基于作業速度的移栽機取苗送苗控制系統設計

崔財豪，曹衛彬，楊 萌，馬 銳，任 玲

(石河子大學 機械與電氣工程學院，新疆 石河子 832000)

0 引言

新疆地處我國西北地區，屬北部高緯度(北緯37°～47°之間)，晝夜溫差大，光照充足,適合加工番茄、線辣椒等農作物的生長；由于降雨量小,農作物主要以灌溉為主,可控系統有利于調節植株長勢、提高單位面積產量及改善產品質量[1]。目前，新疆已成為全國最大的棉花、番茄、甜菜、紅花等經濟作物生產基地。其中，番茄生產能力居世界第三，番茄制品占全球貿易總量的20%以上。近年來，新疆番茄種植面積達6.7萬 hm2，加工番茄產業已經成為規模宏大的紅色產業[2 -3]。

作物移栽主要分為人工移栽和機械移栽兩種方式[4]。目前，市面上推廣的移栽機多數為半自動移栽機，栽植過程中需要人工投苗，勞動強度大，工作效率低，無法滿足現代化農業生產的需要。全自動移栽機與半自動移栽機區別在于取喂苗方式上方式有所不同，由機械或人工喂入多組秧苗(如多張苗盤)，移栽機自動完成苗盤輸送、送苗取苗以及栽植工作。全自動移栽機一定程度上無需人工干預，工作效率大大提高，降低了勞動強度[5-6 ]。

全自動移栽機存在送苗精度低、株距不穩定、高速工作時苗手與苗盤之間具有干涉等問題。為此，提出了基于作業速度自動移栽機送苗與取苗裝置的控制系統，旨在提高送苗精度、株距精度，以及解決高速工作時取苗手與苗盤之間的干涉問題。

1 總體設計

1.1 取苗和送苗相干涉解決方案的設計

使用接近開關作為苗盤運動的信號輸入，在取苗手接近開關從低電平變成高電平時，表示取苗手插入基質，苗盤靜止；當接近開關從低電平變成高電平時，表示取苗手離開苗盤，此時苗盤步進電機通過絲杠和鏈輪帶動苗盤橫向縱向運動。由于苗盤只在取苗手取苗時靜止，投苗時運動，避免了高速移栽時苗盤與取苗手的干涉。

1.2 取苗手和苗盤進給控制系統方案的設計

系統使用3個接近開關作為信號輸入，取苗手接近開關提供每次取苗手取苗結束后的完成信號，苗盤兩側的接近開關作為定位傳感器使用。正常工作時，取苗手在即將插入基質時取苗手接近開關發送信號，且一直持續到取苗手離開苗盤。在取苗手接近開關由高電平調變為低電平時，苗盤橫向移動32mm；當苗盤移動到一側，即左右兩個接近開關有信號時，苗盤向下移動32mm，取苗手取下一行的穴盤苗。該方案與使用一個接近開關的方案相比能夠更加準確地控制苗盤移動，同時避免取苗與送苗的干涉。

2 工作原理

基于作業速度自動移栽機送苗與取苗裝置的控制系統通過修改程序參數適用于不同規格的苗盤。為適應一膜雙行的移栽機作業要求，機身設計有兩只取苗手同時取苗，所以需要同時對兩個苗盤進行橫向和縱向進給控制，下面以一個取苗手和苗盤的工作原理進行介紹。

為了控制苗盤的進給精度，苗盤的橫向和縱向移動均使用步進電機，在大田中作業時步進電機的使用有助于保證精度、減小控制誤差[7]。苗盤滑臺與滑動軌道連接，步進電機通過絲杠將角位移轉化為線位移控制苗盤橫向運動；通過步進電機帶動鏈輪以及與鏈輪對應的鏈條繼而帶動苗盤縱向運動。取苗手由步進電機控制，步進電機轉動1圈帶動取苗手完成一個取苗動作。取苗手接近開關控制取苗結束信號，苗盤兩側的接近開關作為定位傳感器使用。取送苗裝置機構示意圖，如圖1所示。

1.鏈輪 2.滑臺絲杠 3.接近開關Ⅰ 4.步進電機Ⅰ 5.步進電機Ⅱ 6.苗盤架 7.苗盤 8接近開關Ⅱ 9.步進電機Ⅲ

3 控制系統的設計

3.1 控制系統設計方案

該控制系統的電氣控制模塊采用以自動為主、手動為輔的控制模式。自動模式可以使采摘系統具有快速響應和精度高的特點，但當作業環境復雜或者自動模式發生故障時，可以采用手動模式進行作業，從而保證機構能夠正常運行。本系統選用三菱公司FX3U-32MT/ES-A型號的PLC作為核心控制器，選用E6B2-CWZ1X歐姆龍旋轉式編碼器給PLC發送工作信號，使用接近開關提供苗盤橫向縱向移動信號，使用交直流步進電機驅動器控制兩相四線步進電機，外加按鈕、指示燈、報警器以及供電電源構成花絲采摘控制系統。系統采用GX-Works編寫程序， 可以實現在線修改，現場調試容易。

3.2 控制系統硬件設計

該控制系統硬件主要由PLC、旋轉式編碼器、接近開關、步進電機驅動器、步進電機、按鈕、指示燈、報警器和電源組成。紅花花絲采摘控制系統硬件框圖，如圖2所示。

圖2 控制系統硬件框圖

PLC控制器只能進行數字信號的采集和發送。PLC獲取信號時,開關量可以直接傳給PLC控制器,傳感器采集的信號需經過轉化才能傳給PLC[8]。選用PLC為核心控制器，旋轉式編碼器測量移栽機行走路程，接近開關提供苗盤移動信號，PLC通過步進電機驅動器控制3個步進電機協同工作，完成苗盤送苗、取苗手取苗等一系列動作。手動按鈕便于人工操作，指示燈顯示工作狀態，報警器提示故障報警，供電電源為系統供電。

該系統選擇FX3UPLC作為核心控制器。將輸出軸上的機械、幾何位移量轉換成數字信號或高速脈沖的旋轉編碼器提供取苗手工作信號，編碼器輸出的高速脈沖信號直接輸入至PLC輸入端，利用PLC的高速計數器對脈沖信號進行計數[9]。MT型FX3U系列PLC有3個高速脈沖輸出端口Y000、Y001、Y002，可同時輸出最高頻率為100kHz的脈沖,分別接3個步進電機驅動器的脈沖端，控制步進電機旋轉；Y004、Y004、Y006分別接3個步進電機驅動器的方向端，控制控制步進電機的方向[10]。PLC通過步進電機驅動器控制步進電機，完成苗盤的橫向縱向移動以及取苗手取苗。控制系統電路圖如圖3所示，PLC輸入輸出點的分配如表1所示。

圖3 控制系統電路圖

表1 PLC輸入/輸出點分配

續表1

3.3 控制系統軟件設計

該系統軟件主要由信號采集模塊和主控制模塊兩部分組成。接近開關和編碼器的信號輸出為控制系統提供動作信號，主控制器(PLC)根據信號采集模塊輸出的信號執行相應的程序，完成苗盤送苗，取苗手取苗等一系列動作。系統軟件流程框圖如圖4所示。

圖4 軟件流程框圖

在移栽開始后，編碼器發出工作信號，取苗手動作。取苗手插入基質時，取苗手接近開關變成高電平，一直持續到取苗手離開苗盤，此時苗盤靜止。當接近開關變成低電平時，取信號的下降沿為有效信號，苗盤向左橫向移動32mm，依次執行8個穴盤苗的取送；當苗盤左接近開關變為高電平時，即苗盤到達最左側，苗盤向下移動32mm，待完成第一個苗的夾取之后，苗盤按照相反方向運動，苗盤向右橫向移動32mm，依次執行8個穴盤苗的取送；當苗盤右接近開關變為高電平時，即苗盤到達最右側，苗盤向下移動32mm，此時完成一個循環。苗盤位移軌跡如圖5所示。如果苗盤未到最后一行，程序循環執行。當苗盤向下移動15次則代表僅剩一排穴盤苗待取，系統發出警報提示工作人員需要更換苗盤。其主控程序流程圖如圖6所示[7]。

圖5 苗盤位移軌跡圖

根據機構工作步驟及程序控制流程圖，使用GX-Works2進行程序編寫。為了在編程時避免混亂，程序檢測時易于發現出錯點，將程序分塊編寫，分別寫入 PLC 內進行監控調試；待各分塊程序達到預期效果后將各分塊程序組合在一起，寫入 PLC 內，在無硬件連接的情況下檢測程序是否可行；在確定程序可以運行以后，連接其他硬件，控制樣機空載運行并進行調試；在確保樣機能夠順利運轉后，在試驗臺對紅花花絲進行采摘[11]。

圖6 主控制程序流程圖

在編寫程序時，采用帶加減速的定量脈沖輸出指令DPLSR來控制步進電機協同工作。D1為指定的脈沖最高頻率，D2為總輸出脈沖數，K150為加減速時間。DPLSR指令的應用如圖7所示。

圖7 主控制程序流程圖

4 試驗驗證

4.1 試驗基本條件

試驗在石河子大學機械電氣工程學院實驗田進行，選取35天苗齡、128穴的“石番36號”番茄穴盤苗為試驗對象，平均株高181mm,基質含水率為31.5%。

4.2 測試指標及影響因素分析

通過試驗觀察苗盤與取苗手之間是否存在干涉，并統計不同速度下的送苗、株距距離變化及莖葉損傷數據，分析該系統下送苗精度、株距精度及莖葉損傷率，驗證該系統的可行性。通過對數據分析得出取苗失敗或者莖葉損傷的原因，改進系統控制模型，實現移栽機取苗送苗的精確控制。表2為控制系統運行試驗結果。

表2 控制系統運行試驗結果

由表2可知：送苗精度和株距精度平均達到93%以上，莖葉損傷率低于2%。分析影響送苗精度的原因主要有：①苗盤橫向運動由步進電機帶動絲杠控制，步進電機本身的性質決定了轉速不能過高。當轉速超過400r/min時扭矩快速下降，導致電機丟步，影響控制精度。②取苗針端點間距不穩定，間距過大時基質容易脫落，間距過小時基質易夾碎，從而導致投苗失敗。

5 結論

1)設計了取苗手和苗盤進給的控制方案，提高了取苗送苗精度；解決了傳統移栽機取苗和送苗之間的干涉問題，提高了取苗成功率；控制系統與拖拉機的速度相互配合，保證了移栽苗之間的株距的穩定。

2)該控制系統能夠在復雜多變的大田環境下進行作業，PLC工作性能穩定，控制方案合理，完成了全自動移栽機的取苗送苗的控制，促進了新疆特色農作物產業的發展。