玉米自动考种流水线控制系统设计—基于MCGS嵌入式组态软件

王洪稷，罗小林，宋 鹏，王 成,4，陈 泉，张 晗

(1.北京农业信息技术研究中心，北京 100094；2.昆明理工大学 现代农业工程学院，昆明 650504；3.北京农业智能装备技术研究中心，北京 100094；4.国家农业信息化工程技术研究中心，北京 100094)



玉米自动考种流水线控制系统设计
—基于MCGS嵌入式组态软件

王洪稷1,2，罗小林2，宋 鹏1,3，王 成1,3,4，陈 泉1,3，张 晗1

(1.北京农业信息技术研究中心，北京 100094；2.昆明理工大学 现代农业工程学院，昆明 650504；3.北京农业智能装备技术研究中心，北京 100094；4.国家农业信息化工程技术研究中心，北京 100094)

针对现有玉米考种技术考种对象单一、考种效率低下的现状，研发出一种基于MCGS嵌入式组态软件的玉米自动考种流水线控制系统。整套控制系统由MCGS嵌入式组态软件和FT-RS-0808继电器控制模块结合控制，通过RS485通讯串口实现数据传输。使用MCGS嵌入式组态软件编写循环控制策略程序，根据考种流水线中各传感器实时检测的感应信号，判断并控制考种线设备运行，可实现从玉米果穗至玉米籽粒考种性状的自动、有序采集。试验结果表明:该系统连续作业时考种效率可达5～6穗/min。

玉米考种；MCGS嵌入式组态软件；控制系统；流水线

0 引言

玉米考种是玉米育种过程的重要环节之一[1]，考种的效率和精度制约了玉米优良品种选育效率。在玉米考种过程中，需要同时进行玉米果穗及籽粒考种，主要包括果穗穗长、穗宽、穗行数、行粒数、籽粒粒长、粒宽、粒型及籽粒数量等大量性状参数的采集、整理、统计、分析和储存[2]。传统玉米考种过程全部由操作人员手工完成，需要耗费大量的人力物力且效率低下[3]。随着现代玉米考种技术的不断发展，各种考种系统及设备相继出现，张晗等研发了针对单穗玉米籽粒的水分、质量连续测量及封装系统[4]。王传宇等[5]、周金辉等[6]分别设计提出一种新的基于机器视觉的玉米果穗考种方法与配套装置，针对玉米果穗进行考种研究。现有考种设备大多都只能单独针对玉米果穗或玉米籽粒进行考种，无法满足现代化大批量快速考种的需求。快速、准确地实现从玉米果穗到籽粒全过程考种信息的自动获取，可大大降低考种成本，提高提高育种效率[7]。

本文采用MCGS嵌入式组态软件和输入输出继电器控制模块结合控制的方式，针对玉米考种流水线工作方式及控制需求，设计其控制系统，保证考种流水线连续、稳定、自动运转，为实现从玉米果穗到籽粒大批量考种参数的高效获取提供保障。

1 玉米自动考种流水线的总体设计

1.1 玉米自动考种流水线工作流程

单个玉米果穗上料进入玉米自动考种流水线后，对其进行处理过程中经过的功能模块顺序依次为果穗考种模块、果穗脱粒模块、籽粒考种模块及籽粒封装模块，如图1所示。

图1 功能模块运行设计图

系统通过对果穗上料机构、称重传感器、脱粒电机、图像采集相机和封装电机等设备的控制，可实现对于玉米果穗形态信息、果穗质量数据、籽粒形态信息数据等考种数据的快速、全方位采集。

1.2 玉米自动考种流水线的总体设计

玉米自动考种流水线需自动实现果穗考种、果穗脱粒、籽粒考种及籽粒封装流程，分别由果穗考种模块、果穗脱粒模块、籽粒考种模块及籽粒封装模块组成。这4个功能模块由TPC7062KX嵌入式一体化触摸屏通过FT-RS-0808继电器控制模块进行运行控制，在每个分装置上都分别安装有感应传感器，通过实时采集检测传感器的感应信号实现对整条考种流水线运行情况的监控。系统总体设计如图2所示。

图2 系统总体设计图

在整个控制系统各组成功能模块中，安装有多种执行元件和感应传感器。果穗考种模块实现玉米果穗的上料检测、果穗卸料、果穗质量及果穗图像信息采集功能；果穗脱粒模块采用玉米单穗脱粒机；籽粒考种模块进行籽粒图像信息采集后卸料；籽粒封装模块通过加热电阻切割复合PE/PET薄膜实现对玉米籽粒封装成袋处理。

2 控制系统设计

2.1 总体控制结构设计

整个玉米自动考种流水线控制系统需要对包括果穗上料传感器及上料电机等在内的5个感应传感器和9个设备元件进行实时检测和控制。为实现控制过程，共设置有51个控制变量，包括有20个开关型变量和31个数值型变量，如图3所示。其中，开关型变量代表对应感应传感器和执行设备的触发信号和控制信号，数值型变量作为控制过程的中间变量。

为保证自动考种流水线高效、稳定运行，需对流水线中各传感器信号进行自动检测、信息处理和实时控制。整套控制系统采用分级式控制结构，包括控制管理级、过程控制级和运行管理级，如图4所示。控制触摸屏通过串口通讯方式连接并控制继电器控制模块，继电器控制模块在接收流水线中各传感器感应信号的同时，通过模块内部继电器控制流水线设备的启停动作。

图3 变量设置界面

图4 控制系统总体结构

继电器控制模块1通过检测果穗上料、果穗入料和果穗出料传感器的感应信号，控制称重模块、上料电机、果穗采集光源和果穗图像采集模块动作，实现玉米果穗性状数据采集；继电器控制模块2通过检测脱粒机出口传感器、卸料传感器的感应信号，控制脱粒电机、籽粒采集光源、籽粒图像采集模块、卸料电机和封装电机动作，从而实现玉米籽粒的形态信息数据采集。

2.2 控制方式设计

控制系统采用MCGS嵌入式组态软件作为上位机软件和输入输出继电器控制模块相结合实现系统的控制。MCGS嵌入式组态软件安装在TPC7062KX嵌入式一体化触摸屏中，TPC7062KX嵌入式一体化触摸屏通过RS485串口通讯方式与输入输出继电器模块实现数据传输。在系统启动后，当流水线中各处传感器在系统运行过程中检测到感应信号后，会将感应信号反馈到输入输出继电器模块，输入输出继电器模块再通过RS485通讯总线将感应信号读入TPC7062KX嵌入式一体化触摸屏，MCGS嵌入式组态软件将读取到的数据信息；通过软件自身的“运行策略”控制程序编辑功能，对感应信号进行判断和处理，识别在整套考种流水线控制系统中的运行情况；再根据控制策略向继电器控制模块发送出控制指令，通过继电器模块输出I/O口的内部继电器动作控制外部流水线设备，使流水线快速稳定运行。

2.3 控制系统硬件设计

2.3.1 控制模块

选用FT-RS-0808输入输出继电器控制模块作为系统控制模块，它能通过RS485 串口从上位机、触摸屏等接收数字量输入信号，并转换成开关量输出信号，从而控制模块内部继电器开关，并同时可将内部继电器开关状态等开关量信号转换成数字量信号发送回触摸屏。模块采用标准Modbus通讯协议与嵌入式触摸屏统一通讯，便于策略程序的编写。该模块具有8路开关量输入端口和8路开关量输出端口，在其输出端口内部采用继电器输出控制模式，最大可承受250V交流电压及5A电流。在8路开关量输出端口中，根据内部继电器设置有两种不同的状态输出端口。其中，4路处于常开状态，4路有公共端、同时具有常闭和常开两种状态。在本文控制系统中可根据不同设备的控制需求选择输出端口。在控制系统中，主要输入输出I/O口分配如表1所示。

表1 主要输入输出I/O口分配

2.3.2 嵌入式一体化触摸屏

选用型号为TPC7062KX的嵌入式一体化触摸屏，它是一款以嵌入式低功耗CPU为核心的高性能嵌入式一体化触摸屏。该嵌入式一体化触摸屏采用7英寸高亮度TFT液晶显示屏和四线电阻式触摸屏，输入电压(24±20%)VDC，额定功率5W，CPU选用主频能达到400MHz的ARM9处理器，内存64M，系统存储空间128M，外部接口具有串行接口、USB接口、以太网接口和CAN接口，具有体积小、抗干扰性强、通讯方便、耐用等优点。TPC7062KX嵌入式一体化触摸屏可安装MCGS嵌入式组态软件，兼容性强、串口通讯方式多，具备强大的图像显示和数据处理功能。

2.3.3 信号采集模块

1)光电传感器。为保证系统运行的准确、可靠性，要求采用的感应传感器对感应信号具有较高的灵敏性。本系统选用型号为E18-D80NK的漫反射式红外光电传感器，它集红外发射与接收功能于一体，当有检测物体从检测端经过时，通过接收检测物体表面反射的红外光会使传感器的输出信号状态发生改变，响应时间在2ms以内。另外，在E18-D80NK上设有机械调节旋钮，可以根据实际使用要求对检测距离进行调节，感应距离能达到3～80cm。

2)行程开关。为保证考种参数的精确性，要求在流水线运行过程中设备运动动作具有精准性，为此本系统选用型号为LXJM1-8180德力西电气限位行程开关。该元件具有自动复位可调滚子转动臂，触点动作形式为一开一闭，操作频率在不通电的情况下可达到120次/min，在机械的自动控制、限制运动、传动机构动作和程序控制之间的开关方面具有良好的性能。

3 控制系统软件设计

控制系统通过MCGS嵌入式组态软件中“运行策略”功能实现控制逻辑程序的编辑，如图5所示。为了保证流水线自动运行高效、稳定，采用循环策略程序编写方式。循环策略采用“顺序扫描，周期循环”的工作方式，即在控制系统开始运行后，软件根据用户按策略要求编写好并存于用户存储器中的程序，按循环策略行编写顺序做周期性循环扫描。从策略行始端开始逐行依次执行用户策略程序，直到循环策略程序完全结束；然后重新从策略行始端开始新一轮程序循环扫描，在循环扫描的过程中，不断接收外部输入信号并发出相应的控制指令。

图5 MCGS软件编辑界面

控制过程中，采用模块化控制方式，流水线中的每个功能模块既作为单独的控制个体，模块之间又相互联系、制约，可有效地防止控制系统中控制策略漏洞的出现。

系统上电启动后，进行系统初始化，将所有设备的工作状态都调试到初始位置，等待果穗上料。果穗上料传感器通过检测果穗上料时产生的跳变信号进行果穗上料检测判断，如果上料传感器检测到触发信号，进行果穗性状数据采集操作。设置延时计时器等待采集完成，延时结束后上料电机动作果穗出料，果穗进入脱粒机进行脱粒操作。脱粒机出口传感器检测脱粒是否完成，启动并触发延时计时器；延时结束后，对玉米籽粒形态参数进行图像采集；采集完成后，籽粒进入封装装置封装。MCGS控制系统程序流程图如图6所示。

图6 MCGS控制系统程序流程图

为保证自动考种系统运行时的灵活性，控制系统设置分为自动和手动两种运行模式。①自动运行模式：将玉米果穗连续从流水线上料装置放入，流水线通过感应传感器信号进行流水式考种作业操作。流水线中各处传感器将流水线运行过程中感应信号反馈到继电器控制模块，继电器控制模块再通过RS485串口将感应信号读入MCGS嵌入式组态屏；MCGS组态软件将读取到的数据信息，通过软件自身的策略编辑功能，识别判断整套考种流水线控制系统的运行情况，然后再根据控制策略向继电器控制模块发送出控制指令，使流水线快速稳定运行。②手动操作模式：通过触摸屏上的按钮式开关可对流水线中各运行设备进行单独的启停控制，既可在系统运行发生故障时方便故障的排查，也可通过触摸屏上的设置输入框手动设置动作时间等参数，对于控制系统整体运行策略的调试具有重要作用。

4 考种试验及性能分析

1)手动操作模式试验。将单个玉米果穗考种子料放入玉米自动考种流水线，操作人员手动通过触摸屏上对应控制按钮依次启动考种流水线中各考种设备，完成考种过程。控制各考种设备紧凑连接运行，在最短时间内完成单个玉米果穗考种过程。通过多组实验，单穗玉米考种平均用时15s左右。

2)自动操作模式试验。将玉米果穗考种子料连续放入自动考种流水线中，流水线根据各感应传感器的感应信号自动运行，对考种子料依次考种。连续运行3h，系统无故障发生，考种效率可达到300穗/h。在整个考种过程中，能够快速、高效、全面地实现对从玉米果穗形态参数到籽粒形态信息的数据采集。

5 结论

采用MCGS嵌入式组态软件和继电器模块组成的玉米自动考种流水线控制系统，能够在运行过程中完成对考种数据和运行设备的统一管理，实现高效、精确、连续的自动化流水线玉米考种操作。运行试验表明：该控制系统简单易行、运行稳定、可靠性高。

[1] 周金辉,马钦,朱德海,等. 基于机器视觉的玉米果穗产量组分性状测量方法[J].农业工程学报,2015，31(3):221-227.

[2] 柳冠伊,杨小红,白明,等.基于线阵扫描图像的玉米果穗性状检测技术[J].农业机械学报,2013(11):276-280.

[3] 吕永春,马钦,李绍明,等.基于背景板比例尺的玉米果穗图像特征测量[J].农业工程学报,2010,26(S2):43-47.

[4] 张晗,孙江宏,王成,等.单穗玉米水分、质量连续测量及封装系统设计[J].农机化研究,2016,38(6):181-184.

[5] 王传宇,郭新宇,吴升,等.采用全景技术的机器视觉测量玉米果穗考种指标[J].农业工程学报,2013,29(24):155-162.

[6] 周金辉,马钦,朱德海,等.基于计算机视觉的玉米穗粒重无损测量方法[J].农机化研究,2015,37(12):222-226.

[7] 曹婧华,冉彦中,郭金城.玉米考种系统的设计与实现[J]. 长春师范学院学报,2011(8):38-41.Abstract ID:1003-188X(2017)02-0196-EA

The Control System Design of Automatic Pipeline for Maize Variety Test—Based on MCGS Configuration Software

Wang Hongji1,2, Luo Xiaolin2, Song Peng1,3, Wang Cheng1,3,4, Chen Quan1,3, Zhang Han1

(1.Beijing Agricultural Information Technology Research Center，Beijing 100094, China; 2.School of Kunming University of Science and Technology，Kunming 650504, China; 3.Beijing Research Center for Intelligent Agricultural Equipment，Beijing 100094, China;4.National Engineering Research Center for Information Technology in Agriculture，Beijing 100094, China)

Aiming at the situation of onefold research object and the low test efficiency in maize variety test, a control system of automatic pipeline for maize variety test based on MCGS configuration software was designed in this paper. The system is controlled by MCGS configuration software and FT-RS-0808 relay control module. The data is transmitted via RS485 serial port communication. Loop control strategy program is writed by using the MCGS configuration software. According to real-time detection of the sensor signals in the automatic pipelining for maize analysis, the control system can control the equipments operation to collect the characters data of maize ear and corn seeds. The experimental results show that the measurement speed is up to 5 to 6 per minute.

maize variety test; MCGS configuration software; control system; automatic pipeline

2016-02-29

北京市科技计划项目(D151100004215002)；中国博士后科学基金项目(2015M581019)

王洪稷(1990-)，男，黑龙江齐齐哈尔人，硕士研究生，(E-mail) wanghongji5657@163.com。

宋 鹏(1986-)，男，湖北黄冈人，博士，(E-mail)songp@nercita.org.cn。

S223.1

A

1003-188X(2017)02-0196-04