基于PLC的全自動移栽機取苗喂苗控制系統設計*

伍龍，劉念聰，王艷華，夏華政，張雨，黃浩

(成都理工大學核技術與自動化工程學院，成都市，610051)

0 引言

蔬菜穴盤苗移栽技術因具有提高移栽效率、節省人力等優勢而受到廣泛推廣。國內現階段對半自動移栽機的應用居多，需人工完成取苗、喂苗的過程。不僅耗費勞動力，而且人工作業存在效率低、作業成本高的問題[1-2]。因此研究人員對取苗、喂苗全過程自動化進行了相關研究。

國外對蔬菜移栽機的研究較早。K.H.Ryu等研制了一種氣動取苗爪，并對其做了對比試驗。雖然能夠解決一些自動取苗的難點問題，但對穴苗的損傷較大，作業效率不高。日本Yanmar公司研制的自動蔬菜插秧機由齒輪、連桿機構組成，整機結構較為復雜且移栽速率只有50株/min[3]。在國內方面，倪有亮等[4]設計了一種全自動移栽機取送苗系統，并做了正交試驗，能穩定地進行取送苗，但其結構復雜、作業效率也較低。胡建平等[5]設計了一種整排取苗間隔投苗的控制系統能有效實現取投苗過程且整個系統取投苗穩定性較好，但試驗最高移栽速率70株/min依然滿足不了實際需求。前述研究均在一定程度上實現了取苗喂苗全過程自動化，但整機結構復雜與控制系統的不成熟造成了移栽效率達不到穴盤苗作物的移栽要求以及存在移栽過程中傷苗的現象。

針對上述問題，本文在自主研發的全自動移栽裝置上，設計了一種基于PLC的取喂苗控制系統，以實現高效、穩定的移栽目的。

1 全自動取喂苗移栽機整機結構

自主研發的全自動取喂苗裝置呈中心對稱結構，主要由穴盤苗輸送機構、旋轉機構、取喂苗機構及控制系統等組成，如圖1所示。

為提高取喂苗效率，采用對稱式穴盤苗輸送機構進行送苗。穴盤苗放在穴苗架上，為傾斜放置狀態，與水平面呈40°的夾角。單個穴盤苗輸送機構由穴苗架、鏈輪、鏈條、步進電機、常開光電傳感器、橫移氣缸、撥動圓盤等組成。取苗開始前，穴盤苗通過其下方安裝的常開光電傳感器被撥動圓盤遮擋后停止向后回轉定位取苗初始位置。取苗階段，輸送機構接收到PLC工作時序控制指令后工作，通過穴盤苗下方的橫移氣缸推動穴盤苗橫移來實現間隔取苗。一排苗取完后，步進電機帶動撥動圓盤轉動實現穴盤苗前進動作。

旋轉機構由A型機架、階梯軸、旋轉氣缸和取苗機架組成。取苗階段，兩個A型機架通過階梯軸和軸承座安裝在取苗機架上，通過旋轉氣缸伸縮使機架繞階梯軸旋轉。

取喂苗機構由機械手、往復氣缸、機械手基座、浮動接頭、滑塊導軌機構等組成。每個A型機架上固定兩個滑塊導軌機構，滑塊導軌機構與機械手基座配合，三個機械手安裝在機械手基座上，可對三株穴盤苗進行成排取苗。取苗階段，機械手與穴盤苗呈垂直狀態進行取苗。取苗機架下方為接苗筒與常開光電傳感器。

圖1 全自動移栽機主要裝置結構圖Fig. 1 Main structure drawing of automatic transplanter1.撥動圓盤 2.橫移氣缸 3.機械手 4.機械手基座 5.滑塊導軌機構6.往復氣缸 7.A型機架 8.階梯軸 9.軸承座 10.穴苗架11.鏈條 12.鏈輪 13.常開光電傳感器 14.步進電機15.旋轉氣缸 16.取苗機架 17.浮動接頭

2 取喂苗控制系統

2.1 控制方案設計

整體控制方案如圖2所示。本設計采用PLC系統控制整個移栽過程，PLC經過內部存儲順序控制、定時、計數等指令，通過數字式輸出來控制全自動移栽機的生產過程[6]。控制系統以三菱PLC可編程控制器FX2N-32MT為主控制器，輸入信號4個，由控制程序啟動開關、定位開關、急停開關、常開光電傳感器組成，輸出信號14個由氣缸和步進電機執行。一整套系統完成穴盤苗定位和步進、A型機架旋轉、機械手取喂苗以及各部件間的相互銜接。將執行程序導入PLC后，電磁閥、電機驅動器受PLC直接控制。空壓機產生的氣壓通過電磁閥為氣缸提供動力，電磁閥控制氣缸進出氣，即旋轉氣缸伸縮A型機架旋轉，往復氣缸伸縮機械手基座前進后退，取苗氣缸伸縮機械手夾緊放松，橫移氣缸伸縮帶動穴盤苗橫移等動作均在電磁閥的控制下完成。電機驅動器控制步進電機在穴盤苗的一排苗取完后前進，進行下一排取苗動作。

三個常開光電傳感器。其中兩個光電傳感器控制機構對稱兩側穴盤苗在進行取喂苗前的定位，保證機械手與穴盤苗苗孔的精準對應。一個光電傳感器檢測下方三個接苗桶是否到位，若已到位則整個裝置執行喂苗動作，若沒到位則等待接苗桶到位后再喂苗。

圖2 整體控制方案圖Fig. 2 Overall control plan diagram

2.2 硬件設計

將取苗喂苗系統劃分為輸送機構、旋轉機構和取喂苗機構，各機構的動作依靠氣缸和步進電機實現，氣缸的動作控制由電磁閥自身的通斷電完成，步進電機的運轉由電機驅動器控制，電磁閥與電機驅動器由PLC控制。為便于PLC的選型和整個控制程序的設計，現將氣缸個數、種類及其對應要實現的動作進行細分[7]。

整個系統機構共有4種氣缸，分別為旋轉氣缸、往復氣缸、取苗氣缸和橫移氣缸。旋轉氣缸數量為2個，共用1個電磁閥；往復氣缸數量為2個，共用1個電磁閥；2個橫移氣缸，共用1個電磁閥控制。而取苗氣缸為微型氣缸，每邊3個對稱排列，總共為6個，由于取苗氣缸小，6個取苗氣缸共用1個電磁閥。以及3個常開光電傳感器、2個電機驅動器、2個步進電機、1個啟動開關、1個定位開關、1個急停開關與三菱PLC可編程控制器FX2N-32MT[8]一起構成取喂苗控制系統。常開光電傳感器、啟動開關、定位開關、急停開關等作為輸入部分，電磁閥、電機驅動器作為輸出部分，氣缸、步進電機作為執行部分。機構整體的輸入輸出地址表及控制說明如表1所示。通過對機構整體系統的動作和PLC輸入輸出地址分配后，設計三菱PLC可編程控制器FX2N在全自動移栽機控制系統下的接線圖如圖3所示。

根據表1輸入輸出地址分配，選用結構緊湊、可擴展性強和成本低等優點的三菱FX2N-32MT型PLC作為取苗喂苗系統主控制元件[9]。

表1 輸入輸出地址表及控制說明表Tab. 1 I/O address table and control description table

圖3 控制系統接線Fig. 3 Control system wiring

2.3 軟件設計

2.3.1 部分控制程序流程圖

使用三菱編程軟件GX-Works2進行程序編寫[10-12]，部分控制梯形圖，如圖4所示，該圖為輸出端Y7接口所控制的往復氣缸收縮動作的順序控制與定時。控制程序編寫完成后，先在無硬件連接的情況下檢測整體程序是否可行，在確定程序可以運行后，連接其他硬件，控制樣機空載運行并進行調試[13]。

圖4 部分控制梯形圖Fig. 4 Partial control ladder diagram

2.3.2 時序控制流程說明

控制程序由兩部分組成，包括定位程序、取喂苗程序。定位程序是為了保證在取喂苗過程中機械手能夠準確地進行取苗，從而保證控制系統的正常運行。在程序開始計時前，首先按下定位按鈕與啟動按鈕進行兩側送苗機構上的穴盤苗定位，通過定位按鈕與常開光電傳感器連接，電機帶動撥動圓盤上穴盤苗向后反轉，在兩側常開光電傳感器都被撥動圓盤遮擋后通電，將信號輸入給PLC后反轉停止，定位完成。

取喂苗程序是整個系統的主控制程序，本程序主要采用順序控制、定時、計數等操作指令，實現取喂苗作業。在定位完成后，開始計時取喂苗。

取喂—排苗的控制系統流程圖，如圖5所示。

圖5 取喂一排苗的控制系統流程Fig. 5 Control system flow of feeding a row of seedlings

1) 在0～1 s，Y7通電往復氣缸收縮、Y11通電取苗氣缸收縮。0.3～1.6 s，Y4通電旋轉氣缸伸長，整個機構呈現旋轉收縮姿態。

2) 1～1.2 s，Y10通電取苗氣缸伸長。1～1.3 s，Y6通電往復氣缸伸長。在這兩段時間內Y4仍保持通電旋轉氣缸伸長，準備取出苗株。

3) 1.2～1.8 s，Y11通電取苗氣缸收縮夾取穴盤苗中的苗株。1.3～1.8 s，Y7通電往復氣缸收縮呈現向上取苗姿態。1.6～2.3 s，Y12通電橫移氣缸伸長、Y5通電旋轉氣缸收縮，即穴盤苗橫移且取喂苗機構向右旋轉準備喂苗入接苗桶。

4) 2.3 s時，PLC發出指令Y11、Y7、Y5保持通電狀態，等待整個機構下方常開光電傳感器被旋轉過程中的接苗桶遮擋3次后，將信號通過X6輸入端口輸入PLC控制系統后，PLC向Y13、Y12、Y11、Y7、Y4發出斷電指令，Y10、Y6、Y5通電0.3 s，完成喂苗動作，并且此時PLC控制系統對Y6通電計次完成，計兩次則控制系統時間重置，重新開始按上述時間計時和相應動作取喂苗。但PLC對Y5的通電次數計次并未終止，在計兩次后即一排穴盤苗取完先向電機驅動器發出信號使步進電機帶動穴盤苗向前移動1 s后，Y13通電橫移氣缸收縮推動穴盤苗移動0.7 s，此后PLC控制系統又重新對Y5計次，依然計兩次則PLC控制系統發出信號電機轉動1 s后橫移氣缸收縮推苗0.7 s。控制系統即如此控制取喂苗機構循環取喂苗。

上述時序流程在時間上有重疊的部分，但時間的分配和設定均在滿足氣缸本身性能和取喂苗整體機構運行穩定的前提下進行。

3 取喂苗試驗

3.1 試驗條件

試驗時間：2020年6月23—29日。試驗地點：山東青州火絨機械制造有限公司。試驗設備：自動取喂苗裝置如圖6所示、穴盤苗(規格：6×12)、游標卡尺(量程200 mm，精度0.02 mm)、常規卷尺(量程5 m)、秒表。

圖6 自動取喂苗裝置Fig. 6 Automatic seedling and feeding device

試驗材料：試驗選取40天苗齡的辣椒穴盤苗為試驗對象。對穴盤苗的基本形態特征苗高、苗寬、苗粗等使用游標卡尺和卷尺測量，平均值結果分別為156 mm、102 mm、3 mm。苗株基質主要由泥炭、珍珠巖和蛭石按照體積比3∶1∶1進行混合，出苗率為100%，基質緊實，達到了試驗用苗的要求。

3.2 試驗指標與結果分析

為分析全自動取喂苗系統在不同移栽速率下系統可行性和穩定性。

將移栽速率作為試驗參數，取喂苗成功率S1和苗株完整率S2作為試驗評價指標。計算公式如式(1)～式(3)所示。

(1)

N3=N-N1+N2

(2)

(3)

式中：S1——取喂苗成功率；

S2——苗株完整率；

N——穴苗盤中苗株總數；

N1——取喂苗成功數，即機械手將苗株取出并喂入接苗筒的苗株個數；

N2——苗株損失數，即喂入接苗桶的苗株中莖葉嚴重損傷、基質嚴重破損的苗株個數；

N3——苗株未成功移栽數。

試驗結果見表2，可知在移栽速率60～120株/min范圍內時，取喂苗成功率平均值為95.83%，苗株完整率平均值為95.44%。隨著移栽速率增大，取喂苗成功率與苗株完整率都呈現先增大再減小的趨勢。當移栽速率達到90株/min時，取喂苗成功率與苗株完整率達到最高且都為98.61%。

表2 不同移栽速率下取苗成功率與苗株完整率Tab. 2 Seedling success rate and seedling integrity rate at different transplanting rates

4 結論

1) 結合自主研發的全自動移栽裝置，設計了一種基于PLC的取喂苗控制系統。不同移栽速率下的試驗證明，在移栽速率60～120株/min范圍內，取喂苗成功率平均值為95.83%，苗株完整率平均值為95.44%，控制系統穩定性好，能適應不同移栽速率。且在移栽速率90株/min時，取喂苗成功率與苗株完整率達到最高，為98.61%，系統達到了旱地栽植機械行業標準。

2) 可實現移栽機自動定位穴盤苗、自動取喂苗、自動推空穴盤、自動移動穴盤苗等一系列流程，大大提高了移栽工作效率。