端口。PLC通過對脈沖信號的計數(shù)和分析，計算出滾筒的旋轉(zhuǎn)角度。壓力傳感器將輸水管的壓力信號轉(zhuǎn)換為模擬量信號輸入到PLC的模擬量輸入模塊。PLC對模擬量信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并根據(jù)預設(shè)的壓力閾值進行判斷。當壓力超出正常范圍時，PLC會記錄故障信息，并通過輸出點控制報警裝置發(fā)出警報。當噴灌機開始工作時，操作人員啟動噴灌機控制系統(tǒng)。PLC接收到啟動信號后，根據(jù)預設(shè)的程序邏輯，控制電機正轉(zhuǎn)接觸器動作，電機開始正轉(zhuǎn)，驅(qū)動噴灌機前進。在噴灌機行進過程中，PLC持續(xù)監(jiān)測各個傳感器的信號。當接近開關(guān)檢測到滾筒旋轉(zhuǎn)到預設(shè)的撥管換向位置時，會向PLC發(fā)送觸發(fā)信號。PLC接收到該信號后，首先判斷輸水管壓力是否正常。若壓力正常，且滿足其他預設(shè)的換向條件，如噴灌機行進位置符合要求等，PLC會立即發(fā)出控制指令，使輸出點Q0.0輸出高電平。Q0.0的高電平信號驅(qū)動中間繼電器動作，中間繼電器的觸點閉合，電磁鐵通電。電磁鐵產(chǎn)生電磁力，通過連桿機構(gòu)帶動撥管器動作，實現(xiàn)撥管換向。在撥管換向過程中，PLC可以通過監(jiān)測相關(guān)傳感器的信號，對撥管器的動作進行實時監(jiān)控。若檢測到撥管器動作異常，如未能準確到達目標位置或動作超時等，PLC會立即采取相應的保護措施，如停止電磁鐵動作，并發(fā)出故障報警信號。在噴灌機工作過程中，若需要停止噴灌，操作人員可以通過操作面板上的停止按鈕向PLC發(fā)送停止信號。PLC接收到停止信號后，控制電機停止運轉(zhuǎn)，并將系統(tǒng)恢復到初始待機狀態(tài)。在整個工作過程中，PLC還可以通過通信接口與上位機或其他設(shè)備進行數(shù)據(jù)交互。將噴灌機的工作狀態(tài)、故障信息等數(shù)據(jù)上傳到上位機，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和管理。上位機也可以向PLC發(fā)送控制指令，對噴灌機的工作參數(shù)進行調(diào)整。3.3模擬調(diào)試3.3.1開關(guān)量輸入與輸出模塊的選擇在WP-40Ⅱ型微噴灌機的PLC控制系統(tǒng)中，開關(guān)量輸入與輸出模塊的選擇至關(guān)重要，它們直接影響著系統(tǒng)的性能和可靠性。對于開關(guān)量輸入模塊，主要考慮輸入信號的類型、電壓等級、連接方式以及同時連接的輸入點數(shù)量等因素。由于WP-40Ⅱ型微噴灌機的工作環(huán)境較為復雜，野外存在各種干擾源，為了確保輸入信號的穩(wěn)定可靠傳輸，選用了DC輸入類型的開關(guān)量輸入模塊。DC輸入模塊具有延遲時間短的優(yōu)點，能夠快速響應外部信號的變化，滿足微噴灌機對實時性的要求。它還可以直接與接近開關(guān)、光電開關(guān)等電子輸入設(shè)備連接，簡化了電路連接?？紤]到微噴灌機中傳感器與PLC之間的傳輸距離，選擇了24V電壓等級的輸入模塊。24V電壓在工業(yè)控制中較為常見，具有較好的抗干擾能力，能夠保證信號在一定距離內(nèi)穩(wěn)定傳輸。在實際應用中，檢測滾筒旋轉(zhuǎn)角度的接近開關(guān)和噴灌機行進位置的行程開關(guān)與PLC之間的距離通常在數(shù)米到十幾米之間，24V輸入模塊能夠滿足這一傳輸距離要求，確保信號準確無誤地輸入到PLC中。在連接方式上，采用了匯點式開關(guān)量輸入模塊。匯點式輸入模塊所有輸入點共用一個公共端子(COM)，這種連接方式簡單可靠，成本較低。在WP-40Ⅱ型微噴灌機的控制系統(tǒng)中，各個傳感器的信號相對獨立，不需要對輸入信號進行分組隔離，因此匯點式輸入模塊能夠滿足系統(tǒng)的需求。在選擇輸入模塊時，還考慮了同時連接的輸入點數(shù)量。由于微噴灌機需要監(jiān)測多個傳感器的信號，選用了高密度輸入模塊。為了保證模塊的正常工作和信號的穩(wěn)定性，同時連接的點數(shù)不超過輸入點數(shù)的60%。若選用32點的輸入模塊，實際同時連接的輸入點控制在19點以內(nèi)，以避免因輸入點數(shù)過多導致模塊負載過大，影響信號的采集和傳輸。對于開關(guān)量輸出模塊，主要考慮輸出方式和接線方式等因素。根據(jù)WP-40Ⅱ型微噴灌機的控制要求，需要驅(qū)動電磁鐵、電機正反轉(zhuǎn)接觸器等負載。由于這些負載既有交流負載（如電機正反轉(zhuǎn)接觸器），又有直流負載（如電磁鐵），且電磁鐵的動作頻率相對較低，因此選用了繼電器輸出類型的開關(guān)量輸出模塊。繼電器輸出模塊具有適用電壓范圍廣的特點，能夠滿足不同負載的電壓要求。其開關(guān)壓降小，承受瞬時過電壓和過電流的能力強，能夠可靠地驅(qū)動電磁鐵和電機正反轉(zhuǎn)接觸器等負載。雖然繼電器輸出模塊是接觸元件，工作速度慢（驅(qū)動感性負載時，觸點工作頻率不應超過1Hz），但對于WP-40Ⅱ型微噴灌機的撥管換向控制來說，其工作速度能夠滿足要求。在接線方式上，采用了分組式接線方式。分組式接線方式將輸出點分成幾組，每組有一個公共端子，這種方式便于對不同負載進行獨立控制和維護。將控制電磁鐵的輸出點分為一組，將控制電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)接觸器的輸出點分別分為一組，這樣在進行調(diào)試和維護時，可以方便地對每組負載進行單獨操作，提高了系統(tǒng)的可維護性。3.3.2編程軟件簡介在WP-40Ⅱ型微噴灌機的PLC控制系統(tǒng)中，選用了西門子S7-200SMART系列PLC，與之配套的編程軟件為STEP7-Micro/WINSMART。該軟件具有豐富的功能，能夠滿足微噴灌機復雜的控制需求。在編程方面，STEP7-Micro/WINSMART支持多種編程語言，包括梯形圖（LAD）、指令表（STL）和功能塊圖（FBD）。梯形圖語言以其直觀、易懂的特點，成為最常用的編程語言之一。它采用類似傳統(tǒng)繼電器控制電路圖的圖形化表示方式，通過各種邏輯符號和連線來表示控制邏輯。對于熟悉電氣控制的工程師來說，梯形圖語言易于上手，能夠快速將控制思路轉(zhuǎn)化為程序代碼。在編寫WP-40Ⅱ型微噴灌機的控制程序時，使用梯形圖語言可以清晰地表示出傳感器信號的采集、邏輯判斷以及執(zhí)行器的控制過程。當檢測到滾筒旋轉(zhuǎn)到預設(shè)的換向位置時，通過梯形圖中的邏輯判斷指令，判斷是否滿足換向條件。若滿足條件，則通過輸出指令控制電磁鐵動作，實現(xiàn)撥管換向。指令表語言則適合對編程效率要求較高、對指令熟悉的程序員。它以指令助記符的形式編寫程序，能夠更直接地控制PLC的硬件資源，執(zhí)行效率相對較高。功能塊圖語言則側(cè)重于對復雜功能的模塊化編程，將一些常用的功能封裝成功能塊，通過調(diào)用這些功能塊來實現(xiàn)復雜的控制邏輯，提高了程序的可讀性和可維護性。該軟件還具備強大的調(diào)試功能。在程序編寫完成后，可以通過軟件的在線調(diào)試功能對程序進行測試和優(yōu)化。通過設(shè)置斷點，程序可以在運行到指定位置時暫停，方便查看各個變量的值和程序的執(zhí)行狀態(tài)。利用軟件的監(jiān)視功能，可以實時監(jiān)測PLC的輸入輸出信號、內(nèi)部變量等，及時發(fā)現(xiàn)程序中的問題。在調(diào)試WP-40Ⅱ型微噴灌機的控制程序時，通過設(shè)置斷點，觀察當接近開關(guān)檢測到滾筒旋轉(zhuǎn)到換向位置時，PLC是否能夠正確地響應并控制電磁鐵動作。通過監(jiān)視輸水管壓力傳感器的信號，確保在壓力異常時，PLC能夠及時采取相應的保護措施。軟件還提供了程序狀態(tài)監(jiān)控功能，能夠以圖形化的方式展示程序的執(zhí)行流程和各個邏輯元件的狀態(tài)，使調(diào)試過程更加直觀。在項目管理方面，STEP7-Micro/WINSMART能夠方便地對項目進行創(chuàng)建、打開、保存和管理。可以對不同的程序模塊進行分類管理，如主程序、子程序、中斷程序等，提高了項目的組織性和可維護性。軟件還支持項目的版本控制，方便在項目開發(fā)過程中對程序的修改和更新進行跟蹤和管理。在WP-40Ⅱ型微噴灌機的控制系統(tǒng)開發(fā)過程中，隨著功能的不斷完善和優(yōu)化，可能會對程序進行多次修改。通過軟件的版本控制功能，可以記錄每次修改的內(nèi)容和時間，方便在需要時回滾到之前的版本。該軟件還具有良好的兼容性和擴展性。它能夠與西門子S7-200SMART系列PLC的硬件緊密結(jié)合，充分發(fā)揮PLC的性能優(yōu)勢。支持與其他軟件和設(shè)備進行通信和數(shù)據(jù)交互，如與上位機監(jiān)控軟件進行通信，實現(xiàn)對微噴灌機的遠程監(jiān)控和管理?？梢酝ㄟ^OPC（OLEforProcessControl）技術(shù)與上位機監(jiān)控軟件進行數(shù)據(jù)交換，將微噴灌機的工作狀態(tài)、故障信息等實時傳輸?shù)缴衔粰C，便于操作人員進行遠程監(jiān)控和決策。3.3.3上位鏈接通信在WP-40Ⅱ型微噴灌機的控制系統(tǒng)中，上位機與PLC之間的通信采用了PPI（Point-to-PointInterface）協(xié)議。PPI協(xié)議是西門子專為S7-200系列PLC開發(fā)的一種通信協(xié)議，具有簡單、可靠、高效的特點。它基于RS-485物理接口，能夠?qū)崿F(xiàn)上位機與PLC之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。在硬件連接方面，上位機通過RS-485串口轉(zhuǎn)換器與PLC的通信端口相連。RS-485串口轉(zhuǎn)換器將上位機的RS-232串口信號轉(zhuǎn)換為RS-485信號，以滿足PPI協(xié)議的通信要求。在連接過程中，需要注意RS-485信號的極性和接線方式，確保信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。通常采用雙絞線作為通信電纜，其中一根線用于傳輸正信號（A線），另一根線用于傳輸負信號（B線），以減少信號干擾。在軟件設(shè)置方面，在上位機中需要安裝相應的通信驅(qū)動程序，并進行通信參數(shù)的配置。在配置過程中，需要設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗位等參數(shù)，確保上位機與PLC之間的通信參數(shù)一致。通常將波特率設(shè)置為9600bps，數(shù)據(jù)位設(shè)置為8位，停止位設(shè)置為1位，校驗位設(shè)置為無校驗。這些參數(shù)的設(shè)置可以根據(jù)實際通信需求進行調(diào)整。在PLC的編程軟件STEP7-Micro/WINSMART中，也需要對通信參數(shù)進行相應的設(shè)置，使其與上位機的設(shè)置保持一致。上位機與PLC之間的數(shù)據(jù)交互內(nèi)容豐富多樣。上位機可以實時讀取PLC中的數(shù)據(jù)，如檢測滾筒旋轉(zhuǎn)角度的接近開關(guān)信號、監(jiān)測輸水管壓力的壓力傳感器信號、噴灌機行進位置的行程開關(guān)信號等。通過讀取這些數(shù)據(jù)，上位機可以實時了解微噴灌機的工作狀態(tài)。上位機還可以讀取PLC中的故障信息，當微噴灌機出現(xiàn)故障時，PLC會將故障代碼存儲在特定的寄存器中，上位機可以讀取這些故障代碼，并通過預先設(shè)置的故障診斷表，將故障代碼轉(zhuǎn)換為具體的故障描述，提示操作人員進行故障排查和修復。上位機也可以向PLC發(fā)送控制指令。操作人員可以在上位機的監(jiān)控界面上，通過點擊按鈕或輸入?yún)?shù)的方式，向PLC發(fā)送啟動、停止、調(diào)整噴灌速度等控制指令。PLC接收到這些指令后，會根據(jù)指令內(nèi)容執(zhí)行相應的操作。上位機還可以向PLC發(fā)送參數(shù)調(diào)整指令，如調(diào)整撥管換向的時間、速度等參數(shù)，以適應不同的工作需求。通過上位鏈接通信，實現(xiàn)了對微噴灌機的遠程監(jiān)控和管理。操作人員可以在上位機的監(jiān)控界面上，實時查看微噴灌機的工作狀態(tài)、運行參數(shù)和故障信息，無需到現(xiàn)場即可對微噴灌機進行操作和控制。這大大提高了工作效率，降低了人工成本。上位機還可以對采集到的數(shù)據(jù)進行分析和處理，生成報表和曲線，為微噴灌機的運行管理和優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。通過對噴灌機工作數(shù)據(jù)的長期分析，可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備運行中的潛在問題，提前進行維護和保養(yǎng)，提高設(shè)備的可靠性和使用壽命。3.3.4PLC的模擬運行在完成WP-40Ⅱ型微噴灌機PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件編程后，進行了PLC的模擬運行，以驗證系統(tǒng)的功能和性能。在模擬運行過程中，使用了專業(yè)的模擬調(diào)試工具，通過模擬各種實際工況，對PLC的控制邏輯和動作進行測試。首先，模擬了噴灌機的正常工作流程。通過設(shè)置模擬信號源，模擬檢測滾筒旋轉(zhuǎn)角度的接近開關(guān)信號、監(jiān)測輸水管壓力的壓力傳感器信號以及噴灌機行進位置的行程開關(guān)信號。當模擬接近開關(guān)檢測到滾筒旋轉(zhuǎn)到預設(shè)的換向位置時，PLC能夠準確地接收到信號，并根據(jù)預設(shè)的控制邏輯，判斷是否滿足換向條件。若滿足條件，PLC立即發(fā)出控制指令，使輸出點Q0.0輸出高電平，驅(qū)動電磁鐵動作，實現(xiàn)撥管換向。在撥管換向過程中，通過監(jiān)測模擬的傳感器信號，觀察到PLC能夠?qū)崟r監(jiān)測撥管器的動作狀態(tài)，確保撥管換向的順利進行。模擬運行結(jié)果表明，在正常工作流程下，PLC能夠準確地控制微噴灌機的自動撥管換向，換向成功率達到了預期的95%以上。在模擬運行過程中，也出現(xiàn)了一些問題。有時會出現(xiàn)電磁鐵誤動作的情況，即在未達到換向條件時，電磁鐵卻意外動作。經(jīng)過仔細排查，發(fā)現(xiàn)是由于模擬信號源的干擾導致PLC接收到錯誤的信號。為了解決這個問題，采取了一系列抗干擾措施。在硬件方面，對模擬信號源進行了屏蔽處理，減少外界干擾對信號的影響。在軟件方面，增加了信號濾波程序，對輸入的信號進行濾波處理，去除噪聲干擾。通過這些措施，有效地解決了電磁鐵誤動作的問題。還模擬了一些故障工況，如傳感器故障、執(zhí)行器故障等。當模擬接近開關(guān)故障時，PLC能夠及時檢測到信號異常，并立即停止相關(guān)動作，同時發(fā)出故障報警信號。在模擬輸水管壓力傳感器故障時，PLC同樣能夠迅速做出反應，停止噴灌機的工作，并通過上位機向操作人員發(fā)送故障信息。模擬運行結(jié)果顯示，PLC的故障檢測和保護功能能夠有效地應對各種故障工況，確保微噴灌機在出現(xiàn)故障時能夠及時停止工作，避免設(shè)備損壞和安全事故的發(fā)生。通過對PLC的模擬運行，不僅驗證了系統(tǒng)的控制邏輯和功能的正確性，還發(fā)現(xiàn)并解決了一些潛在的問題。這為后續(xù)在實際環(huán)境中的應用奠定了