基于PLC的穴盤苗移栽自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔣素琴 吳婷婷 謝宗楚 楊晨 朱燕

摘要：當(dāng)今中國(guó)農(nóng)業(yè)的主要播種方式還是傳統(tǒng)的人工播種，人工播種耗費(fèi)了大量的人力和時(shí)間，更重要的是可能還會(huì)延誤播種的最佳時(shí)期，影響植物的生長(zhǎng)。同時(shí)移栽技術(shù)可以促使蔬菜再生新根，提高產(chǎn)量和品質(zhì)及土地利用率，在清除雜草、早期苗水施肥和病蟲防治方面也有著重要的作用。育苗移栽過程復(fù)雜，且人工成功率小，成本高，引入PLC 系統(tǒng)的自動(dòng)穴盤苗移栽技術(shù)，可以克服上述缺點(diǎn)。PLC 控制系統(tǒng)具有可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)機(jī)械中發(fā)揮這越來(lái)越大的優(yōu)勢(shì)。本問采用可編程控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，完成整個(gè)全自動(dòng)的移栽過程，PLC 是能夠進(jìn)行數(shù)字邏輯運(yùn)算的電子裝置，操作時(shí)將先前輸入存儲(chǔ)的指令通過數(shù)字式或者模擬式輸出，進(jìn)行機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)或生產(chǎn)流程操作。工作時(shí)，攝像頭采集，確定穴盤苗位置信息，并將采集的信息輸送至PLC系統(tǒng)，經(jīng)電腦端處理后，再輸出相應(yīng)的指令，PLC系統(tǒng)完成取送苗的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)穴盤苗的全自動(dòng)移栽。

關(guān)鍵詞：PLC；圖像采集；全自動(dòng)移栽

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）07-0214-02

1 可編程控制器概述

可編程控制器（PLC）的定義是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它的組成包括中央處理單元（CPU），存儲(chǔ)器，輸入輸出接口（I/O模塊），通信接口，電源。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是用來(lái)存儲(chǔ)PLC執(zhí)行的程序的信息，其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等一系列操作的指令，輸入模塊將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。

2 設(shè)計(jì)原理

基于PLC系統(tǒng)的穴盤苗移栽技術(shù)自動(dòng)控制系統(tǒng)由四部分組成，從末端至首端依次為取苗機(jī)構(gòu)（送苗機(jī)構(gòu)），植苗器， PLC 控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)硬盤。在 PLC 控制系統(tǒng)中輸入取苗、植苗和送苗的指令并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，通過PLC系統(tǒng)發(fā)布指令，機(jī)械手就會(huì)執(zhí)行相應(yīng)取苗、植苗和送苗的任務(wù)，完成任務(wù)后系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)刷新，重復(fù)整個(gè)過程，從而實(shí)現(xiàn)穴盤苗自動(dòng)移栽控制的技術(shù)。

基于PLC系統(tǒng)的穴盤苗移栽技術(shù)自動(dòng)控制系統(tǒng)中取苗、送苗步驟是移栽機(jī)成功與否的關(guān)鍵，這也是我們區(qū)分全自動(dòng)移栽機(jī)與半自動(dòng)移栽機(jī)的很重要的一個(gè)因素。半自動(dòng)穴盤苗移栽機(jī)準(zhǔn)確性比較低，需要人工補(bǔ)苗，而且容易損壞穴苗基質(zhì)。本文采用抓取式取苗，是通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的X，Y，Z軸方向的操作，將苗體從穴盤取出；再根據(jù)事先計(jì)算出的運(yùn)動(dòng)軌跡，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)精確地計(jì)算出移栽的正確位置，由此設(shè)置移動(dòng)夾持苗體的機(jī)械手，完成送苗任務(wù)。細(xì)致地抓取穴苗以及準(zhǔn)確地移植穴盤，從而能夠成功實(shí)現(xiàn)穴盤苗移栽技術(shù)自動(dòng)控制過程。

3 機(jī)構(gòu)組成和取送苗定位控制

3.1操作機(jī)構(gòu)

基于PLC穴盤苗移植自動(dòng)控制系統(tǒng)配備的硬件設(shè)備有Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)的移栽補(bǔ)苗機(jī)器人，V2.4.7 20160223相機(jī)軟件和信捷編程軟件。PLC 系統(tǒng)中輸入的指令主要有關(guān)于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)械手的在X，Y，Z方向的變化指令，其中涵蓋上升，下降，左右移動(dòng)，前后進(jìn)退；機(jī)械手取苗力度指令，防止過大損壞穴苗基質(zhì)，過小無(wú)法抓取穴苗； 氣缸的控制指令等。不過這些都是可以通過信捷PLC編程軟件進(jìn)行寫入上傳，下載，與電腦端進(jìn)行同步控制，這樣也方便了觀察和操作。

3.2 Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)

我們可以通過建立Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)的單支鏈約束方程，計(jì)算出Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)的移栽補(bǔ)苗機(jī)器人的最大的工作范圍； 根據(jù)Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)的移栽補(bǔ)苗機(jī)器人設(shè)備中不同規(guī)格穴盤之間的移栽、和補(bǔ)苗的作業(yè)要求，從而確定Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)的移栽補(bǔ)苗機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作空間； 在此基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步對(duì)Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)的移栽補(bǔ)苗機(jī)器人進(jìn)行尺度綜合，使得可達(dá)工作空間和設(shè)計(jì)工作空間盡可能的接近，并保證使用的時(shí)候具有良好的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能，上升，下降，左右移動(dòng)，前后進(jìn)退都可以做到靈活自如。

基于Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)的移栽補(bǔ)苗機(jī)器人的尺度綜合與軌跡規(guī)劃，首先要根據(jù)機(jī)器人建立虛擬模型，選取機(jī)器人工作空間中距離相差最遠(yuǎn)的兩條軌跡，進(jìn)行虛擬仿真；那么就可以仿真出機(jī)器人移栽機(jī)械手的平均速度、平均加速度曲線，其變化規(guī)律符合移栽、補(bǔ)苗作業(yè)的運(yùn)動(dòng)要求，從而驗(yàn)證了軌跡規(guī)劃的合理性。

模式選擇：一般選用普通移栽模式，另外方便用戶的選擇，還有健康苗識(shí)別移栽和補(bǔ)苗作業(yè)模式。

3、3 視覺識(shí)別

圖像采集：本文采用的是視覺圖像捕獲軟件Microsoft Visual C++ 6.0軟件平臺(tái)下的Video for Windows（VWF）自開發(fā)的圖像捕獲控制界面。

圖像處理環(huán)節(jié)是軟件控制平臺(tái)的核心之一，主要完成功能：穴盤與傳輸帶背景分割、苗與背景分割、穴盤框架提取、特征參數(shù)提取、缺苗壞苗識(shí)別。其中需解決的主要問題是苗與穴盤背景分割、苗根莖坐標(biāo)提取和自適應(yīng)框架提取。

3.4取送苗定位控制

取送苗定位控制組成包括攝像頭和 PLC 系統(tǒng)。工作時(shí)，通過攝像頭采集圖像，參數(shù)提取，識(shí)別位置， 向 PLC系統(tǒng)輸送位置坐標(biāo)；PLC 系統(tǒng)發(fā)送指令，控制機(jī)械手在正確的位置完成進(jìn)行取苗和送苗任務(wù)。定位工作的進(jìn)行可以借助攝像頭和圖形處理技術(shù)來(lái)完成，保證了取苗和送苗的準(zhǔn)確性。

4 試驗(yàn)及結(jié)果

4.1試驗(yàn)條件

為了檢測(cè)采用基于PLC系統(tǒng)的穴盤苗移栽的自動(dòng)控制系統(tǒng)的有效性，采用“農(nóng)博粉霸 30號(hào)”番茄苗進(jìn)行移栽，Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)的移栽補(bǔ)苗機(jī)器人設(shè)備之后點(diǎn)擊回零按鈕，移栽機(jī)器人進(jìn)行回零操作，回零完成后，在移栽速度輸入框中輸入移栽機(jī)器人加速度信息，一般輸入30為佳，既可以相對(duì)快速地得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而且能夠清晰地看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。穴苗培育條件為 穴口直徑為28mm，穴底直徑為10mm，穴深為45mm的10×12規(guī)格的72穴的穴盤中， 育苗移栽期為45天。隨機(jī)取5盤番茄苗，將72穴的穴盤苗自動(dòng)移植到50穴（8×10）的穴盤中，記錄10×12規(guī)格的整穴盤苗移植結(jié)束的時(shí)間、取苗成功率及送苗成功率。

4.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果及分析

將PLC控制系統(tǒng)安裝在穴盤苗移栽機(jī)械手上，按照要求設(shè)定好穴盤苗移植速度和模式等結(jié)構(gòu)參數(shù)后，便可以進(jìn)行穴盤苗的移栽試驗(yàn)，通過試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性和可靠性。

檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果見表1、表2所示：

由檢測(cè)結(jié)果可知：在其他條件不變的情況下，基于PLC的自動(dòng)控制系統(tǒng)的穴盤苗移栽的Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)的移栽補(bǔ)苗機(jī)器人，平均移栽速度可以達(dá)30顆/min，取苗成功率位96.8%，送苗成功率位 97.4% ，具有非常高的存活率，取苗送苗操作程序均能達(dá)到實(shí)驗(yàn)的要求，實(shí)際生活也是滿足的。

5 討論

原本穴盤苗的移栽作業(yè)需要人工補(bǔ)苗的重復(fù)性，現(xiàn)在基于PLC穴盤苗自動(dòng)移栽面臨的環(huán)境的復(fù)雜性。所以在進(jìn)一步研究中，我們還需要考慮到優(yōu)化移栽裝置的執(zhí)行末端， 使該裝置具有普遍適應(yīng)能力，在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中能夠做到對(duì)強(qiáng)風(fēng)大雨，溫度濕度干擾下適應(yīng)，以在實(shí)際自動(dòng)化育苗作業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行推廣。

6 結(jié)論

基于PLC 系統(tǒng)的穴盤苗移栽的自動(dòng)控制系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明： 采用 PLC 系統(tǒng)控制的自動(dòng)控制系統(tǒng)的移栽機(jī)移栽番茄苗， 在苗期45天時(shí)移苗，取苗成功率和送苗成功率都很高，移栽速度也很快，完全可以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際需求。試驗(yàn)證明： 基于 PLC 系統(tǒng)的穴盤苗移栽的自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠很大程度得提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)量和品質(zhì)及土地利用率，減少農(nóng)業(yè)種植戶的成本投入，在成片種植和養(yǎng)殖大戶的大棚養(yǎng)殖中有非常大的應(yīng)用價(jià)值。

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