基于PLC的采摘機械手的電氣自動化技術研究

彭鳳麗

關鍵詞： PLC 技術 電氣自動化 采摘機械手 技術探討

中圖分類號： S225 文獻標識碼： A 文章編號： 1672-3791（2024）01-0144-04

隨著科技的發展與進步，自動化技術在農業領域的應用越來越廣泛。基于可編程邏輯控制器（ProgrammableLogic Controller，PLC）的采摘機械手是一種重要的自動化設備，能夠大大提高采摘效率，降低人工成本。本文將圍繞基于PLC 的采摘機械手的電氣自動化技術進行研究，旨在探討其工作原理、關鍵技術、應用效果及未來發展趨勢。

1 PLC 技術的優勢

PLC 技術是一種新興的技術形式，在我國農業采摘領域具有下述優勢。

（1）PLC 的結構構成并不復雜。因為使用了處于行業前列的信息通信技術，具有較高的可靠程度，很難被環境因素影響，所以可以保證采摘工作的質量與效率。

（2）從編寫和控制程序的角度來說，PLC 的編程簡單、靈活，適合一線農業技術人員開展和推廣，這為信息化農業的應用與推廣提供了便利。

（3）進行人工采摘的時候，由于疲勞或視覺盲區等原因，采摘人員會出現果實漏采的問題，而PLC 技術基于信息化手段，能夠對果實進行精準定位，漏采率相對較小［1］。

（4）采取傳統的人工采摘方式，會讓種植戶付出大量的人工資金，從而減少其經濟收益，而PLC 技術則讓采摘投入相對較低。種植戶可通過較低的價格，獲得高質量的采摘結果［2］。

（5）在人工采摘的過程中，種種原因會對部分果實的外表造成損害，這對其儲存時間、產品賣相產生了負面影響，降低了種植戶群體的經濟收益。而基于PLC技術的機械采摘手，采摘力度和方式都被預先設計好，這樣就能夠減少果實的損壞率［3］。

2 PLC 技術的機械采摘手的具體應用

機械手（Manipulator）是采摘機械器（Picking machinery）不可或缺的重要組成部分，亦是實現采摘工作的重要部件［4］。采摘機械手的智能化與自動化水平和采摘作業的效率與質量有密不可分的關系［5］。在進行農業采摘活動的過程中，采摘機械手應當具備優異的性能，即行動靈活、準確可靠。為了達到這一根本性目的，必須要保證采摘手電子自動化控制系統的性能，完成自動化、智能化的機械控制，對采摘機械手的整體水準進行優化與提升。以PLC 為基礎的電氣自動化控制系統，擁有可以進行任務預定，并且按照預定的條件進行采摘任務的優秀性能。在使用該設備的時候，工作人員圍繞即將進行的任務編程，對采摘任務予以設置，然后自動控制系統就可以按照程序的設置來操作，從而有效地控制采摘者完成指定的工作。而PLC 控制平臺則是進行采摘操作的關鍵部分，能通過PLC 對傳感器采集到的信息予以分析、對比以及整合，然后經過模擬數字轉換器，有效地獲得準確的位置信息，并與編程的設置信息進行比較，從而準確地判斷出要采摘的對象與機械手顯示的距離，隨后驅動電液比例方向閥完成采摘［6］。

3 軟件系統設計

對于采摘機械手電氣自動化控制系統而言，軟件部分的設計與開發具有至關重要的作用。軟件部分的自動化水平與機械手的智能化水平息息相關。為了切實提升機械的使用性能，我國采摘機械手使用的往往是基于PLC 的電液控制系統，并通過傳感器對附近的環境開展監測作業，對施工時的重點、要點進行深入分析，從根本上完成實時監測。軟件系統的控制控件結構如圖1 所示。

采摘機械手中的電氣自動化控制系統在現代農業中發揮著至關重要的作用。為了深入理解這一系統的構成及其在實際應用中的運作方式，將其分為以下幾個組成部分：電液比例方向閥、PLC 測控平臺、比例控制放大器、傳感器組件機械手執行機構。

控制過程的主要流程如下：輸入機械手（機器人）的初始位置信息，再通過傳感器對待采摘目標距離與采集待作業區域的信息進行采集。隨后通過PID 控制程序子程序對比例閥動作進行控制。控制主程序流程圖如圖2 所示。

由于增量型 PI 控制與三階數據緊密相關，因此可以消除累積誤差的問題。因此，在對電動機進行控制時，可以使用 PI 的增量方式來實現。

采用增量 PI 控制方法，首先要算出積分時間內的比例增益，然后再設定誤差容許的范圍，經過運算之后，就可以獲得增量的控制，從而實現對機械臂的高品質控制［7］。

4 基于PLC 的機械采摘手的控制研究

采摘機器人在進行采摘作業的時候，能夠自動化對作物的果實進行識別。完善對果實的識別后，機器人移動到作業區域，機械采摘手通過電氣化自動控制系統的控制信號，完成采摘任務。但值得重視的是，受現有技術水平的影響，采摘時經常會出現果實破損與漏采的問題，如果把PID 與PLC 控制融入系統，能夠行之有效地增加系統的控制精度，就能更好地為種植戶群體提供服務。

本文以可編程控制器為核心，圍繞PLC 采摘機械手自動化控制系統開展深入測試，控制系統的主要功能輸入輸出情況如下：X_о～X₅分別對應固定位置繼電器、運行繼電器、上限位開關、下限位開關、下極限開關和移動位開關；Y_O～Y₅分別對應上行電磁閥YAI、下行電磁閥YA2、漏采警示LC2、果實破損指示HI.3、電機主接觸器KM1 和Y 型接觸器KM2。

通過電氣自動化控制系統，機械采摘手的主要輸入與輸出量都能夠通過PLC 程序進行控制。為了展現測試結果，技術人員利用MCGS 軟件設計了一個可視化界面窗口。這個窗口將展示機械采摘手的工作狀態、輸入輸出量以及控制結果等信息。與此同時，機械手的控制系統可以對其進行強制干預操作，例如，機械手在進行作業時，如果遇到了突發狀況，那就可以通過控制系統使其終止作業；如果在作業過程中出現了破損、漏采的問題，那么系統則可以對種植戶進行預警，避免問題的進一步嚴重化。

監控狀態的項目主要是監控果實的破損情況與果實的漏采情況。根據大量的測試與研究，得出下述結論：區域1 到區域5 的果實漏采率分別為1.33％、1.03％、1.22％、2.11％、2.13％；果實破損率為1.11％、2.14％、2.15％、1.24％、1.52％。從上述數據可以看出，使用基于PLC技術的機械采摘手，雖然具有較大的漏采率與果實破損率，但可以較好地完成采摘工作。

5 機械采摘手的發展概況

5.1 具體分類

就目前的情況而言，如果按照機械采摘手的工作方式進行區分，主要有3 種方式：撞擊式、切割式和陣搖式。所謂的撞擊式是通過機器自身的沖擊力，直接對果枝進行沖擊，或者將果樹的果干撞折，從而使水果從枝頭處掉落。在這一過程中，果實會被種植戶預先設置的設備接收。這種方法簡單高效，但與此同時，其缺陷也很明顯，即會對果枝的外觀形態與之后的果樹結果造成一定的負面影響。切割式在我國應用廣泛，該方式切斷水果果柄或者枝條，進而實現水果采摘。這種方式的缺陷是果樹會受到二次傷害。陣搖式則是利用機械的作用，讓果實因為加速度的作用從樹上脫落，這很容易對樹干造成一定的損壞。不難看出，上述3 種采摘方式各有優劣，但都會對果樹造成一定的損害。這也表明目前我國采摘機械手技術尚未達到預期的水平，還有一定的發展空間。我國有關部門需要圍繞著問題，制定相應的解決策略，提升機械手運行的效率與質量。

5.2 機械手采摘發展趨勢

就目前技術水平而言，機械手的發揮依舊存在諸多問題，在未來的一段時間內，尚且無法實現大規模運行。從采摘裝置研發的視角來看，機械手采摘的未來發展方向必然是多功能發展。未來，采摘手不但可以對果實進行采集，還可以完成多元化的農業技術動作，包括但不限于使用肥料、枝條修剪等，這會進一步減少種植戶的勞動投入。除此之外，機械采摘手還應當向低價化、大眾化的路線發展，盡可能地減少種植戶因為購買設備而支出的成本費用，提高廣大種植戶的經濟收益。同時，有農業專家提出，機械采摘手在未來的發展渠道可以被分為兩部分，即運輸與采摘。

我國大部分果園均處于山區丘陵地區，這些地區交通不便，很難向外運輸水果。如果采用人工方式開展運輸作業，不但會增加生產成本，還會形成較大的工作強度。因此，研究和開發一款省時省力的運輸工具，是有關部門亟待解決的問題。同時，機械手的結構構成與程序設置上也應當具備一定的靈活性，不但要讓種植戶輕松掌握，同時還要減少水果外觀的損害，保證水果的經濟價值。綜上所述，采摘機器人在未來很長的一段時間內，都會成為農業發展的重點領域。科研人員應當在成熟水果定位與識別方面，進行更大的投入與研究，從而讓自主采摘機器人能夠具備良好的識別能力，使采摘效率得到進一步的提升。

5.3 對PLC 機械采摘手的發展建議

5.3.1 技術創新

有關單位應當持續進行技術研發，引入新的技術和理念，如人工智能、機器學習等，以提高采摘的準確性和效率。與此同時，添加自主導航、故障診斷和自我維護等功能，減少人工干預，提高機械使用的可用性。

5.3.2 加強其適應性

我國各地種植環境各有不同，在設計PLC 機械采摘手時，應考慮其適應不同作物和環境的能力。

5.3.3 制定標準

有關部單位應當推動PLC 機械采摘手的標準制定和互操作性測試，以確保不同品牌和型號的設備能夠順暢地協同工作。

6 結語

總而言之，基于PLC 的采摘機械手是一種簡單、實用、高效的現代化農業設備，對其電氣自動化技術進行全方面、多維度的分析與研究，提高農業采摘的效率與質量，解放農戶的勞動力，為我國農業的繁榮、發展提供堅實的設備保障。