基于PLC的花卉缽苗移栽機自動輸送裝置

郝稱意，王琳娟

(山西農業大學a.工學院；b.文理學院，山西 太谷 030801)

0 引言

目前，國內的花卉種植多采用傳統人工或半自動機械，隨著社會的不斷發展，城鎮建設中綠化投入及人們的欣賞要求的提高，對花卉等觀賞植物的需求增加，傳統的種植方法已不能滿足種植需求，加大花卉的種植規模成為必然形勢。發達國家已經在大規模種植中普及自動移栽機，以避免幼苗在育苗期的冷凍及干燥時期對幼苗的傷害，可以控制作物的收獲時間、提高品質及增加產量，在提高種植戶收成和品質方面具有著非常大的作用[1-7]。

自動移栽機的應用在大范圍種植中有益于工業化的生產發展，形成集中育苗、規模化生產，使缽體苗替換傳統種植，缽苗種植商品化得以推廣[8-9]。移栽機自動輸送裝置的研發是缽苗移栽技術發展的標志，可提高缽苗移栽的工作效率，提升花卉種植的經濟效益。20世紀末，美國、荷蘭等國家就已研發出移栽分苗的自動化機械，移栽效率可以達到1 000株/h，可安裝32支機械手同時進行作業[10]。K.C.Ting[11]研究出一款裝備了傳感器機械臂的移栽機器人，經試驗發現，移栽一棵苗僅需要2.6～3.25s，移栽幼苗的精確度最高可達在95%。K.H.Ryu 等借鑒笛卡爾坐標系改進了幼苗移栽機，通過氣缸驅動卡盤和夾指完成幼苗移栽，大幅提高了育苗移栽的效率和準確率[12]。目前，國內的缽苗移栽機大部分是半自動的，從缽盤中取苗、分苗需要人工輔助。本文研究的缽苗移栽機自動輸送裝置采用PLC系統進行控制，可存儲指令及執行控制機械或生產操作指令[13]。

1 總體設計

1.1 設計原理

基于PLC的花卉缽體苗移栽機自動輸送裝置主要由取苗系統、送苗系統和PLC控制系統組成。

取苗系統包括缽苗盆定位、頂苗及取苗等3個操作；送苗系統包括移苗、送苗及植苗等3個操作，在PLC系統中輸入取苗、送苗的指令并輸出，控制機械臂取苗、送苗，氣缸驅動機械臂；刷新程序重新發布指令任務。

1.2 總體設計

本設計采用PLC控制花卉缽體苗的移栽過程。PLC為數字輸送運算系統,可將指令以數字信號的形式發出, 從而達到機械控制的目的。PLC控制器工作外部接線圖如圖1所示。

圖1 PLC外部接線圖

通過PLC控制馬達與氣缸，氣缸以壓縮空氣為動力源。PLC系統有多個識別傳感器，可識別花卉缽苗的位置，將采集的信息輸送至PLC系統；PLC控制氣動控制閥，進而控制馬達和氣缸；降輸苗由馬達提供動力外，其余動作均靠氣缸驅動完成。針對缽體苗不同差異，控制苗夾片與頂苗機構的氣缸均安裝有減壓閥和壓力表，通過調節壓力表控制夾苗、頂苗的不同力度，實現不同花卉缽苗移栽不同控制系數的目的。PLC控制移栽流程圖如圖2所示。PLC控制輸入點6個，輸出點5個，輸入輸出分配如表1所示。

圖2 PLC控制移栽流程圖

輸入端信號來源輸出端控制對象I0.0啟動開關Q0.0輸送控制馬達I0.1回位感應器Q0.1控制氣缸1I0.2頂出感應器Q0.2控制氣缸2I0.3苗夾感應器Q0.3控制氣缸3I0.4植苗感應器Q0.4控制氣缸3I0.5手/自動轉換

取苗機構主要有插入式和頂出式兩種類型。本設計裝置中采用氣缸頂出式(見圖3)，控制頂出機構為空氣壓縮氣缸，通過閥門和壓力表控制頂出力度，就不會在取苗過程中傷到花苗的根系。

2 機構組成、感應識別和氣動控制

2.1 機構組成

花卉缽苗移栽機自動輸送裝置由PLC編程系統、信號輸入機構(光識別傳感器、輸送線路)及輸出機構(取苗系統和送苗系統)組成。

PLC采用德國西門子(SIEMENS)公司生產的S7-200PLC,該型號體積小、反應快，可適應標準化生產，且可靠性更高。取苗系統包括缽苗定位機構、排式頂苗桿及苗夾器，送苗系統由移苗機構、柔性鏈輸送滑道、送苗桶及植苗器組成。

圖3 氣缸頂出式移栽機

2.2 感應識別系統

花卉缽苗移栽過程中最重要的環節是缽苗的定位，定位準確可以保障移栽工作順利進行。 花卉缽苗移栽機的定位是通過光識別傳感器識別采集圖像并通過對采集圖像的技術處理，識別出圖像中缽苗位置，將位置坐標輸送至PLC系統，由PLC系統發出正確指令，控制移栽機順利完成取苗、送苗，保證移栽中取苗、送苗的準確率。

2.3 氣動控制

裝置開始作業，空氣壓縮機充氣，達到工作壓力時電磁換向閥通電，開啟控制器，換向閥工作，氣動氣缸充氣。控制移位的缽苗盤縱向升降缸(見圖4)上升，放置花卉缽盤的固定架上升到位，氣缸停止。控制頂出機構的換向閥工作，氣缸工作控制頂出缽苗，與此同時苗夾收縮展開氣缸開始工作，苗夾夾起缽苗，傳感器感應到缽苗已被夾走，頂出機構復位；苗夾展開氣缸控制夾片松開缽苗，缽苗落在至輸送滑道，輸送滑道上的送苗桶接收缽苗，送苗桶可以將缽苗扶正定位，為后續植苗提供良好的狀態。在送苗桶將花卉缽苗輸送至植苗桶時，已將缽苗排布成合適種植位置。

圖4 缽苗盤縱向升降缸

3 試驗與結果

3.1 試驗基本條件

花卉苗培育在10cm×10cm規格的苗缽中，隨機選取6組，每組50缽苗進行試驗，檢測移栽機自動輸送裝置的移栽時間、取苗成功率、送苗成功率及花卉缽苗的成活率，并分析試驗數據。

3.2 試驗設計

為了檢測采用PLC控制的花卉缽苗移栽機自動輸送裝置的有效性及準確率，隨機取3組，每組50缽苗，檢測移栽耗時、缽體苗取苗成功率、缽體苗送苗成功率、倒伏率及花卉缽苗的成活率，驗證移栽機的有效性。試驗數據記錄統計分析如表2～表4所示。

表2 移栽時間

表3 取送苗成功率

Table 3 Take the success rate %

組號數量取苗成功率送苗成功率組1509798組2509395組35099100組4509597組55010092組6509396平均值95.595.8

表4 缽苗倒伏率及成活率

Table 4 Bowl seedling rate and survival rate %

組號倒伏率成活率組11.798組22.496組31.4100

續表4

上述試驗結果表示：本文研究設計的花卉缽苗移栽機自動輸送裝置進行花卉移栽時間平均22.7s，800個循環/h，已達到國外的平均水平。其取苗送苗成功率分別為95.5%、95.8%，可以達到生產要求。采用基于PLC花卉缽苗移栽機自動輸送裝置試驗檢測移栽的成活率達到97.3%，完全可以滿足花卉種植的要求，可確定該裝置有效、可行。

4 結論

1)通過試驗驗證裝置的有效性和可靠性，分析試驗中移栽時間、取送苗成功率、倒伏率和缽苗成活率等數據，結果表明：本裝置移栽作業循環可達到800次/h，取送苗成功率大于95%，花卉缽苗成活率97%以上，表明本裝置高效、可靠。

2)設計基于PLC花卉缽苗自動移栽機，具有識別、取苗、送苗及植苗等功能。其利用PLC控制氣缸和馬達驅動各個機構，實現電氣一體化，控制花卉缽體苗的移栽精度，減少花卉缽苗在移栽過程中損傷，提高花卉缽苗的成活率，滿足了花卉缽苗大規模種植的自動化水平。

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