基于三菱觸摸屏的整排穴盤苗輸送控制系統設計

王 寧,李江全,任 玲, 葉星晨

(石河子大學 機械與電氣工程學院,新疆 石河子 832000)

0 引言

穴盤育苗技術在農業生產中應用廣泛,育苗移栽可以提高幼苗質量,延長作物的生育期,能夠避開幼苗的冷凍、干燥時期,對氣候進行補償,減少作物生長時間以及增加其產量[1]。

目前,移栽作業主要以人工操作和半自動機械操作為主[2],勞動強度大,效率低[3]。國內研發的移栽機大多以半自動移栽機為主,如新疆農科院獨立研制的2ZT-2型移栽機、中國農業大學研制的2ZDF型半自動導苗管式移栽機、安徽滌州農機研究所研制的2ZY-2型油菜移栽機等[4]。總體來說,我國移栽機的自動化水平還處于起步階段。

沈陽農業大學田素博等人設計了一種基于PLC 的穴盤苗移栽機械手控制系統[5],由氣力驅動系統、夾持機構、控制系統及幼苗輸送裝置4個工作機構配合完成一系列連續動作。整個控制系統可以實現缽苗的單線往復移栽。

本文提出了一種整排穴盤苗輸送控制系統,苗盤固定,通過控制取苗機械手的橫向和縱向位移,有效地配合取苗動作,可以實現自動取送苗;配合接苗帶及換盤動作完成穴盤苗的輸送。同時,通過GT Designer3設計人機交互界面,實時監控系統運行,提高了自動化水平和工作效率。

1 總體方案設計

1.1 機械平臺結構與工作原理

整排穴盤苗取送苗裝置,由苗盤架、換苗盤氣缸、苗盤、整排取苗機械手、十字絲桿滑軌、平移步進電機、升降步進電機、插入氣缸、夾持氣缸、接苗帶、接苗帶步進電機和機架組成。使用SolidWorks建立了整排取送苗機構模型,機構示意圖如圖1所示。

1.接苗帶步進電機 2.接苗帶 3.苗盤架 4.十字絲桿滑軌 5.升降步進電機 6.平移步進電機 7.插入氣缸8.夾持氣缸 9.機架 10.換盤氣缸 11.整排機械手 12.苗盤 13.換盤推板

整排取送苗裝置中苗盤放置在苗盤架上,苗盤架下方有換盤氣缸與換盤推板相連;十字絲桿滑軌固定在機架上與平移步進電機和升降步進電機連接,整排取苗手機構固定于縱向滑臺上,可實現橫縱兩個方向的移動;整排取苗手左右兩側與插入氣缸連接,實現整排機械手的向下移動插入缽苗基質中,整排取苗手的上側與插入氣缸連接,實現整排機械手的張開閉合;接苗帶固定于機架上與接苗帶步進電機相連,電機轉動帶動苗帶轉動。機械手機構如圖2所示。

1.控制桿 2.機械手支撐架 3.夾苗驅動桿 4.連桿 5.長苗針

工作時,夾持氣缸伸出推動控制桿下移,帶動夾苗驅動桿下移,長苗針張開放苗;夾持氣缸收回,控制桿上移,帶動夾苗驅動桿上移,長苗針收縮夾苗。本裝置將苗盤固定在移栽機的適當位置,取送苗機械手通過橫向和縱向兩個方向的運動,準確地移動至苗盤上方取苗位置處,取苗完成后送至接苗帶,在接苗帶上方完成放苗,而后接苗帶轉動完成分苗;機械手的取放苗采取氣動控制,當機械手到達指定取放苗位后,由氣缸控制完成夾取,一整盤穴盤苗完成夾取后由氣缸將空苗盤推出取苗位置。

將初始位置定位于接苗帶上方,整排穴盤苗取送苗裝置工作過程如下:

1)平移電機正轉,取苗手運動至待取苗位置正上方;

2)升降電機正轉取苗手運動至取苗位置;

3)插入氣缸氣桿伸出,整排取苗機械手下移,同時夾持氣缸氣桿收回,機械手閉合,完成夾苗;

4)升降電機反轉整排取苗手離開取苗位置到達取苗位置上方;

5)平移電機反轉,取苗手運動至接苗帶位置正上方;

6)升降電機正轉整排取苗手到達放苗位置,對應取苗手末端部分進入相應的接苗帶柵格;

7)夾持氣缸氣桿伸出,同時插入氣缸氣桿收回,整排夾持機械手上移,機械手松開,產生振動,同時由于缽苗自重,下落進入接苗帶柵格;

8)接苗帶電機轉動將幼苗送入栽植器;

9)升降電機反轉,平移電機反轉整排取苗手到達初始位置,完成一次取苗,每次夾取16株缽苗,8次取完一整盤苗。取完整盤缽苗時,換苗氣缸伸出、收回將舊的苗盤推出取苗位置。主要工作流程圖如圖3所示。

圖3 工作流程圖

1.2 控制系統方案的設計

整排穴盤苗輸送控制系統工作時,苗盤固定到取苗位,通過兩臺步進電機控制一整排機械手縱向和橫向的運動,實現取苗位與放苗位之間的移動,并配合兩個氣缸完成夾苗和放苗的過程;將整排缽苗放到接苗帶,通過一臺步進電機控制接苗帶轉動,缽苗落入柵格后接苗帶轉動分苗,缽苗進入栽植器中;機械手每次改變橫向位移距離,一排一排取苗直到取完整盤缽苗;通過一個氣缸完成換盤,一整盤缽苗取苗完成后氣缸動作將空苗盤推出。

控制系統采用PLC作為核心控制器[6],三菱觸摸屏作為上位機。由觸摸屏控制整個系統,對控制器的輸入觸點進行操作控制,控制相應的程序動作,進而控制輸出點的動作,驅動對應的驅動器、控制閥動作進而帶動執行機構動作;控制器將運行數據返回到觸摸屏進行顯示,實時監測系統運行狀況。

定位傳感器進行初始定位,到達位置后將信號傳遞給控制器,控制器發出信號使得電機停止轉動,到達既定的初始位置。控制方案框圖如圖4所示。

圖4 控制方案框圖

2 控制系統硬件設計

2.1 控制系統硬件構成

整個硬件系統選擇合適型號的觸摸屏、控制器、傳感器、步進電機、步進電機驅動器、中間繼電器、氣缸、氣動控制換向閥和電源作為該控制系統的硬件,控制系統通過兩個步進電機控制機械手的橫縱向移動,完成取苗位和放苗位之間的往復運動;兩個氣缸完成夾取苗,一個電機控制接苗帶的轉動,一個氣缸控制換苗盤。

機械手的二軸運動采用滾珠絲桿滑軌實現,選取兩個滾軸絲桿滑軌,一臺安裝在另一臺的滑臺上形成十字結構控制X、Y軸的運動。步進電機通過聯軸器連接絲桿,利用步進電機轉動帶動滾珠絲桿轉動驅動滑臺直線移動。PLC通過步進電機驅動器控制步進電機,驅動器上接受來自PLC脈沖信號和方向信號,控制步進電機向設定的方向旋轉,旋轉角度由脈沖數決定[7]。采用改變脈沖頻率來控制電機速度,進而控制機械手的移動速度;適當的脈沖設定,就可以控制電機的旋轉角度實現控制機械手的精確定位。

PLC程序作用控制器輸出端,輸出端控制中間繼電器的動作,間接控制氣動控制換向閥使得氣缸伸縮。

2.2 控制系統硬件選型及接線

選取FX3U-32MT系列三菱PLC,內置16輸入、16輸出(晶體管漏型)端子,由于系統需要控制3個步進電機,所以采用FX3U系列PLC。其內置獨立3軸100kHz定位功能,可以三端子Y000、Y001、Y002輸出高速脈沖,最高頻率可達到100kHz,進而控制3個電機。

選取型號為G1605的絲桿,有效行程500mm,直徑16mm,導程5mm。選取型號為G1610的絲桿,有效行程900mm,直徑16mm,導程10mm。

必要的電機力矩=負載力矩+加/減速力矩。縱軸行程500mm負載力矩估算:行程≤500mm,選導程為5mm,效率為85%,減速比假設為1。

TL=mPB/2πη×1/i=0.07N·m

(1)

式中m—軸方向負載質量(kg);

PB—滾珠絲杠導程(cm);

η—機械效率;

i—減速比。

上述結果都是水平方向負載力矩的計算結果,垂直方向的負載力矩應該是此結果的2倍。電機的總負載應包括加/減速力矩和負載力矩,但計算中很難得到準確的負載慣性慣量,無法計算加/減速力矩。在實際計算負載力矩的時候,特別是自啟動或需要迅速加/減速的情況,應在此基礎上再乘以一個安全系數(1.2～2)[8-9]。

縱軸負載力矩估算值為

T=TL×2(垂直方向的負載系數)×2(安全系數)=
0.28 N·m

(2)

同理,由式(1)、式(2)得出橫軸行程900mm,行程>500mm,選導程為10mm,效率為85%,減速比假設為1,負載力矩估計值為0.92N·m。選取型號為5718HB2401的兩臺步進電機,兩相四線,額定電流3.5A,保持扭矩1.3N·m;步距角度1.8°。

接苗帶負載力矩估算:接苗帶旋轉直徑10cm,效率為85%,減速比假設為1。

TL=D/2×m×1/η×1/i=2.752 N·m

(3)

式中D—傳送帶旋轉直徑(cm);

m—傳送帶上質量(kg);

η—機械效率;

i—減速比。

選取一臺型號為5718HB5401的步進電機,兩相四線,轉額定電流4.4A,保持扭矩3.1 N·m,步距角度1.8°。

選取3個57步進電機驅動器MA860H,主要參數:電流范圍1.0～6.0A,工作電壓DC24～80V,最大步數為51 200步/轉。

苗盤深度為42mm,插入氣缸動作行程選取30mm,不會損傷幼苗根部。機械手夾取采用拉縮機械手閉合的方式,下沉距離大約50mm。換苗盤氣缸,將舊苗盤推出,動作行程為苗盤寬度280mm。

選取一個型號為SC2030SNLB的氣缸,作為插入氣缸,缸徑20mm,活塞桿直徑8mm,氣缸行程30mm,選取型號SC2050SNLB的氣缸,作為夾持氣缸,缸徑20mm,活塞桿直徑8mm,氣缸行程50mm,選取型號SC32300SNLB的氣缸,作為換盤氣缸,缸徑32mm,活塞桿直徑12mm,氣缸行程300mm。

選取3個氣缸電磁換向閥,二位五通閥控制氣缸的動作,型號為ABEST4V210-08。

選取兩個型號為LJ18A3-8-Z/BX的電感式接近傳感器(又稱接近開關)。NPN三線直流常開式一般用于三菱PLC,檢測距離為8mm[10]。

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閥,故需要在增加中間繼電器來控制電磁閥[11]。選取3個型號為RXM4LB2BD的中間繼電器。

本設計中選取三菱PLC控制,在選擇人機界面時要選擇與之配套的人機界面。選取三菱GOT SIMPLE系列人機界面型號為GS2107-WTBD的simple系列觸摸屏,機型簡潔且功能強大,高信賴性卻操作簡便。

依據上述所選硬件,分配PLC的I/O端口。本設計采用兩種控制模式,手動模式和自動模式,兩種模式均有觸摸屏進行控制,配置很多的虛擬輸入端口,所以選擇的PLC輸入端口較少是沒有關系的。I/O分配也在兩種模式下,其具體分配如表1、表2所示。

表1 手動模式下PLC的I/O分配

表2 自動模式下PLC的I/O分配

依據上述所選硬件及I/O分配表,繪制如圖5所示的硬件接線圖。

圖5 硬件接線圖

3 控制系統軟件設計

3.1 控制系統PLC程序的設計

控制程序主要采用三菱GX Works2開發工具對PLC進行程序編寫,編程語言選擇SFC步進梯形圖。GX Works2中集成了程序仿真軟件GX Simulator2,可以對梯形圖進行仿真。利用三菱觸摸屏軟件GT Designer 3設計觸摸屏界面可以方便在仿真時直觀地觀察相關數據以及運行狀態,軟件結構如圖6所示。

圖6 軟件結構圖

控制程序為兩種模式運行,分別為手動模式和自動模式。手動模式中可以對單個電機、氣缸進行控制動作。自動模式中完成一次夾取苗過程的連續動作,模式中可進行運行方式的選擇,即分排取苗和全自動運行:分排取苗可以指定取第幾排的苗,取苗完成后自動停止;全自動運行,即機械手從第1排開始一直取到最后一排,換苗盤后繼續從第1排開始一直取到最后一排,一直循環完成。

3.2 觸屏控制界面的設計

設計實現的功能較多、輸入較多,因而選取觸屏界面建立虛擬輸入端子完成對多輸入的控制。梯形圖程序較復雜且步數過多時,仿真結果不容易兼顧,很不直觀。所以,應用GT Designer 3設計觸摸屏界面控制檢測程序的動作更直觀、更方便。

控制程序為兩種模式運行,分別為手動模式和自動模式,所以界面也有兩組界面。手動界面可對單個控制器件進行控制動作,指示燈可以對對應的工作方式進行監視;自動界面主要對整個動作過程的控制,從取苗、送苗到接苗帶分苗,可以對一排取苗,也可以對整盤取苗,整盤取苗完成后可以換盤。自動界面可以對取苗過程及電機的動作進行監視,界面設計如圖7、圖8所示。

圖7 觸屏界面設計圖一

圖8 觸屏界面設計圖二

4 整排穴盤苗輸送控制試驗

4.1 觸摸屏界面及軟件的通信

觸摸屏界面可以控制程序,需要對控制程序梯形圖中的輸入、輸出點與觸摸屏界面對應的圖形進行連接,完成觸屏與程序的匹配。具體對應關系如表3、表4所示。

表3 手動模式觸摸屏圖形與梯形圖的對應關系

表4 自動模式觸摸屏圖形與梯形圖的對應關系表

利用GX Works2與GT Designer3的通訊實現聯合仿真,在連接好界面之后,在菜單欄點擊工具→模擬器→設置。將通訊設置欄設置為:連接方法選擇GX Simulator2,并設置為連接到啟動完畢的GX Simulator 2(1臺),其他均為默認值;動作設置和環境設置兩個選項卡均為默認選項,完成上述設置相當于實現了兩個軟件的連接。

4.2 軟件聯合仿真實驗

聯合仿真時先使GX Works2的程序進入模擬開始狀態,后使GT Designer3也進入模擬開始后就可以實現兩款軟件的聯合仿真。

手動模式下,控制觸屏界面按鈕,觸碰對應的電機氣缸動作按鈕,相應的程序梯形圖輸出端子動作,觸屏界面上對應的指示燈亮或者滅;自動模式下,控制觸摸屏界面按鈕,按啟動按鈕,選取全自動運行,對應的程序梯形圖運行,界面顯示電機的運行狀態和脈沖數,顯示現在的工作狀態,可以得到如圖9所示效果圖。

圖9 自動模式下聯合仿真效果圖

由圖9可以看出:全自動方式下正在取第4排苗,前3排取苗都已結束,此刻升降電機正轉輸出14 400個脈沖,也就是在在第4排取苗位上方升降電機開始下降,下降完成后,氣缸動作開始夾取苗。

4.3 模擬實物試驗

連接硬件,搭建模擬實驗平臺,主要器件如表5所示。按照圖10所示硬件接線圖接線,將圖中的氣缸換成LED燈進行模擬實物試驗,完成接線。

表5 主要實驗器材

圖10 實物接線圖

利用USB通訊線將PC與PLC連接,將編寫的程序寫入PLC中;利用USB通訊線將PC與觸摸屏連接,將設計好的界面寫入觸摸屏中。利用RS422串口通訊線連接PLC與觸摸屏,就可以通過控制觸摸屏來完成整個模擬實物實驗。

實驗中利用觸摸屏手動模式界面對單個器件操作,電機均能實現正反轉,LED燈均亮,觸摸屏對應的指示燈均可以正確指示,完成對器件的測試。

利用觸摸屏自動模式界面對取苗過程進行操作,按下啟動按鈕,選擇分排取苗,選擇第一排取苗,觀察到試驗現象:平移電機正轉19 960脈沖,4s后升降電機正轉14 400脈沖,3s后1號LED燈亮(插入氣缸伸出),1s后2號LED燈滅(夾持氣缸收回);1s后升降電機反轉4 000脈沖,1s后平移電機反轉19 960脈沖,4s后升降電機正轉4 000脈沖,1s后1號LED燈滅(插入氣缸收回);1s后升降電機反轉14 400脈沖,同時2號LED燈亮(夾持氣缸伸出),0.5s后接苗帶電機正轉1 220脈沖后,所有器件停止工作,等待下一次操作。

試驗中所有器件可以按照設定的控制過程動作,驗證了程序的可行性及人機界面通訊控制的可行性。觸摸屏可以準確顯示電機的參數及取送苗過程的運行狀態,驗證了界面對控制過程監視的準確性,實現了PLC與觸摸屏的通信監控。

5 結論與展望

通過對整排穴盤苗輸送控制系統的分析,設計了可以利用人機界面操作的控制系統,實現了利用觸摸屏對整個移栽過程的控制和整個工作狀態的監測。進行軟件聯合仿真試驗和模擬試物,實驗驗證了整個控制系統的可行性,實現了PLC與觸摸屏的通信與監控。主要問題是機械手運動過程存在定位誤差,造成取苗、放苗位置不準確。由于絲桿滑臺之間的機械摩擦及電機轉動產生的誤差等,造成漏脈沖、多脈沖的情況,導致機械手移動距離有一些差異,造成機械手位移不準確,無法精準定位。因此,后續可以不斷進行試驗,發現問題,不斷優化控制系統,提高控制系統的可靠性。