自动移栽机检测系统的设计

韩长杰，刘 云，郭 辉，周艳生，夏广宝

(新疆农业大学 机械交通学院，乌鲁木齐 830052)



自动移栽机检测系统的设计

韩长杰，刘 云，郭 辉，周艳生，夏广宝

(新疆农业大学 机械交通学院，乌鲁木齐 830052)

针对自动移栽机存在工作状态难以了解，且出现故障时，难以准确找到故障点的问题，设计了一种基于PLC和触摸屏的检测系统。该系统以PLC为主控制器，传感器采集自动移栽机的机械手、柔性输送苗筒、吊篮的取苗及喂苗状态等信息，通过PLC集成与处理。采用触摸屏作为人机交互界面,将采集的自动移栽机的栽植信息、报警信息、故障位置及自动移栽机上各运动部件的运动状态等显示。试验表明：该系统能够将自动移栽机的工作状态在触摸屏上显示，对于移栽过程中出现的问题能够及时通知操作人员，满足了操作者对所要了解信息的需求。

自动移栽机；检测；PLC；触摸屏

0 引言

国外许多农业机械(如喷药机、播种机、施肥机等)都装有智能化的检测系统，极大地提高了机械自动化、智能化的水平，满足了操作者对信息了解的需求。国内也有部分农业机械开始使用具有自动化装备的检测系统，如小麦联合收割机，方便操作者了解机械的工作状态。

目前，移栽机多为非自走形式，还没有将信息进行检测与显示的装置，因此作业时，驾驶员无法了解移栽机的工作情况。为了能够获知移栽机的工作状态，需要对移栽机的实时状态信息进行检测，借助触摸屏将移栽机的动作状态信息进行显示，从而直观地了解到移栽机的实时工作状态，并将取苗、输苗数量等信息统计后显示出来。当移栽机发生故障时，对应的报警器发生报警，在触摸屏上显示故障位置点，便于操作人员排除故障，降低排障难度。

1 技术原理

该设计是在韩长杰等人设计的吊篮式自动移栽机的基础上加装的检测系统。其中，气缸上的磁性开关检测部件的动作状态；机械手放苗位置后下方的穴盘苗检测传感器，用于机械手取苗检测；柔性输送苗筒导苗筒侧壁的穴盘苗检测传感器，用于喂苗检测；在镇压轮支撑架上的栽苗检测传感器，用于栽苗检测；PLC将传感器采集的移栽机工作状态信息集成处理，最终在触摸屏上显示。图1为检测原件分布图。

1.磁性开关传感器 2.机械手取苗检测传感器

1)穴盘苗的检测与统计。该系统使用漫反射式光电开关传感器,对移栽机的机械手、柔性输送苗筒等部件的穴盘苗进行检测，经PLC集成、处理后显示，操作人员可以通过触摸屏了解到各部件穴盘苗的喂取情况、作业量及行进速度等信息。该系统还支持数据的存储，存储移栽机有用的信息。

2)动作状态检测。该系统通过磁性开关传感器来采集移栽机运动部件的动作信息，对移栽机运动部件的工作状态采用动画形式在触摸屏上显示，操作人员可以随时了解到各部件的动作状态。

3)报警与故障诊断。判断移栽机在田间作业期间是否发生漏苗严重等问题，当出现异常时在触摸屏上显示故障点，通过声光报警器发出报警信号，提醒操作人员及时处理。

2 系统的硬件和软件设计

移栽机检测系统的整体结构设计如图2所示。系统采用PLC 作为控制器和触摸屏作为显示装置，传感器采用漫反射式光电开关、电感式接近开关及磁性开关等，主要用来采集机械手、柔性输送苗筒的穴盘苗取喂数量信息，以及各部件的位置信息和报警信息，PLC和触摸屏之间连接通信。移栽机状态信息通过PLC转换与传递，处理后的信息传到触摸屏上实现动画显示、数据报表及实时报警等功能。

图2 系统结构图

2.1 功能模块

1)信息采集模块。采用漫反射式光电开关、电感式接近开关、磁性开关等传感器，将移栽机的实时工作状态信息进行采集。

2)控制模块。S7-200SMART PLC(SR40) CPU支持PPI、MPI、PROFIBUS等多种通信协议，支持6路高速数字量输入和2路数字量输出。系统采用该系列PLC作为控制器，控制移栽机的动作、信息处理和系统通信。

3)显示模块。系统使用昆仑通态TPC7062-Hi型触摸屏作为显示装置，满足了系统安装和工作环境的需求。该系统使用通过RS-485串口通信将TPC触摸屏和PLC之间进行连接通信。

4)AC-DC电源转换模块。检测装置需要24V的电压供电，PLC提供的24V输出电压不能满足触摸屏和大量传感器的安装，T-50D开关电源可以提供24、12、5V电压，为系统提供所需要的直流电压需求。

2.2 系统软件设计

2.2.1 PLC程序设计

系统设有I0.0～I2.1共17个输入和Q0.1～Q1.4共12个输出，系统PLC的I/O接口配置如表1所示。I0.0接通，系统开机，PLC通过磁性开关判断机械手的位置，并控制机械手的取喂苗动作，用于随动计数的接近开关将接收到的信号传给PLC，PLC将计数输出以此判断柔性输送苗筒的接苗、转动等动作状态。

以上说法颇多抵牾之处。实际上，金门诏本人及友人的说法最为可信。金门诏纂修的《休宁金氏族谱》(乾隆十三年活字本)卷八自述“生康熙癸丑”，可推知其生于康熙十二年。张廷玉《休宁金氏族谱·序》言金门诏“钦点翰林，年已六十四岁”。据《鹤征后录》载，金门诏乾隆元年钦点进士，改翰林院庶吉士，张廷玉所言当为虚岁计。顾惇量《金东山文集·序》谓金门诏“出知寿阳归，年八十卒”。

表1 PLC的I/O端口分配表

机械手苗爪对应的8个光电传感器接收到机械手取苗信号时接通，信号传到PLC，PLC通过逻辑运算关系计算出机械手总抓苗数量后输出。柔性输送苗筒导苗筒处的红外漫反射式光电开关接收到喂苗信号时接通，信号传送到PLC， PLC使用内部计数器对喂苗数量进行统计后输出。当有苗栽植成功时，栽植器上安装的光电开关接通，信号经PLC传输、转换后输出。同时，PLC对穴盘苗的漏取、漏喂、漏栽数量设定极限值，当达到极限时，PLC控制报警输出。PLC通过磁性开关来控制和判断各部件的位置状态并输出。

2.2.2 系统的组态设计

触摸屏采用MCGS(Monitor and Control Generated System，监视与控制通用系统)软件进行界面设计，通过对界面的设计完成对传输信息的界面显示和参数配置，将PLC收集的信号，以图表、指示灯、动画等组态方式将移栽机的工作状态直观显示，并将显示界面设计为数据显示界面、动作画面和报警信息3部分。

1)数据显示界面：对移栽机的取喂苗数量、栽植株距、工作量及工作时间等显示。通过该界面了解移栽机的工作情况。行进速度和栽植株距是可输入的变量，触摸屏对数值输入的设置可间接修改PLC内部寄存器值，从而改变移栽机的工作信息值。

2)动画显示界面：用来显示移栽机各部件实时的动作状态，包括机械手、柔性输送苗筒和栽植器的实时动画，同时显示实时的栽植状态。PLC控制运动部件的动作，并将信息输出，触摸屏与PLC建立连接，PLC处理后的信息可直接在触摸屏上显示。

3)报警显示界面：该界面主要由指示灯和报警条组成。当出现取苗、喂苗或漏苗异常的问题时，对应的指示灯亮，发出报警信号。操作人员可根据指示灯的提示查找故障位置。

界面设置完成后需要对界面中的内容设置变量连接，在设备通道增加变量，且地址与PLC地址对应，触摸屏和PLC通过RS485串行通信，将外部信息通过PLC处理，在触摸屏上显示。组态软件中设备通道的变量设置将触摸屏组态功能与PLC中的存储单元、I/O接点之间建立对应关系，实现触摸屏对PLC参数的输入、当前值及故障点的显示。

3 试验

3.1 试验条件

为了验证该系统的可靠性，于2016年3月20日在新疆农业大学农业机械实验室进行验证试验。试验设备有穴盘苗移栽的取喂试验装置样机1台；空气压缩机1台；24V供电电源；VFD0-15M43B型变频器；直尺(精度为0.1mm)；游标卡尺(精度为0.02mm)；苗龄为61天，真叶为6片，苗高在149.6～179.7mm之间的“早熟一号”辣椒穴盘苗。

3.2 试验方法

将设计好的程序和组态界面分别导入到PLC和触摸屏，安装好传感器，按照接线标准和I/O端口分配设置接线，以田间作业行驶速度1.2km/h的标准，将样机置于运行状态，供电后系统开机。观察各部件的实际运行状态与触摸屏上显示的运行状态是否一致；当出现栽苗异常时是否能够及时通知报警；测定显示准确率，包括对机械手取苗数显示检测和柔性输送苗筒喂苗数显示检测两种，且分别用5组数据说明，结果如表2、表3所示。

表2 机械手取苗数显示检测

表3 柔性输送苗筒喂苗数显示检测

3.3 结果与分析

在试验过程中，通过观察和检测可知：样机各部件的运行状态和触摸屏显示的运行状态一致；机械手取苗数显示检测的准确率为99.2%，柔性输送苗筒喂苗数显示检测准确率为99.6%；当传感器检测到有苗栽植的信号时，在触摸屏上指示灯闪烁显示；当气缸气压不足0.6MPa时，报警提示气压不足；当检测到机械手单个苗爪连续漏取苗数达到10株时，显示机械手取苗异常报警；当检测到柔性输送苗筒连续漏喂苗数达到20株时，显示柔性输送苗筒喂苗异常报警；当检测到连续未栽苗数达到20株时，显示栽苗异常报警，报警信息同时在历史报警表格中记录。图3为试验验证图，图4为试验中的实时报警显示界面。

4 结论

试验表明：该设计基本达到了预期的要求，满足了操作者对所需信息了解的需求。在移栽机上安装检测系统，能够实时采集、显示移栽机的工作状态信息。其人性化的人机界面设计，方便了操作人员实时了解移栽机的工作状态，提高了移栽机的智能化及自动化水平。

图3 试验验证

图4 试验中的实时报警显示

[1] 韩长杰，赵晓伟，郭辉，等.辣椒穴盘苗形态特性的测定试验研究[J].农机化研究，2015，37(7)：191-193.

[2] 赵晓伟，韩长杰，郭辉，等.辣椒穴盘苗自动移栽机的设计及田间试验[J].甘肃农业大学学报，2015，50(6):165-169.

[3] 陈进，季园园，李耀明.基于PLC和触摸屏的联合收割机监控系统设计[J].仪表技术与传感器，2014(7):78-81.

[4] 吴俭敏，张小超，金鑫，等.苗盘穴盘苗自动识别及控制装置的设计与试验[J].农业工程学报，2015，31(1):47-52.

[5] 李晓娜，刘宝顺，刘瑞昌.基于PLC和触摸屏技术的制袋设备控制系统及界面设计[J].包装工程，2014，35(5):50-53.

[6] 廖常初.S7-200SMART PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2013.

[7] 苗中华，褚剑刚，刘成良，等.采棉机智能监控系统CAN应用层协议设计[J].农业机械学报，2012，43(1):180-184.

[8] 魏新华，李耀明，陈进，等.联合收割机工作过程智能监控装置的系统集成[J].农业工程学报，2009，25(S2)：56-60.

[9] 蒋晓峰，施伟锋，刘以建.基于触摸屏和PLC的船舶电站监控系统设计[J].电力自动化设备，2011(1):122-125.

[10] 赵晓伟，韩长杰，郭辉，等.新疆旱地移栽机的现状及发展趋势[J].新疆农机化，2014(4)：25-29.

[11] 李君华，王生学，张侃谕.基于PLC和组态软件的现代温室控制系统设计[J].工业仪表与自动化装置，2008(2) :25-27.

[12] 浦海洋.基于PLC与触摸屏的污水处理监控系统的开发[D].苏州：苏州大学，2014.

[13] 廖常初.S7-200 SMART PLC编程及应用(第1版)[M].北京：机械工业出版社，2013.

[14] 张伏，王唯，张亚坤，等.PLC和MCGS组态软件在温室控制中的应用[J].农机化研究，2014，36(10)：205-208.

[15] 严盈富.触摸屏与PLC入门[M].北京：人民邮电出版社，2006.

Design of Detecting System for Automatic Transplanter

Han Changjie, Liu Yun, Guo Hui, Zhou Yansheng, Xia Guangbao

The detecting system was designed, PLC and touch screen were used in the system. It is easy to know the real-time working status of automatic transplanter, and when the malfunctions happened we can find location of the fault quickly. PLC is the controller in the system. Sensors were contacted to PLC which used to collect the key parts position of automatic transplanting, such as manipulator, nycelles and following seedling-cylinders, TPC7062-Hi is one type of human machine Interaction (HMI), it is used to display planting information, alarm signal, fault location and automatic transpalnter working state. According to the tests, the system can be working stabilized, all the detected information of automatic transplanting showed on the touch screen, and give operators warning at the right time, so the operators are easy to got automatic transpalnter working information.

automatic transplanter; detection; PLC; touch screen

2016-05-28

国家自然科学基金项目(50905153；51565059)

韩长杰(1980-)，男，河南遂平人，副教授，博士，(E-mail)hcj_627@163.com。

S223.9；S24

A

1003-188X(2017)07-0058-04