基于PLC的全自動(dòng)移栽機(jī)取苗喂苗控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

伍龍，劉念聰，王艷華，夏華政，張雨，黃浩

(成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院，成都市，610051)

0 引言

蔬菜穴盤(pán)苗移栽技術(shù)因具有提高移栽效率、節(jié)省人力等優(yōu)勢(shì)而受到廣泛推廣。國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段對(duì)半自動(dòng)移栽機(jī)的應(yīng)用居多，需人工完成取苗、喂苗的過(guò)程。不僅耗費(fèi)勞動(dòng)力，而且人工作業(yè)存在效率低、作業(yè)成本高的問(wèn)題[1-2]。因此研究人員對(duì)取苗、喂苗全過(guò)程自動(dòng)化進(jìn)行了相關(guān)研究。

國(guó)外對(duì)蔬菜移栽機(jī)的研究較早。K.H.Ryu等研制了一種氣動(dòng)取苗爪，并對(duì)其做了對(duì)比試驗(yàn)。雖然能夠解決一些自動(dòng)取苗的難點(diǎn)問(wèn)題，但對(duì)穴苗的損傷較大，作業(yè)效率不高。日本Yanmar公司研制的自動(dòng)蔬菜插秧機(jī)由齒輪、連桿機(jī)構(gòu)組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且移栽速率只有50株/min[3]。在國(guó)內(nèi)方面，倪有亮等[4]設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)移栽機(jī)取送苗系統(tǒng)，并做了正交試驗(yàn)，能穩(wěn)定地進(jìn)行取送苗，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、作業(yè)效率也較低。胡建平等[5]設(shè)計(jì)了一種整排取苗間隔投苗的控制系統(tǒng)能有效實(shí)現(xiàn)取投苗過(guò)程且整個(gè)系統(tǒng)取投苗穩(wěn)定性較好，但試驗(yàn)最高移栽速率70株/min依然滿足不了實(shí)際需求。前述研究均在一定程度上實(shí)現(xiàn)了取苗喂苗全過(guò)程自動(dòng)化，但整機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜與控制系統(tǒng)的不成熟造成了移栽效率達(dá)不到穴盤(pán)苗作物的移栽要求以及存在移栽過(guò)程中傷苗的現(xiàn)象。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文在自主研發(fā)的全自動(dòng)移栽裝置上，設(shè)計(jì)了一種基于PLC的取喂苗控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的移栽目的。

1 全自動(dòng)取喂苗移栽機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)

自主研發(fā)的全自動(dòng)取喂苗裝置呈中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，主要由穴盤(pán)苗輸送機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、取喂苗機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

為提高取喂苗效率，采用對(duì)稱式穴盤(pán)苗輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)行送苗。穴盤(pán)苗放在穴苗架上，為傾斜放置狀態(tài)，與水平面呈40°的夾角。單個(gè)穴盤(pán)苗輸送機(jī)構(gòu)由穴苗架、鏈輪、鏈條、步進(jìn)電機(jī)、常開(kāi)光電傳感器、橫移氣缸、撥動(dòng)圓盤(pán)等組成。取苗開(kāi)始前，穴盤(pán)苗通過(guò)其下方安裝的常開(kāi)光電傳感器被撥動(dòng)圓盤(pán)遮擋后停止向后回轉(zhuǎn)定位取苗初始位置。取苗階段，輸送機(jī)構(gòu)接收到PLC工作時(shí)序控制指令后工作，通過(guò)穴盤(pán)苗下方的橫移氣缸推動(dòng)穴盤(pán)苗橫移來(lái)實(shí)現(xiàn)間隔取苗。一排苗取完后，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)撥動(dòng)圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)穴盤(pán)苗前進(jìn)動(dòng)作。

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由A型機(jī)架、階梯軸、旋轉(zhuǎn)氣缸和取苗機(jī)架組成。取苗階段，兩個(gè)A型機(jī)架通過(guò)階梯軸和軸承座安裝在取苗機(jī)架上，通過(guò)旋轉(zhuǎn)氣缸伸縮使機(jī)架繞階梯軸旋轉(zhuǎn)。

取喂苗機(jī)構(gòu)由機(jī)械手、往復(fù)氣缸、機(jī)械手基座、浮動(dòng)接頭、滑塊導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)等組成。每個(gè)A型機(jī)架上固定兩個(gè)滑塊導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)，滑塊導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)與機(jī)械手基座配合，三個(gè)機(jī)械手安裝在機(jī)械手基座上，可對(duì)三株穴盤(pán)苗進(jìn)行成排取苗。取苗階段，機(jī)械手與穴盤(pán)苗呈垂直狀態(tài)進(jìn)行取苗。取苗機(jī)架下方為接苗筒與常開(kāi)光電傳感器。

圖1 全自動(dòng)移栽機(jī)主要裝置結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Main structure drawing of automatic transplanter1.撥動(dòng)圓盤(pán) 2.橫移氣缸 3.機(jī)械手 4.機(jī)械手基座 5.滑塊導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)6.往復(fù)氣缸 7.A型機(jī)架 8.階梯軸 9.軸承座 10.穴苗架11.鏈條 12.鏈輪 13.常開(kāi)光電傳感器 14.步進(jìn)電機(jī)15.旋轉(zhuǎn)氣缸 16.取苗機(jī)架 17.浮動(dòng)接頭

2 取喂苗控制系統(tǒng)

2.1 控制方案設(shè)計(jì)

整體控制方案如圖2所示。本設(shè)計(jì)采用PLC系統(tǒng)控制整個(gè)移栽過(guò)程，PLC經(jīng)過(guò)內(nèi)部存儲(chǔ)順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)等指令，通過(guò)數(shù)字式輸出來(lái)控制全自動(dòng)移栽機(jī)的生產(chǎn)過(guò)程[6]?？刂葡到y(tǒng)以三菱PLC可編程控制器FX2N-32MT為主控制器，輸入信號(hào)4個(gè)，由控制程序啟動(dòng)開(kāi)關(guān)、定位開(kāi)關(guān)、急停開(kāi)關(guān)、常開(kāi)光電傳感器組成，輸出信號(hào)14個(gè)由氣缸和步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行。一整套系統(tǒng)完成穴盤(pán)苗定位和步進(jìn)、A型機(jī)架旋轉(zhuǎn)、機(jī)械手取喂苗以及各部件間的相互銜接。將執(zhí)行程序?qū)隤LC后，電磁閥、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器受PLC直接控制?？諌簷C(jī)產(chǎn)生的氣壓通過(guò)電磁閥為氣缸提供動(dòng)力，電磁閥控制氣缸進(jìn)出氣，即旋轉(zhuǎn)氣缸伸縮A型機(jī)架旋轉(zhuǎn)，往復(fù)氣缸伸縮機(jī)械手基座前進(jìn)后退，取苗氣缸伸縮機(jī)械手夾緊放松，橫移氣缸伸縮帶動(dòng)穴盤(pán)苗橫移等動(dòng)作均在電磁閥的控制下完成。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)在穴盤(pán)苗的一排苗取完后前進(jìn)，進(jìn)行下一排取苗動(dòng)作。

三個(gè)常開(kāi)光電傳感器。其中兩個(gè)光電傳感器控制機(jī)構(gòu)對(duì)稱兩側(cè)穴盤(pán)苗在進(jìn)行取喂苗前的定位，保證機(jī)械手與穴盤(pán)苗苗孔的精準(zhǔn)對(duì)應(yīng)。一個(gè)光電傳感器檢測(cè)下方三個(gè)接苗桶是否到位，若已到位則整個(gè)裝置執(zhí)行喂苗動(dòng)作，若沒(méi)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(shè)計(jì)

將取苗喂苗系統(tǒng)劃分為輸送機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和取喂苗機(jī)構(gòu)，各機(jī)構(gòu)的動(dòng)作依靠氣缸和步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)，氣缸的動(dòng)作控制由電磁閥自身的通斷電完成，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制，電磁閥與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器由PLC控制。為便于PLC的選型和整個(gè)控制程序的設(shè)計(jì)，現(xiàn)將氣缸個(gè)數(shù)、種類及其對(duì)應(yīng)要實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作進(jìn)行細(xì)分[7]。

整個(gè)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)共有4種氣缸，分別為旋轉(zhuǎn)氣缸、往復(fù)氣缸、取苗氣缸和橫移氣缸。旋轉(zhuǎn)氣缸數(shù)量為2個(gè)，共用1個(gè)電磁閥；往復(fù)氣缸數(shù)量為2個(gè)，共用1個(gè)電磁閥；2個(gè)橫移氣缸，共用1個(gè)電磁閥控制。而取苗氣缸為微型氣缸，每邊3個(gè)對(duì)稱排列，總共為6個(gè)，由于取苗氣缸小，6個(gè)取苗氣缸共用1個(gè)電磁閥。以及3個(gè)常開(kāi)光電傳感器、2個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、2個(gè)步進(jìn)電機(jī)、1個(gè)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)、1個(gè)定位開(kāi)關(guān)、1個(gè)急停開(kāi)關(guān)與三菱PLC可編程控制器FX2N-32MT[8]一起構(gòu)成取喂苗控制系統(tǒng)。常開(kāi)光電傳感器、啟動(dòng)開(kāi)關(guān)、定位開(kāi)關(guān)、急停開(kāi)關(guān)等作為輸入部分，電磁閥、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器作為輸出部分，氣缸、步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行部分。機(jī)構(gòu)整體的輸入輸出地址表及控制說(shuō)明如表1所示。通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)整體系統(tǒng)的動(dòng)作和PLC輸入輸出地址分配后，設(shè)計(jì)三菱PLC可編程控制器FX2N在全自動(dòng)移栽機(jī)控制系統(tǒng)下的接線圖如圖3所示。

根據(jù)表1輸入輸出地址分配，選用結(jié)構(gòu)緊湊、可擴(kuò)展性強(qiáng)和成本低等優(yōu)點(diǎn)的三菱FX2N-32MT型PLC作為取苗喂苗系統(tǒng)主控制元件[9]。

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

圖3 控制系統(tǒng)接線Fig. 3 Control system wiring

2.3 軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 部分控制程序流程圖

使用三菱編程軟件GX-Works2進(jìn)行程序編寫(xiě)[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(fù)氣缸收縮動(dòng)作的順序控制與定時(shí)?？刂瞥绦蚓帉?xiě)完成后，先在無(wú)硬件連接的情況下檢測(cè)整體程序是否可行，在確定程序可以運(yùn)行后，連接其他硬件，控制樣機(jī)空載運(yùn)行并進(jìn)行調(diào)試[13]。

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

2.3.2 時(shí)序控制流程說(shuō)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(guò)程中機(jī)械手能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行取苗，從而保證控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在程序開(kāi)始計(jì)時(shí)前，首先按下定位按鈕與啟動(dòng)按鈕進(jìn)行兩側(cè)送苗機(jī)構(gòu)上的穴盤(pán)苗定位，通過(guò)定位按鈕與常開(kāi)光電傳感器連接，電機(jī)帶動(dòng)撥動(dòng)圓盤(pán)上穴盤(pán)苗向后反轉(zhuǎn)，在兩側(cè)常開(kāi)光電傳感器都被撥動(dòng)圓盤(pán)遮擋后通電，將信號(hào)輸入給PLC后反轉(zhuǎn)停止，定位完成。

取喂苗程序是整個(gè)系統(tǒng)的主控制程序，本程序主要采用順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)等操作指令，實(shí)現(xiàn)取喂苗作業(yè)。在定位完成后，開(kāi)始計(jì)時(shí)取喂苗。

取喂—排苗的控制系統(tǒng)流程圖，如圖5所示。

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

1) 在0～1 s，Y7通電往復(fù)氣缸收縮、Y11通電取苗氣缸收縮。0.3～1.6 s，Y4通電旋轉(zhuǎn)氣缸伸長(zhǎng)，整個(gè)機(jī)構(gòu)呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)收縮姿態(tài)。

2) 1～1.2 s，Y10通電取苗氣缸伸長(zhǎng)。1～1.3 s，Y6通電往復(fù)氣缸伸長(zhǎng)。在這兩段時(shí)間內(nèi)Y4仍保持通電旋轉(zhuǎn)氣缸伸長(zhǎng)，準(zhǔn)備取出苗株。

3) 1.2～1.8 s，Y11通電取苗氣缸收縮夾取穴盤(pán)苗中的苗株。1.3～1.8 s，Y7通電往復(fù)氣缸收縮呈現(xiàn)向上取苗姿態(tài)。1.6～2.3 s，Y12通電橫移氣缸伸長(zhǎng)、Y5通電旋轉(zhuǎn)氣缸收縮，即穴盤(pán)苗橫移且取喂苗機(jī)構(gòu)向右旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)備喂苗入接苗桶。

4) 2.3 s時(shí)，PLC發(fā)出指令Y11、Y7、Y5保持通電狀態(tài)，等待整個(gè)機(jī)構(gòu)下方常開(kāi)光電傳感器被旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的接苗桶遮擋3次后，將信號(hào)通過(guò)X6輸入端口輸入PLC控制系統(tǒng)后，PLC向Y13、Y12、Y11、Y7、Y4發(fā)出斷電指令，Y10、Y6、Y5通電0.3 s，完成喂苗動(dòng)作，并且此時(shí)PLC控制系統(tǒng)對(duì)Y6通電計(jì)次完成，計(jì)兩次則控制系統(tǒng)時(shí)間重置，重新開(kāi)始按上述時(shí)間計(jì)時(shí)和相應(yīng)動(dòng)作取喂苗。但PLC對(duì)Y5的通電次數(shù)計(jì)次并未終止，在計(jì)兩次后即一排穴盤(pán)苗取完先向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出信號(hào)使步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)穴盤(pán)苗向前移動(dòng)1 s后，Y13通電橫移氣缸收縮推動(dòng)穴盤(pán)苗移動(dòng)0.7 s，此后PLC控制系統(tǒng)又重新對(duì)Y5計(jì)次，依然計(jì)兩次則PLC控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)1 s后橫移氣缸收縮推苗0.7 s。控制系統(tǒng)即如此控制取喂苗機(jī)構(gòu)循環(huán)取喂苗。

上述時(shí)序流程在時(shí)間上有重疊的部分，但時(shí)間的分配和設(shè)定均在滿足氣缸本身性能和取喂苗整體機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定的前提下進(jìn)行。

3 取喂苗試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)時(shí)間：2020年6月23—29日。試驗(yàn)地點(diǎn)：山東青州火絨機(jī)械制造有限公司。試驗(yàn)設(shè)備：自動(dòng)取喂苗裝置如圖6所示、穴盤(pán)苗(規(guī)格：6×12)、游標(biāo)卡尺(量程200 mm，精度0.02 mm)、常規(guī)卷尺(量程5 m)、秒表。

圖6 自動(dòng)取喂苗裝置Fig. 6 Automatic seedling and feeding device

試驗(yàn)材料：試驗(yàn)選取40天苗齡的辣椒穴盤(pán)苗為試驗(yàn)對(duì)象。對(duì)穴盤(pán)苗的基本形態(tài)特征苗高、苗寬、苗粗等使用游標(biāo)卡尺和卷尺測(cè)量，平均值結(jié)果分別為156 mm、102 mm、3 mm。苗株基質(zhì)主要由泥炭、珍珠巖和蛭石按照體積比3∶1∶1進(jìn)行混合，出苗率為100%，基質(zhì)緊實(shí)，達(dá)到了試驗(yàn)用苗的要求。

3.2 試驗(yàn)指標(biāo)與結(jié)果分析

為分析全自動(dòng)取喂苗系統(tǒng)在不同移栽速率下系統(tǒng)可行性和穩(wěn)定性。

將移栽速率作為試驗(yàn)參數(shù)，取喂苗成功率S1和苗株完整率S2作為試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)。計(jì)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(pán)中苗株總數(shù)；

N1——取喂苗成功數(shù)，即機(jī)械手將苗株取出并喂入接苗筒的苗株個(gè)數(shù)；

N2——苗株損失數(shù)，即喂入接苗桶的苗株中莖葉嚴(yán)重?fù)p傷、基質(zhì)嚴(yán)重破損的苗株個(gè)數(shù)；

N3——苗株未成功移栽數(shù)。

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，可知在移栽速率60～120株/min范圍內(nèi)時(shí)，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(xiàn)先增大再減小的趨勢(shì)。當(dāng)移栽速率達(dá)到90株/min時(shí)，取喂苗成功率與苗株完整率達(dá)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(jié)論

1) 結(jié)合自主研發(fā)的全自動(dòng)移栽裝置，設(shè)計(jì)了一種基于PLC的取喂苗控制系統(tǒng)。不同移栽速率下的試驗(yàn)證明，在移栽速率60～120株/min范圍內(nèi)，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(tǒng)穩(wěn)定性好，能適應(yīng)不同移栽速率。且在移栽速率90株/min時(shí)，取喂苗成功率與苗株完整率達(dá)到最高，為98.61%，系統(tǒng)達(dá)到了旱地栽植機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2) 可實(shí)現(xiàn)移栽機(jī)自動(dòng)定位穴盤(pán)苗、自動(dòng)取喂苗、自動(dòng)推空穴盤(pán)、自動(dòng)移動(dòng)穴盤(pán)苗等一系列流程，大大提高了移栽工作效率。