溫室辣椒自動補苗機構控制系統設計與試驗

繆 宏,李孟麗,徐 浩,童俊華,張善文,戴 敏

(1.揚州大學 機械工程學院,江蘇 揚州 225000;2.浙江理工大學 機械與自動控制學院,杭州 310000)

0 引言

溫室穴盤育苗對機械化移栽適配度高,近年來在國內外廣泛使用,而辣椒幼苗培育過程中會產生一定量的劣質苗,不利于商品化生產,需要對其進行剔除并補進優質苗[1-4]。剔補移栽作為辣椒培育過程中的關鍵環節,勞動強度大,工作效率低,故對剔補作業的自動化移栽裝備的需求極為迫切。

國外移栽機研制時間長,已有全自動移栽機械投產使用,日本、美國、意大利等發達國家均研制出適合本國農作物的移栽機。Ferrari Costruzioni Meccaniche Srl開發的Futural系列自動移栽機使用推桿將秧苗推出硬秧盤,彈性C形槽捕捉盆栽幼苗,并將其送至柔性轉盤,可完成五行插盤苗的摘栽,且自動化程度高[5-6]。Abhijit Khadatkar等人使用開發的嵌入式系統針對當地栽植特點獲取最優運行速度和托盤進輥角度,從而精確控制幼苗的放置[7]。我國多在小型或中型溫室進行蔬菜培育,采用半自動化移栽和手動移栽方式,自動化移栽機的研制仍在實驗室階段[8]。韓綠化等人采用電氣控制系統,經由位移傳感器測定取苗移栽效果,以保證移栽作業精度、降低漏苗率,移栽成功率達90%[9]。文永雙等人利用光纖傳感器對苗杯內多種幼苗進行檢測以判斷是否漏苗,并設計控制系統實現對補苗系統的控制,漏栽率在2%左右[10]。近年來,為提高移栽機智能水平,國內不少學者結合機器視覺對蔬菜幼苗狀態進行檢測,以降低損傷率,提高移栽精度[11-12]。

目前,我國研制全自動移栽機存在嚴重傷苗、漏苗問題,故在前期穴盤自動移栽機控制系統的基礎上,依照育苗農藝標準和辣椒幼苗生長特征,結合機器視覺設計補苗機構的機-電-氣一體的控制系統,以完成補苗作業,并進一步提高辣椒補苗作業精度、效率和穩定性。

1 溫室辣椒自動補苗機構

1.1 整機結構

溫室辣椒自動補苗機構主要由初始輸送部件、信息采集部件、分類輸送部件、移栽部件、補苗穴盤輸送部件及供苗穴盤輸送部件組成,如圖1所示。移栽部件主要由水平線性模組、移栽手、機架及豎直氣缸構成,如圖2所示。

1.2 工作原理

設計的自動補苗機構采用輸送帶式移栽機,將辣椒育苗穴盤放置在初始輸送部件上輸送到信息采集部件特定位置后,經由信息采集部件獲取辣椒幼苗圖像,輸送至工控機進行識別處理以實現穴盤內辣椒幼苗狀態的判斷,區分優劣苗,記錄位置信息,并將其傳送至PLC;之后,穴盤經由分類輸送部件輸送至補苗盤輸送部件,到達預定位置后停止動作。重復上述動作,將第二盤辣椒幼苗經分類輸送部件輸送至供苗盤輸送部件預定位置。移栽部件橫跨在供苗盤輸送部件和補苗盤輸送部件上方,通過水平線性模組和豎直氣缸使移植手運送至最優位置剔除補苗穴盤內劣質苗,并從供苗穴盤夾取優質苗補進;如此往復,直至所有劣質苗被剔除,再輸送下一盤辣椒幼苗。

1.初始輸送部件 2.信息采集部件 3.分類輸送部件 4.補苗盤輸送部件 5.移栽部件 6.供苗盤輸送部件圖1 溫室辣椒自動補苗機構結構示意圖Fig.1 Structure of automatic picking and replenishing seedling transplanting machine for greenhouse pepper

1.左豎直氣缸 2.水平線性模組 3.移栽手 4.油壓吸振器 5.豎直滑軌副 6.齒條 7.齒輪 8.右豎直氣缸圖2 移栽部件結構圖Fig.2 Structure diagram of transplanted parts

2 控制系統設計

2.1 控制系統總體設計

自動補苗機構控制系統主要由主電控柜、觸摸屏、PC機、工控機和信息采集箱控制柜組成,如圖3所示。其中,主電控柜由PLC控制器、交換機、繼電器、伺服電機驅動器和開關電源組成,PLC控制器控制繼電器和伺服電機驅動器時序動作,繼電器控制減速電機和氣缸時序動作,同時接收電機驅動器所反饋的運行狀態及各傳感器位置信息;PC機和工控機通過DVI通信線連接進而與觸摸屏和PLC控制器通過交換機進行以太網通信,實現信息傳輸共享,可有效協調各部分完成預期功能;觸摸屏用于對運行狀態的實時監控及人工控制調試,信息采集箱控制柜用于箱內照明度;同時,箱內工業相機與工控機進行通信,實現辣椒幼苗信息采集[13]。

圖3 電路系統布局圖Fig.3 Electrical system layout diagram

2.2 控制系統硬件

為提高控制精度,確定穴盤位置,保證穴盤到達預設位置,在移栽機各處布置有傳感器及執行器,布局如圖4所示。其中,X1～X5為SIK光電傳感器,X1位于初始輸送部件前端輸送帶側面,用于判斷是否有穴盤進入移栽機;X2與X1同側,在信息采集箱范圍內,用于判斷穴盤是否到達采集圖像信息預設位置;X3位于分類輸送部件輸送帶后端,用于判斷穴盤是否進入分類輸送部件;X4/X5分別位于補/供苗輸送部件中部,用于判斷補/供苗穴盤是否到達作業預設位置;X6和X7為磁性開關,用于檢測氣缸運動行程,X6控制豎直氣缸下行,X7控制豎直氣缸上行;YM1和YM2為減速電機,YM1為始苗電機,控制初始輸送部件輸送帶動作;YM2用于控制分類輸送部位輸送帶運動。YM3～YM6為伺服電機,YM3、YM6為WANTO ROBOT直線模組驅動電機,由專用CP2系列伺服驅動器驅動。YM3帶動直線模組運動控制分類輸送部件機架移動,配合YM2電機帶動分類部件輸送帶移動,實現供、取苗盤分類;YM6所帶動直線模組為移栽手水平移動模組,YM4、YM5由臺達ASBA-B2-0421伺服驅動器驅動,分別用于驅動補苗盤輸送帶和供苗盤輸送帶;YQ1和YQ2為亞德客氣缸,YQ1用于控制移栽手開閉,YQ2包含兩個氣缸,分別位于移栽部件機架兩側,用于實現移栽手上下移動行程控制。

圖4 傳感器與執行器布局Fig.4 Sensor and actuator layout diagram

自動補苗機構由三菱FX5U-64MT型PLC接受上位機信號,控制補苗移栽動作,如圖5所示。該PLC

為32位輸入32位輸出,AC電源型,24V,晶體管(漏型)輸入,輸入輸出接口編號為八進制,模塊“X”為輸入,模塊“Y”為輸出。工作時,通過輸入接口依次接收X1～X7傳感器位置信號,YM3～YM6伺服電機作業反饋及報警信號及電源信號,輸出接口依次輸出YM4～YM6伺服電機的移動位置編號信號、方向信號、脈沖信號、YM1、YM2電機及氣缸繼電器時序控制信號[14]。YM3、YM6電機伺服驅動器為直線模組CP2系列驅動器,接收到傳感器傳送的到位信息后,PLC向驅動器輸入方向信號、脈沖信號、位置編碼信號控制電機依照指令完成相應動作;穴盤和移栽手到達指定位置,再使繼電器控制氣缸動作完成剔苗補苗作業。

圖5 控制系統電路圖Fig.5 Electrical schematic diagram of control system

2.3 控制系統軟件

控制系統軟件由復位程序、通訊程序、穴盤信息采集程序和移栽程序5部分組成,需要在GX works3程序編寫。復位程序的功能是在運行異常情況下使移栽機各部分回復至初始位置,避免因程序運行錯誤造成設備損壞。PLC輸入輸出以刷新方式控制,程序運行過程中實時接收各傳感器和電機驅動器運行狀態信息反饋,驅動器輸出報警信號時,相應部位回復至初始位置,反饋異常情況并分析原因;問題處理后,程序重新運行,以保證移栽精度及程序運行準確性[15]。

通訊程序部分包括PLC與工控機、觸摸屏、PC機間的通訊,PLC通過以太網與各部分進行通信,基于Scoket通訊協議,使用TCP協議或者UDP協議時,確定各部分通信對方側端口號及PLC內CPU模塊端口號,按照通訊需要進行數據發送或接收。

穴盤信息采集程序主要對輸送至信息采集部件的穴盤進行圖像采集,檢測到穴盤到位信號后,相機采集圖像并傳輸至工控機;工控機對辣椒幼苗穴盤圖像進行處理,以單個穴孔內葉面積同穴孔面積比值為依據進行優劣苗評價;穴盤規格為6×12,用“1”“0”分別代表幼苗的優劣,以一維數據形式輸出處理結果,存儲在txt文件內,通過以太網傳輸至PLC控制器內存儲。

移栽程序是控制系統主程序,作用是剔除穴盤內劣質苗并補進健康優質苗。信息采集部件采集完數據后,將穴盤按順序分別輸送至供苗輸送部件和補苗輸送部件。收到傳感器到位信號后,對位于補苗輸送部件的穴盤進行剔補苗處理,剔除穴盤內劣質苗,并將供苗輸送部件上穴盤內健康苗補進,按排處理:同步幼苗狀態信息,確定劣質苗穴孔位置,從左到右依次剔除補苗穴盤本排劣質苗至劣苗回收箱內;然后,確定供苗穴盤此排幼苗狀態,從右至左依次補入補苗穴盤相應空出穴孔內。確定補苗穴盤一排剔補工作結束后,輸送帶帶動穴盤前進一個穴孔的距離,依上述步驟剔除劣質苗后,確定供苗穴盤在當前位置優質苗數量。若數量不足,移栽完當前排穴孔內優質苗后,輸送帶帶動供苗穴盤移動一個相鄰穴孔中心距距離,獲取下一排幼苗狀態,確定優質苗孔數;接著,補至補苗穴盤內,重復上述工作,直至補苗穴盤處理完畢后,輸送出該盤,移入下一盤,繼續工作。若供苗穴盤處理完畢后,同樣補進下一盤。補苗流程如圖6所示。

圖6 補苗機制流程圖Fig.6 Flow chart of replanting mechanism

為使移栽手移動至每排相應穴孔位置,對幼苗進行準確剔補,需要保證移栽手位置定點準確性。移栽手固定在直線模組滑塊上,依靠直線模組左右移動,通過WANTO ROBOT 設計控制軟件設定驅動器目標位置,驅動器支持16點位運行;指定IP0～IP3這4個信號,通過二進制方式組合得到需要運行的點位信號,每個輸入點代表一個bit位,取0或者1,IP0為最低位,IP3為最高位,位置編號=IP3*23+IP2*22+IP1*21+IP0。OP0～OP4為完成位置點編號信號,編碼方式相同,PLC可以通過檢測該信號判斷位置指令是否完成。移植手需要保證到達兩盤全部穴孔位置及劣苗收集箱,供苗苗盤和補苗穴盤為6×12型穴盤,目標位置以絕對坐標指定,設置為13個,需要移動至相應位置時PLC向驅動器輸入所需移動的相對位置編碼和方向信號,使其移動至相應穴孔上方;切換方向時,電機驅動器脈沖輸入信號需要在方向輸入信號改變后2μs后再輸出。

2.4 氣路系統設計

自動補苗機構氣路系統[16]如圖7所示。其中,氣動執行元件主要有移栽升降氣缸、左豎直氣缸和右豎直氣缸,左右豎直氣缸型號相同,兩缸并聯,同步動作,繼電器接收到PLC控制信號后,由三位五通電磁閥6控制兩氣缸同步動作,以完成水平線性模組在豎直方向移動作業,調整移栽手取苗位置。移栽升降氣缸可依據作業要求控制移栽手的閉合,氣缸通過三位五通電磁閥7的左右兩位變換實現移栽手下行或上行,從而完成移栽手的張開、閉合,實現剔補苗作業;氣源三聯件包括空氣過濾器、減壓閥和油霧器,為油路提供穩定清潔空氣,并潤滑氣動元件;閥通過匯流板連接,匯流板通過氣動接頭、啟動軟管將氣體分配至需氣電磁閥內。

1.氣源 2.三聯件 3.匯流板 4.左豎直氣缸 5.右豎直氣缸 6、7.三位五通電磁閥 8.移栽升降氣缸圖7 氣路系統結構圖Fig.7 Schematic diagram of pneumatic system

左豎直氣缸、右豎直氣缸僅對移栽手進行初步的位置調整,行程小,安裝空間窄,選用薄型缸。其氣缸軸向負載力為293.3N,豎直布置,工作壓力為0.7MPa,由式(1)計算得出推力最小缸徑為28.6mm,選擇缸徑40mm,所需作業距離為60mm,一般需要增加一定余量,依氣缸行程列表選取氣缸行程為80mm,故而選擇型號為亞德客ACE40×80薄型氣缸。

單缸雙作用氣缸的推力為

(1)

式中F—活塞伸出時的推力(N);

p—氣缸工作壓力(Pa);

D—活塞直徑及氣缸內徑(m);

η—氣缸的負載率,取0.65。

移栽升降氣缸控制移栽手動作,帶動彈簧針式移栽手伸縮從而實現移栽手開閉來進行缽苗的夾取,左豎直氣缸、右豎直氣缸動作完成后移栽手底端位于穴盤基質表面10mm位置。本文所用72孔穴盤穴孔深度為45mm,夾取部位應在穴孔中下部,選用型號為MA20×50的迷你氣缸。

Qca=0.0157(D2L+d2Ld)N(p+0.1)

(2)

式中Qca—平均耗氣量(L/min);

L—氣缸行程(cm);

Ld—換氣閥與氣缸之間的配管長度(cm);

d—配管內徑(cm);

N—氣缸動作頻率;

p—工作壓力(MPa)。

平均耗氣量是由氣缸內部容積和氣缸每分鐘的往復次數所得出的耗氣量,一般用于選擇空氣壓縮機。由式(2)可得左豎直氣缸、右豎直氣缸完成一次行程的平均耗氣量為101.24L/min,移栽升降氣缸完成一次行程的平均耗氣量為19.643L/min。氣源由空氣壓縮機提供,為保障整個氣路系統的正常運行,依照整個氣路系統工作時的平均耗氣量,加上一定的備用余量,考慮平均運行效率,選擇容積流量為200L/min的OTS-1200×2-60L 空氣壓縮機。

3 臺架試驗

3.1 試驗條件

試驗在揚州大學機械工程學院智能農機裝備實驗室內完成,試驗臺架如圖8所示。試驗對象為在實驗室內以6×12穴盤培育的苗齡45天的海花3號辣椒苗,辣椒苗距離基質表面平均高度為112mm,培育基質由泥炭、蛭石、珍珠巖按照3∶1∶1的比例混合而成。試驗用苗如圖9所示。

圖8 試驗臺架實物圖Fig.8 Physical drawing of test bench

圖9 45d辣椒苗Fig.9 45 days pepper seedlings

為驗證自動補苗機構工作的可靠性,考慮補苗相關因素的影響[17-18],通過design-export軟件設計正交試驗,分析移栽手水平移動速度vH、取苗深度H、含水率C對補苗效果的影響程度及相互間影響,影響因子及水平如表1所示。每組試驗測試兩盤辣椒幼苗,以有效夾取穴孔內基質70%以上為指標的剔苗成功率T、綜合移栽成功率Q作為衡量移栽效果的指標,則

(3)

(4)

式中N1—有效夾取缽苗數(株);

N0—移栽爪夾取劣苗總數(株);

L1—有效剔補苗數(株);

L0—總剔補苗數(株)。

表1 試驗因子和水平Table 1 Factors and levels of test

3.2 試驗結果分析

試驗方案和結果如表2所示。

表2 試驗方案和結果Table 2 Experimental scheme and results

根據試驗結果,在移栽速率0.1～0.3m/s、取苗深度30～40mm、含水率50%～60%范圍內,剔苗成功率可達到89.6%以上,平均值94.0%,移栽成功率可達到89.6%以上,平均值為91.1%。建立剔苗成功率T、移栽成功率Q同水平移動速度vH、取苗深度H、含水率C之間的多元非線性回歸模型為

T=96.12-0.037vH+0.33H-1.31C+0.2HvH-

0.075vHC-0.050HC+0.18vH2-1.3H2-3.37C2

(5)

Q=94.06+0.25vH+0.61H-0.59C-0.05vHC-

0.38HC-0.82vH2-1.44H2-3.99C2

(6)

回歸模型方差分析表明(見表3和表4),剔苗成功率回歸模型影響極顯著,P值小于0.0001,失擬項P值大于0.05,模型擬合效果好[19],由試驗因子的P值可知,含水率和取苗深度對剔苗成功率影響顯著,水平移動速度對其影響比較小,各影響因子相互間影響程度低,說明剔苗成功率大小主要與含水率和取苗深度有關;移栽成功率回歸模型P值表明影響極顯著,失擬項P值大于0.05表明擬合程度高,而水平移動速度、取苗深度、含水率的P值均小于0.05,影響顯著,特別是取苗深度和含水率對移栽成功率影響較大,另外HC、vH2、H2、C24項P值均小于0.01,表明對移栽成功率影響極顯著,含水率和取苗深度間交互作用顯著。

表3 剔苗成功率方差分析Table 3 Variance analysis of the success rate of seedlings removal

續表3

表4 移栽成功率方差分析Table 4 Variance analysis of the success rate of transplanting

根據模型分析結果,繪制交互效應響應曲面圖[20](見圖10)。含水率與取苗深度對移栽成功率交互響應曲面圖如圖10(a)所示,取苗深度由30mm增至40mm過程中,移栽成功率先升后降,在35mm左右達到最大值,這是由于在中下部夾取幼苗能增加移栽成功率,但越向下基質堅實度越好,同穴孔材料粘結程度越高,使得移栽成功率下降;不同含水率下移栽成功率變化趨勢同取苗深度相似,在60%時達到最高移栽成功率,原因是含水量增高會增加基質與穴盤的粘附性,夾取基質時穴孔底部和側邊基質易粘在穴孔內部難以帶出,含水率降低基質間粘附力減小,不易形成完整基質塊,而取苗深度在最高值時,取苗深度增加,含水率增加,仍能有較大移栽成功率,這是由于取苗深度增加后能夠直接取出底部附近基質,降低粘附力增大帶來的影響;含水率與水平移栽速率對移栽成功率交互響應曲面圖如圖10(b)所示,水平移動速率整體影響下移栽成功率變化不大,說明移栽手運行平穩,而含水率低、速率小時,移栽成功率低是由于此時基質塊內部內聚力小,移栽手移動過程中會有少量基質散落降低移栽成功率。

(a)

(b)圖10 交互效應響應曲面圖Fig.10 Interaction effect response surface

4 結論

1)針對自動補苗機構,結合辣椒培育標準,設計了基于PLC的機-電-氣一體的溫室辣椒幼苗自動補苗機構控制系統,實現了劣苗剔除和優質苗補進間的協調配合。

2)以45天的辣椒幼苗作為試驗對象,通過Design-export軟件設計在不同水平移動速度、取苗深度和含水率水平下正交試驗,測試移栽機的剔補苗效果。試驗表明:移栽機剔苗成功率平均值為94.0%,移栽成功率平均值為91.1%。剔苗成功率和移栽成功率主要受含水率和取苗深度的影響,受水平移動速率的影響不大,在含水率60%、取苗深度35mm、水平移動速率0.2m/s時達到最大值,分別為96.5%、94.3%。表明移栽手在直線模組帶動下移動平穩,自動補苗機構控制系統穩定性高,且整體移栽效果好,性能可靠。