全自動穴盤苗移栽機電氣控制系統設計

張 勇,張開興,劉賢喜

(1.山東農業大學 機械與電子工程學院,山東 泰安 271018;2.山東工商學院 信息與電子工程學院,山東 煙臺 264005)

0 引言

當前我國設施蔬菜生產中,穴盤育苗移栽是主要種植方式,隨著種植量的增加、勞動力的減少和勞動力成本的提高,正在越來越多地采用機械移栽。但現有的移栽機械仍以人工取苗、喂苗的半自動移栽機為主,存在著勞動強度大、移栽效率低及失誤率高的問題[1-3]。因此,全自動移栽機已成為相關行業的研究熱點和重點。本文針對目前移栽機的研究現狀,研制了一款全自動穴盤苗移栽機,設計了基于PLC的自動控制系統。該系統通過位置傳感器檢測移栽機各部件的位置狀態,采用S曲線控制算法控制電機的啟停運動,實現了全自動移栽機送苗、取苗及投苗等機構的自動協調運行[3-5]。

1 全自動穴盤苗移栽機工作原理

全自動穴盤苗移栽機主要實現送苗、取苗和投苗機構的控制,整機結構如圖1所示。

工作時,操作人員將苗盤架上的穴苗盤取下,放在送苗機構傳輸帶上,輸送帶上可放置3個苗盤,取苗機構抓取最右側苗盤中的幼苗,最左邊和中間放置新苗盤,送苗機構將苗盤輸送到合適位置[6-7];伺服電機正反轉帶動取苗機構往復移動抓取幼苗,取苗機構中6個取苗手同時工作以提高取苗效率;由于苗穴間距較小,采取間隔取苗的方式,先取奇數列的苗,依次抓取第1到第6行的幼苗,然后輸送帶移動一列的距離,取苗機構抓取偶數列的苗;抓取完畢,輸送帶快速移動,帶來一個新的苗盤,空苗盤自動落到右側苗盤收集箱中;在伺服電機的帶動下取苗機構帶著抓取的幼苗,運動到橫向投苗機構上方,取苗手松開將幼苗投入到橫向投苗機構[8],橫向投苗機構運動到將幼苗投入五桿栽植機構中,五桿栽植機構將幼苗栽入大田[9]。

1.傳動機構 2.送苗機構 3.苗盤架 4.取苗機構 5.橫向投苗機構

2 電氣控制系統設計

2.1 控制系統硬件設計

電氣控制系統原理如圖2所示。控制器選用西門子S7-1214C,是一款小型整體型PLC,包含14個晶體管輸入點和10個晶體管輸出點,包括3個80kHz正交高速脈沖輸入端和4個100kHz高速脈沖輸出端,具有優秀的運動控制功能;控制器另擴展了一臺SM-1222,含有16個繼電器輸出點,以滿足系統控制要求,并為后期控制移栽機投放苗裝置預留一定的輸入輸出點。選用MCGS TPC7062TI型工業觸摸屏,通過以太網接口和PLC通訊,性能穩定,性價比高,用于設置系統運行參數和顯示其運行狀態[10]。

苗盤輸送帶采用步科HBS860H型兩相混合式步進電機套裝,步進電機保持轉矩為8.5N·m,步距角為1.8°,精度為±5%,電機驅動器采用32位DSP,最高256細分,強制風冷散熱,電機運行可靠、精度高、成本低。旋轉編碼器采用歐姆龍E6B2-CWZ6C型1000線編碼器,用于測量步進電機的實際運行距離,實現步進電機的閉環控制。取苗機構采用臺達ASDA-B2 400W伺服電機及其驅動器,內部包含17位增量型編碼器,定位精度高,具有建位置、速度、扭力3種工作模式,提供3組共振抑制濾波器,可針對機構運行自動調整到優化。伺服電機配合Planetary Gearbox PGA60-3-S2型減速器使用,以獲得較大扭矩,減速比為3。 位置開關飛凌HA12-8NA型霍爾開關,采用非接觸方式工作,只反映磁性器件的接近情況,可提高裝置的抗干擾能力性能,性能穩定,可靠性強。

圖2 電氣控制系統圖

2.2 電機控制參數設定

2.2.1 步進電機運行頻率

相鄰兩株幼苗間的移栽時間間隔為

(1)

式中L1—株距(m);

v—作業行駛速度(km/h)。

根據移栽機的設計指標,代入最短株距0.3m和最快速度1.5km/h,計算可得相鄰兩株幼苗間的移栽最短時間間隔tmin=0.72s。

移栽機采用兩壟工作制,6個移盤手同時工作,工作過程中苗盤輸送帶移動的最遠距離發生在移動新苗盤到指定位置時,此時苗盤移動距離為最遠移動距離570mm,運行時間為使用tmin,苗盤運行速度v1為

(2)

式中L—苗盤運行距離(mm);

t—移栽時間間隔(s);

ty—時間裕度(s),考慮取苗手取苗時間及步進電機加減速時間,取0.5s。

步進電機運行轉速根據式(3)計算可得n1=68r/min,步進電機運行速度不小于68r/min時,可以滿足移栽機的設計要求。

(3)

式中D1—傳送帶鏈輪軸承直徑(mm),取D1=96.5。

步進電機運行控制頻率為

(4)

式中n—步進電機運行轉速;

3200—步進電機旋轉1圈PLC發出的脈沖數。

根據式(5),新苗盤移動到指定位置時,PLC需要發送6 213個脈沖;苗盤移動一列的距離,PLC需要發送445個脈沖。

(5)

式中θ0—步進電機最小步進角(°),取θ0=0.112 5°。

2.2.2 伺服電機運行頻率

取苗機構最遠運行距離為取第五行番茄苗送到喂苗機構并返回到第六行,其運行距離為530mm,運行時間為代入最短移栽間隔tmin。根據試驗取苗手取苗時間和投苗時間分別為0.5s和0.3s,再考慮一定的時間裕度ty=0.3s,取苗機構運行速度為

(6)

直線模組同步帶輪直徑D2=95mm,傳動軸轉速為

(7)

伺服電機運行控制頻率為

(8)

其中,9 600為傳動軸旋轉1圈PLC發出的脈沖數。

取苗機構移動時PLC發出的脈沖數為

(9)

式中θ2—伺服電機步距角(°),取θ2=0.037 5°。

2.2.3 步進電機細分數

步進電機的細分技術可以減弱或消除步進電機的低頻振動,并可提高電機的運轉精度。細分是驅動器通過精確控制電機的相電流實現的,與電機無關,細分數越大精度越難控制。在電機實際使用時,如果在對轉速要求較高,對精度和平穩性要求不高的場合,不必選高細分;如果對精度和平穩性要求較高,轉速較低的,應選大細分,確保平滑,減少振動和噪聲[11]。

根據所選步進電機轉速扭矩性能曲線,所選步進電機最佳轉速在600r/min以內,送苗機構步進電機最低轉速經計算為68r/min,本文步進電機屬于低轉速應用,綜合考慮現場干擾等問題,系統選用16細分,即發一個脈沖電機走θ0=1.8°/32=0.112 5°,步進電機轉動1圈PLC需發3 200個脈沖。

2.2.4 伺服電機電子齒輪比

為了匹配伺服電機自帶編碼器的分辨率,實現取苗機構的精確位置控制,需設定伺服電機電子齒輪比。伺服電機和步進電機采用相同的控制算法,為保證合適的加減速時間,考慮減速機的減速比為3,設定傳動軸轉動1圈PLC發送9 600個脈沖。臺達ASDA-B2自帶增量式編碼器,分辨率為P=160Kp/r,根據式(10)計算可到CMX=50,CDV=3。

(10)

2.3 電機定位控制算法

步進電機和伺服電機是移苗機構和取苗機構的核心器件,其運行精度直接決定全自動移栽機的性能。步進電機的工作原理是把脈沖信號轉換為角位移,具有控制方便、精度高的特點,但存在著啟動、停止階段出現失步甚至堵轉的現象。伺服電機自帶高精度編碼器是一個閉環系統,運行精度很高,但也要求啟動、停止階段的沖擊不能過大。因此,通過設計合理的電機啟?？刂扑惴梢蕴岣唠姍C定位精度[12]。

當前常用的電機啟?？刂扑惴ㄓ刑菪吻€、指數曲線和S型曲線算法。S型曲線算法具有連續控制的特點,電機的速度和加速度都沒有突變,常常應用于精確控制中,本文采用S型曲線的啟動/停止控制算法對電機進行控制。

S型曲線啟動階段公式為

hi=hstart+(hset-hstart)/(1+e-k(i-num)/num)

(11)

式中hi—電機當前控制頻率(Hz);

hstart—啟動頻率(Hz);

hset—運行設定頻率(Hz);

k—曲線系數;

num—啟動階段脈沖數。

以步進電機為例,hset根據本文步進電機運行頻率計算,取為3 267Hz,hstart設定為0 Hz。k決定S曲線中間區域加速度大小,k越大加速度越大,越小越接近勻加速,取值范圍一般在3～7之間,這里先設定為5。為使啟動階段對稱,num大小為啟動階段總脈沖數的一半,啟動階段總脈沖數設定為1 200,num為600。

啟動階段過程中,步進電機控制頻率由啟動頻率逐漸增加到運行設定頻率,且以曲線中心對稱分布;頻率加速度是從零到最大值,再從最大值到零的一個過程。該變化過程使得電機的加減速是一個緩慢的漸進變化過程,大大減少了電機啟動/停止階段的沖擊問題,提高了電機的位置控制精度。啟動階段電機頻率對稱分布,其平均值為hstart+(hset-hstart)/2=4 600Hz,乘以啟動脈沖數,啟動階段耗時約為0.26s。

電機停止階段過程和啟動階段是對稱的,S曲線停止階段公式為

hi=hstart-(hset-hstart)/(1+e-k(i-num)/num)

(12)

公式參數、停止階段運行原理和運行參數都與啟動階段相同。

2.4 控制系統軟件設計

控制系統軟件流程如圖3所示。

圖3 控制系統軟件流程

上電后控制系統進行一次初始復位操作,使各機構處于初始工作位置,移栽機左右兩側投苗機構上各安裝了一個傳感器,每移栽一株缽苗傳感器開關閉合一次,移栽計數器的計數值加1,移栽機以移栽計數器的計數值為運行基準,移栽計數值的初始值為6,工作人員把苗盤安放在苗盤輸送帶上,按下啟動按鈕,系統開始運行。

系統啟動之后,開始執行缽苗投放和抓取操作;取苗機構依次從苗盤的第一行到第六行抓取缽苗,其運行距離根據取苗行計數值計算;送苗機構在抓取一個苗盤的缽苗的過程中需運行兩次,一次是輸送一個新苗盤的取苗位置,運行距離較長;一次是輸送苗盤向前運行一個穴孔寬度的距離,運行距離較短,其運行距離的長短根據取苗行計數值控制。

3 移栽試驗

3.1 試驗條件

試驗在山東農業大學試驗站進行,本移栽機適用于番茄、辣椒、生菜等蔬菜的育苗移栽。試驗采用120～150mm高的油菜苗,采用6×12孔穴盤,土缽含水率65%左右;機器前進速度保持在1.2km/h左右,株距為300mm。移栽機樣機如圖4(a)所示,樣機田間試驗如圖4(b)所示。

(a) 全自動移栽機樣機

(b) 移栽試驗

3.2 試驗結果

主要試驗測定指標為

(13)

式中α—苗成功率;

β—投苗成功率;

η—總移栽成功率;

N—總移栽數;

N1—苗機構取苗成功數;

N2—投苗成功數。

移栽試驗過程中,全自動移栽機在控制系統的控制下,送苗機構和取苗機構能準確運動到指定位置,實現苗盤移動和幼苗抓取,移栽機各組成機構運行協調一致,移栽機運行平穩。試驗結果如表1所示。

表1 移栽試驗結果

投苗成功率接近100%,取苗成功率約96%。影響取苗成功率的一個因素是幼苗土缽的緊實度, 幼苗土缽緊實度很差,會造成取苗手夾持幼苗時夾斜、掉落等現象;取苗手的夾持角度偏小,夾持力度偏大,也是造成取苗失敗的一個主要因素。

4 結論

設計的基于西門子1200的全自動穴盤苗移栽電氣控制系統,功能完善,所選步進電機和伺服電機能驅動送苗機構和投苗機構的可靠運行,基于S曲線的電機控制算法能夠達到系統的定位精度要求。根據移栽機的設計要求進行了移栽試驗,結果表明:全自動移栽機在控制系統的控制下,各組成機構運行協調一致,移栽機工作穩定,移栽成功率達到95.8%,大大提高了移栽效率。通過實驗也發現,仍需改進取苗手的夾持角度和力度,繼續優化取苗手的抓取性能。