基于PLC的移栽機整排取送苗控制系統的設計

崔財豪，曹衛彬，李樹峰，劉嬌娣，馬 銳，楊 萌，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，屬北部高緯度范圍，晝夜溫差大，光照充足。由于降雨量小，農作物主要以灌溉為主，可控因素有利于調節植株長勢、提高單位面積產量、改善產品質量，適合加工番茄、線辣椒等農作物的生長[1]。目前，新疆已成為全國最大的棉花、番茄、甜菜及紅花等經濟作物生產基地。其中，番茄生產能力居世界第三，其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]。

目前，移栽機取送苗多為單個機械手取苗，由于移栽機取苗速度直接影響到移栽機整體的工作效率，故整排取苗式方案被提出并研究。2011年，北京農業機械研究所張曉文等研制出穴盤苗智能化移栽機，各個機構相互獨立，協同配合工作[4]。2013年，中國農業機械化科學研究院楊傳華等設計了一種基于PLC的蔬菜缽苗移栽機自動輸送裝置，提高了投苗的準確率[5]。2014年，石河子大學顧文俊計了一種整排夾持式自動取苗機構控制系統，取苗機構從穴盤中成排地夾取秧苗，送入傳送機構將秧苗喂入栽植器，速度較快，工作效率高[6]。國內高校和科研機構對整排取苗式移栽機取送苗系統的研究依然處于實驗室階段。由于整排取苗式方案與單個機械手取苗相比有更高的工作效率，故提出整排取苗式方案，實現整排取苗和整排送苗，提高移栽機的工作效率。

1 總體設計

1.1 機構方案設計

整排取苗式穴盤苗移栽機取送苗裝置，由苗盤步進電機、苗盤架、苗盤、整排取苗手、夾苗氣缸、取苗氣缸、懸臂、送苗旋轉氣缸、機架和傳送帶組成。使用SolidWorks建立了整排取送苗機構模型，如圖1所示[7]。

1.苗盤步進電機 2.苗盤架 3.苗盤 4.整排取苗手 5.夾苗氣缸 6.取苗氣缸 7.懸臂 8.送苗旋轉氣缸 9.機架 10.傳送帶

該整排取送苗模型中，苗盤放置在苗盤架上，苗盤步進電機與苗盤架相連，控制穴盤苗成排進給；兩個夾苗氣缸位于整排取苗手的頂端，共同完成整排穴盤苗的夾持；整排取苗手固定在兩個取苗氣缸中間，取苗氣缸控制整排取苗手將穴盤苗從苗盤里整排取出，取苗氣缸和夾苗氣缸共同作用完成穴盤苗的整排夾取；送苗氣缸旋轉90°，將整排穴盤苗從苗盤位置送至輸送帶上方，之后取苗氣缸和夾苗氣缸動作將穴盤苗放置在輸送帶上。取送苗機構置于機架的頂端，苗盤架置于機架下方，輸送帶和苗盤架并排放置，且待取的苗盤首行(苗盤架前端第1行)與輸送帶相互垂直。

整排取苗式穴盤苗移栽機取送苗裝置工作過程如下：苗盤在苗盤步進電機作用下依次進給1排穴盤苗，整排取苗手在取苗氣缸的作用下下降至取苗位置，夾苗氣缸控制整排取苗手完成穴盤苗的夾持，隨后上升，由送苗旋轉氣缸帶動整排取苗手旋轉至輸送帶位置，下降并將整排穴盤苗放置在輸送帶上。

1.2 控制系統方案的設計

該控制系統由上位機監測系統、運動控制模塊、驅動模塊、執行模塊和傳感器模塊組成。其中，上位機監控系統通過與現場數據的實時交換對系統進行實時監控；運動控制模塊使用三菱PLC作為核心控制器，通過發送控制命令實現對執行部件的控制；驅動模塊包括電機驅動和氣缸驅動，分別為各執行部件提供動力；執行模塊是為了完成作業要求，實現各種運動的機械部件，包含步進電機和氣缸；傳感器模塊采集執行機構的位置信息反饋給控制器。各模塊協調工作，共同完成整排穴盤苗的進給、取苗和送苗，控制方案框圖如圖2所示。

圖2 控制方案框圖Fig.2 Control Scheme block diagram

2 控制系統硬件設計

整排穴盤苗的抓取通過整排機械手來完成，整排取苗手的動作通過固定在整排取苗手頂端的夾苗氣缸和取苗氣缸來實現。整排穴盤苗的進給通過苗盤步進電機和鏈輪來實現，穴盤苗傳送通過旋轉氣缸來實現。

整排穴盤苗的取送分別通過氣缸的伸縮來實現，PLC執行相應程序來控制氣缸的伸縮完成穴盤苗的夾取。磁性開關為電磁閥提供信號，當氣缸走到指定位置時，磁性開關給PLC發出信號，PLC通過程序控制電磁閥關閉，氣缸停止運動。氣源為氣缸的動作提供動力，AC220V電源為PLC供電，DC24V電源為驅動器、電磁閥、接近開關和磁性開關供電。氣缸控制硬件框圖如圖3所示。

圖3 控制系統硬件框圖Fig.3 Control system hardware block diagram

整排取苗手對穴盤苗的夾持和取送均由氣缸動作來完成。氣動驅動系統由空氣壓縮機、儲氣罐、空氣過濾器、減壓閥、油霧器、二位五通電磁換向閥、節流閥、取苗手驅動氣缸及苗盤更換驅動氣缸等組成。空氣壓縮機壓縮空氣為氣動系統的正常工作提供足夠流量和壓力的壓縮空氣；儲氣罐儲存氣體，同時起穩定系統壓力的作用；空氣過濾器、減壓閥和油霧器組成的啟動三聯件對壓縮的空氣進行處理。各驅動氣缸均由二位五通電磁換向閥控制，并分別由節流閥調節速度，完成穴盤苗的整排夾持和整張苗盤的更換。氣壓驅動原理圖如圖4所示。

整排穴盤苗的整排進給PLC控制步進電機來實現。PLC通過步進電機驅動器控制兩相步進電機動作，依次進給單個苗格的距離(即32mm)，實現穴盤苗的整排進給，電機驅動原理如圖5所示。

圖4 氣動驅動系統圖Fig.4 Diagram of pneumatic control system

圖5 電機驅動原理圖Fig.5 Schematic diagram of motor driving

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。自動模式可以使控制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。

選用三菱公司MT型FX3UPLC作為核心控制器， 其有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；Y003、Y004、Y005分別接3個步進電機驅動器的方向端，控制步進電機的方向[8]。PLC通過步進電機驅動器控制步進電機動作，完成穴盤苗的整排進給。由于MT型PLC采用的是晶體管輸出，其輸出端的電壓值為24V，輸出電流的最大值為0.5A，因此不能直接用該輸出端口驅動控制氣缸的電磁閾，故需要再增加中間繼電器來控制電磁閾[9]。PLC通過電磁閥控制氣缸的伸縮，控制整排取苗手完成穴盤苗的抓取和傳送，當氣缸內部的活塞桿伸縮至指定位置時，氣缸上的傳感器把信號傳給PLC，PLC通過程序控制電磁閥關掉，氣缸停止運動。PLC輸入/輸出點的分配如表1所示。

表1 PLC輸入點分配Table 1 Input distribution of PLC

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,信號采集模塊將信號送至PLC,PLC執行相應的程序，通過控制步進電機和氣缸協同工作，完成穴盤苗的整排進給、整排穴盤苗的取送等一系列動作，程序流程圖如圖5所示。

程序開始執行時,檢測苗盤是否到位整排機械手是否位于初始位置。如果整排機械手位于指定位置，則取苗氣缸活塞桿伸出，取苗氣缸頂部磁性開關變為高電平時停止，此時整排取苗手位于至苗盤上方；接著氣缸動作完成穴盤苗的夾取，穴盤苗夾取之后取苗氣缸活塞桿縮回，取苗氣缸尾部磁性開關變為高電平時停止，同時送苗旋轉氣缸順時針旋轉90°，當旋轉氣缸右側磁性開關為高電平時停止；整排取苗手位于傳送帶正上方；隨后則取苗氣缸活塞桿伸出，取苗氣缸頂部磁性開關變為高電平時停止,此時整排取苗手位于至輸送帶上方，氣缸動作將穴盤苗放置在輸送帶上；穴盤苗放置在輸送上之后，取苗氣缸活塞桿縮回，取苗氣缸頂部磁性開關變為高電平時停止；同時旋轉氣缸逆時針旋轉90°，當旋轉氣缸左側磁性開關變為高電平時停止，整排取苗手位于初始位置。此時，程序檢測苗盤里是否還有待取穴盤苗，若苗盤里依然有穴盤苗，則循環執行程序直至穴盤苗取送完畢；若穴盤苗已經取送完畢，則程序結束。程序流程圖如圖6所示。

圖6 主控制程序流程圖Fig.6 The flow chart of master control program

根據機構工作步驟及程序控制流程圖，使用GX-Works2編寫程序。為了在編程時避免混亂，在程序檢測易于發現出錯點，編程時將程序分塊編寫，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[10]。

4 實驗條件及因素分析

4.1 實驗基本條件

該臺架實驗在石河子大學機械電氣工程學院精細農業實驗室進行，以128穴的“石番36號”番茄穴盤苗為實驗對象，對穴盤苗進行整排取送，驗證該控制系統的可行性。

4.2 測試指標及影響因素分析

對該實驗臺架的工作參數進行測定，通過送苗絲桿滑臺的行程確定整排取苗手、苗盤輸送機構及輸送帶的相對位置；通過取苗氣缸的行程、整排取苗手和苗盤架的高度確定實驗臺架的整體高度，進而確定臺架尺寸；通過對穴盤苗的株高、含水率進行測量確定被試穴盤苗的基本參數；通過臺架尺寸和穴盤苗的基本參數對程序的各參數進行調整，使其滿足穴盤苗的整排取送需要。重點考察夾苗氣缸的壓力、取苗氣缸和送苗旋轉氣缸的電磁閥流量等因素對綜合傷苗率和取苗成功率的影響。各指標計算公式為

CSR=GDR+SDR

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，CSR為綜合傷苗率(%)；GDR為基質破損率(%)；SDR為幼苗損傷率(%)；SPR為取苗成功率(%)；WSD為基質破損和殘留質量(g)；WES為穴苗取出質量(g)；NS為取苗總數；NDR為穴苗損傷數量；NPR為穴苗取出數量[11-12]。

5 工藝路線

根據要求安裝實驗臺架，通過設定程序參數確定取苗氣缸的壓力、取苗步進電機和送苗步進電機的速度后開始實驗。首先對取苗氣缸的壓力進行單因素實驗，考察氣缸壓力的大小對穴盤苗夾持的成功率及基質損傷的影響，選擇合適的氣缸壓力；然后進行多因素實驗，考察夾苗氣缸壓力、取苗氣缸和送苗旋轉氣缸的電磁閥流量的影響，選擇合適的取送頻率。

為了考察不同頻率下該控制系統的綜合性能，選取綜合傷苗率和取苗成功率作為試驗評價指標，設定取送苗頻率進行實驗，分別統計各單次實驗的取送苗總數、取苗成功率、穴苗取出質量、基質破損和殘留質量、穴苗損傷數量，經處理得到取苗成功率、送苗成功率、基質破損率、幼苗損傷率及綜合傷苗率；通過數據分析得出取送苗失敗或者莖葉/基質損傷的原因，改進系統控制模型，實現整排取送苗的控制，進而確定該臺架的最佳取送頻率。

6 結論

1)設計了穴盤苗移栽機整排取送苗機構方案，基于此設計了一種整排取送苗控制系統，提高了穴盤苗移栽機的取送苗速度及移栽機整體的工作效率。

2)該控制方案完成了穴盤苗移栽機整排穴盤苗的取送，系統工作性能穩定，實驗效果良好，有助于新疆特色農作物產業的發展。