基于PLC的全自動(dòng)移栽機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉新軍，裴新民，梁 佳，李 雪

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)牧業(yè)機(jī)械管理局，烏魯木齊 830011；3.新疆巴州良佳農(nóng)機(jī)制造有限公司,新疆 焉耆 841100)

0 引言

由于育苗移栽技術(shù)具有對(duì)氣候補(bǔ)償和使作物生育提早的綜合作用，目前新疆辣椒、番茄等農(nóng)作物的栽培多數(shù)采用先育苗，后移栽的方法。目前，在新疆范圍內(nèi)大田移栽種苗基本采用人工移栽的方法，而不是機(jī)械移栽，但在新疆移栽種植面積較大、人工移栽成本高、周期長(zhǎng)等多重因素的作用下，需要研發(fā)高速的自動(dòng)移栽機(jī)械，快速完成辣椒與番茄等作物的移栽作業(yè)[1-3]。

基于PLC控制系統(tǒng)的自動(dòng)穴盤缽苗移栽機(jī)不僅價(jià)格較低，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)缽苗取苗、送苗及投苗全過(guò)程自動(dòng)化，對(duì)于農(nóng)作物缽苗移栽技術(shù)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[4-7]。研究發(fā)現(xiàn)，影響移栽機(jī)在大田中使用效果及工作效率的主要影響因素：一是取苗、投苗的自動(dòng)化程度；二是穴盤移動(dòng)的自動(dòng)化程度；三是分苗器與栽植器的偶合程度。而基于PLC的自動(dòng)控制系統(tǒng)可以很好地解決以上問題，使移栽工作效率得到極大地提升。

本文針對(duì)基于PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)的辣椒穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)，介紹了整體機(jī)構(gòu)與自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，并對(duì)該系統(tǒng)工作流程進(jìn)行了解析，最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證其工作的可行性。

1 整體機(jī)構(gòu)與自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)

基于PLC的全自動(dòng)移栽機(jī)控制系統(tǒng)，主要針對(duì)穴盤苗的移栽。整機(jī)由機(jī)架裝置、取苗裝置、分苗投苗裝置、送苗裝置、栽植裝置及PLC系統(tǒng)等組成。移栽機(jī)主要工作部件按照機(jī)具縱向中心面左右對(duì)稱布置，可同時(shí)作業(yè)行數(shù)為2，左右移栽機(jī)構(gòu)含完整的移栽組件[8]，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.機(jī)架裝置 2.栽植裝置 3.取苗裝置 4.分苗投苗裝置 5.送苗裝置

工作原理：整機(jī)與拖拉機(jī)采用懸掛式連接，拖拉機(jī)動(dòng)力通過(guò)萬(wàn)向節(jié)帶動(dòng)皮帶輪，由齒輪變速箱將動(dòng)力分配到旋耕取土、氣動(dòng)、移盤、取苗及擲苗系統(tǒng)，完成自動(dòng)移盤、取苗和擲苗等過(guò)程[9]。

整機(jī)取苗方式為夾取式，運(yùn)行時(shí)可同時(shí)夾取8株幼苗，取苗爪含不損傷幼苗的保護(hù)裝置，取苗完成后取苗爪垂直上升一定高度并旋轉(zhuǎn)180°，將幼苗間歇性投入分苗箱內(nèi)，通過(guò)植苗器將幼苗栽入土壤；當(dāng)整盤幼苗栽植完畢，苗盤會(huì)繼續(xù)運(yùn)行直至到達(dá)置苗板，PLC系統(tǒng)控制推盤桿將苗盤橫向推入懸掛于置苗板上的集盤箱內(nèi)，工作完畢時(shí)將苗盤統(tǒng)一收集放置。

相對(duì)于普遍采用的取苗裝置，其單次運(yùn)行只取1株幼苗，然后將幼苗投入植苗器。本機(jī)通過(guò)在PLC系統(tǒng)中存儲(chǔ)多個(gè)指令，即機(jī)械手的取苗力度、上升、下降、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)，以及氣缸的控制指令等[10-13]，可同時(shí)取苗8株、分苗2株、間歇擲苗2株、栽植2株，解決了機(jī)械化自動(dòng)取苗、擲苗等關(guān)鍵技術(shù)問題，使移植效率大大提高。推盤桿與集盤箱協(xié)調(diào)運(yùn)行解決了以往栽植過(guò)程中農(nóng)戶需要將機(jī)械栽植完成后苗盤回收難的問題，節(jié)約了大量栽植時(shí)間，減輕了農(nóng)戶勞動(dòng)強(qiáng)度。

1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)穴盤苗移栽機(jī)時(shí)通常要求控制系統(tǒng)具有價(jià)格低、能耗小、便于控制、可靠性高及穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)，所以最終選擇PLC系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)取苗、送苗及移栽的一系列流程[4]。本機(jī)根據(jù)移栽機(jī)作業(yè)過(guò)程，設(shè)計(jì)了行星減速步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)分苗的工作過(guò)程，該過(guò)程包含控制移栽機(jī)自動(dòng)移動(dòng)分苗、栽植等多個(gè)流程。該分苗機(jī)構(gòu)相對(duì)氣動(dòng)分苗方式可靠性更高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且能耗更低。分苗過(guò)程中，當(dāng)外界壓力和機(jī)器運(yùn)行速度變化時(shí)，凸輪能夠始終穩(wěn)定分苗，循環(huán)使用過(guò)程中故障率更低。

首先，在PLC系統(tǒng)內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來(lái)控制全自動(dòng)移栽機(jī)的生產(chǎn)過(guò)程[14]?？刂葡到y(tǒng)中以PLC為主機(jī)，輸入信號(hào)11個(gè)，由電感式接近開關(guān)組成，輸出信號(hào)13個(gè)由電池閥執(zhí)行，一整套系統(tǒng)完成缽盤定位，投苗定位，各部件相互銜接。通過(guò)傳感器采集數(shù)據(jù)，PLC發(fā)布命令，最終整機(jī)只需1人就可完成取苗、擲苗、投苗、栽植、覆土及壓土等作業(yè)，PLC系統(tǒng)完成一個(gè)工作流程后，系統(tǒng)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至下一任務(wù)，如此循環(huán)往復(fù)進(jìn)行全自動(dòng)的整個(gè)流程，直至切斷電源，整個(gè)移栽裝置停止工作。

2 PLC控制系統(tǒng)的工作原理及流程

2.1 自動(dòng)移栽機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與控制流程圖

整個(gè)控制系統(tǒng)以PLC為核心，對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集并驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件動(dòng)作，完成移栽作業(yè)要求。

根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)工作過(guò)程中的實(shí)際條件和要求，本設(shè)計(jì)采用了11個(gè)接近開關(guān)及11個(gè)電磁閥，其工作電壓皆由直流電源升壓器提供(12 V升24 V)。其中，11個(gè)接近開關(guān)皆為三線制接近開關(guān)，即兩根線分別與可編程控制器的24 V和COM端連接，另一根線與可編程控制器的輸入端連接，同時(shí)11個(gè)電磁閥其輸入端分別與可編程控制器的輸出端連接，最終在試驗(yàn)下確保了整個(gè)系統(tǒng)的流暢性。根據(jù)移栽機(jī)作業(yè)過(guò)程，設(shè)計(jì)了自動(dòng)移栽機(jī)移栽的分苗裝置結(jié)構(gòu)和控制流程圖，如圖2和圖3所示。

2.2 自動(dòng)移栽機(jī)控制系統(tǒng)工作原理

工作過(guò)程：將缽盤放置于移盤輸送鏈上，向前運(yùn)動(dòng)輸送缽盤，首先通過(guò)標(biāo)記位置將缽盤定位到初始位置，送盤位移參數(shù)調(diào)整初始位置的偏移量；初始缽盤就位后，由取苗器取出一排缽苗(4株)，通過(guò)送苗定位傳感器定位送苗位置，待投苗爪運(yùn)動(dòng)到指定位置后，開始投苗，具體程序流程可參照?qǐng)D1所示。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)可編程控制器執(zhí)行命令，當(dāng)取苗夾打開時(shí),秧苗自由落入鴨嘴內(nèi)。詳細(xì)運(yùn)行過(guò)程如表1(此表由上至下查看；表格中部分分苗箱分隔板運(yùn)動(dòng)未明確表示)所示。

1.分苗箱 2.傳動(dòng)軸 3.凸輪機(jī)構(gòu) 4.分苗板

1～11.接近開關(guān) 12～22.電磁閥 23.取苗器執(zhí)行氣缸A1、B1 24.左、右苗盤退格執(zhí)行氣缸C2-1、C2-2 25.左、右苗盤進(jìn)格執(zhí)行氣缸C1-1、C1-2 26.左、右推空苗盤執(zhí)行氣缸F1、F2 27.取苗器執(zhí)行氣缸A2、B2 28.分苗箱左右位移執(zhí)行氣缸D1、D2 29.57行星減速步進(jìn)電機(jī) 30.分苗板E1-1、E1-2、E2-1、E2-2、E3-1、E3-2、E4-1、E4-2

信號(hào)檢測(cè)開關(guān)通電、斷電電磁閥執(zhí)行氣缸執(zhí)行氣缸活塞桿狀態(tài)棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)取苗夾苗盤運(yùn)動(dòng)是否分苗414、15C1-1、C1-2伸出14、15C1-1、C1-2收縮至原位是前移1格112、13A1、A2收縮B1、B2下移至底部閉合2A1、A2回縮置頂12、13B1、B2伸出打開擲苗

當(dāng)接近開關(guān)10檢測(cè)到信號(hào)，57行星減速步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)45°將E1-1、E1-2分苗板打開，穴苗落入鴨嘴，完成第一次栽植；當(dāng)步進(jìn)電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)45°，E2-1、E2-2分苗板打開，并依次完成E3-1、E3-2和E4-1、E4-2分苗箱內(nèi)穴苗的間歇性栽植，最終57行星減速步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)由0°～180°。

通電0.8 s后，可編程控制器執(zhí)行程序，分苗箱執(zhí)行氣缸的活塞桿伸出，開關(guān)閉合；取苗器旋轉(zhuǎn)90°，之后執(zhí)行表2中流程。

表2 自動(dòng)控制系統(tǒng)工作2過(guò)程流程表

當(dāng)接近開關(guān)(10)檢測(cè)到信號(hào)，57行星減速步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)45°并依次完成分苗箱內(nèi)穴苗的間歇性栽植，最終57行星減速步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)180°～360°。

通電0.8 s后，可編程控制器(1)執(zhí)行程序，電磁閥18、19、20斷電，分苗箱開關(guān)執(zhí)行氣缸的活塞桿伸出，開關(guān)閉合；取苗器旋轉(zhuǎn)90°，之后執(zhí)行表3中流程。

表3 自動(dòng)控制系統(tǒng)工作3過(guò)程流程表

反復(fù)執(zhí)行上述過(guò)程，直至接近開關(guān)5、6檢測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)3次，左苗盤前移一格，然后電磁閥17斷電，左苗盤執(zhí)行氣缸C1-1的活塞桿收縮至原位；同理，接近開關(guān)6、8檢測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)3次，右苗盤前移一格，電磁閥19斷電，左右苗盤執(zhí)行氣缸C1-2的活塞桿收縮至原位。

待移栽完整盤缽苗后，接近開關(guān)7檢測(cè)到信號(hào)，兩次計(jì)數(shù)，左單桿氣缸F1的活塞桿伸出，其上的推板前移，將左空苗盤推落到集盤箱，待1 s后，電磁閥18斷電，左單桿氣缸F1收縮至原位置；同理，右空苗盤也執(zhí)行程序并同時(shí)將苗盤推落到各自集盤箱，最終同時(shí)完成兩盤缽苗的移栽工作，并順序進(jìn)行下一苗盤的移栽。

3 試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)選取45 天苗齡、8列×16行的128穴“美國(guó)鐵板椒”穴盤苗為試驗(yàn)對(duì)象。對(duì)穴盤苗的基本形態(tài)特征株高、莖粗等使用游標(biāo)卡尺測(cè)量，用電子天平測(cè)得穴盤苗的質(zhì)量。試驗(yàn)測(cè)得育苗基質(zhì)含水率32%左右，平均株高為182.4mm，平均莖粗為3.2mm。試驗(yàn)過(guò)程中隨機(jī)選擇穴盤苗，測(cè)定該自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)取苗成功率、送苗成功率、移盤成功率及推空穴盤成功率。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證基于PLC控制系統(tǒng)的輸出穴盤育苗輸送裝置的有效性和可靠性，在大棚內(nèi)生產(chǎn)了穴盤苗缽苗，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)過(guò)程中，分苗數(shù)與推空穴盤數(shù)分別在取苗數(shù)與苗缽移動(dòng)行數(shù)上進(jìn)行，移栽測(cè)試結(jié)果如表4和表5所示。

表4 PLC系統(tǒng)對(duì)取苗數(shù)與分苗數(shù)的影響

表5 PLC系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)移盤與推空穴盤的影響

由試驗(yàn)結(jié)果可知:采用基于PLC的全自動(dòng)移栽機(jī)控制系統(tǒng)，取苗平均成功率為96.0%，分苗平均成功率為97.2%。試驗(yàn)過(guò)程中由于穴盤可進(jìn)行循環(huán)使用，且部分苗盤多次使用后會(huì)產(chǎn)生易斷裂、易碎等現(xiàn)象，為確保移栽過(guò)程中自動(dòng)移盤、推空穴盤順利進(jìn)行，因此試驗(yàn)中自動(dòng)移盤皆選取完整無(wú)瑕疵的穴盤，最終自動(dòng)移盤平均成功率為100%，自動(dòng)推空穴盤平均成功率為93.3%，取苗送苗操作程序均達(dá)到要求，且產(chǎn)品性能穩(wěn)定。

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種基于PLC的自動(dòng)移栽機(jī)控制系統(tǒng)，根據(jù)穴盤苗移栽機(jī)工作要求進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明：該系統(tǒng)自動(dòng)取苗平均成功率為96.0%，自動(dòng)分苗平均成功率為97.2%，自動(dòng)移盤平均成功率為100%，自動(dòng)推空穴盤平均成功率為93.3%，整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到了旱地穴盤苗作物的移栽要求，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高。

2)工作過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)移栽機(jī)自動(dòng)移動(dòng)穴盤、自動(dòng)取苗投苗、自動(dòng)分苗、自動(dòng)推空穴盤等一系列流程，從而在一定程度上減輕了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，相對(duì)于人工大大提高了移栽工作效率。同時(shí)，PLC控制元件的維修、保養(yǎng)相對(duì)簡(jiǎn)單，還可適用于多類穴盤育苗移栽機(jī)的自動(dòng)化控制，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。