基于PLC的全自动移栽机自动控制系统设计

2019-12-22刘新军裴新民

农机化研究 2019年5期

刘新军，裴新民，梁佳，李雪

(1.新疆农业大学机电工程学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆农牧业机械管理局，乌鲁木齐 830011；3.新疆巴州良佳农机制造有限公司,新疆焉耆 841100)

0 引言

由于育苗移栽技术具有对气候补偿和使作物生育提早的综合作用，目前新疆辣椒、番茄等农作物的栽培多数采用先育苗，后移栽的方法。目前，在新疆范围内大田移栽种苗基本采用人工移栽的方法，而不是机械移栽，但在新疆移栽种植面积较大、人工移栽成本高、周期长等多重因素的作用下，需要研发高速的自动移栽机械，快速完成辣椒与番茄等作物的移栽作业[1-3]。

基于PLC控制系统的自动穴盘钵苗移栽机不仅价格较低，而且结构简单，可以实现钵苗取苗、送苗及投苗全过程自动化，对于农作物钵苗移栽技术的研究具有重要的现实意义[4-7]。研究发现，影响移栽机在大田中使用效果及工作效率的主要影响因素：一是取苗、投苗的自动化程度；二是穴盘移动的自动化程度；三是分苗器与栽植器的偶合程度。而基于PLC的自动控制系统可以很好地解决以上问题，使移栽工作效率得到极大地提升。

本文针对基于PLC自动控制系统研究设计的辣椒穴盘苗自动移栽机，介绍了整体机构与自动控制系统的设计原理，并对该系统工作流程进行了解析，最后通过试验验证其工作的可行性。

1 整体机构与自动控制系统设计

1.1 系统结构的整体设计

基于PLC的全自动移栽机控制系统，主要针对穴盘苗的移栽。整机由机架装置、取苗装置、分苗投苗装置、送苗装置、栽植装置及PLC系统等组成。移栽机主要工作部件按照机具纵向中心面左右对称布置，可同时作业行数为2，左右移栽机构含完整的移栽组件[8]，具体结构如图1所示。

1.机架装置 2.栽植装置 3.取苗装置 4.分苗投苗装置 5.送苗装置

工作原理：整机与拖拉机采用悬挂式连接，拖拉机动力通过万向节带动皮带轮，由齿轮变速箱将动力分配到旋耕取土、气动、移盘、取苗及掷苗系统，完成自动移盘、取苗和掷苗等过程[9]。

整机取苗方式为夹取式，运行时可同时夹取8株幼苗，取苗爪含不损伤幼苗的保护装置，取苗完成后取苗爪垂直上升一定高度并旋转180°，将幼苗间歇性投入分苗箱内，通过植苗器将幼苗栽入土壤；当整盘幼苗栽植完毕，苗盘会继续运行直至到达置苗板，PLC系统控制推盘杆将苗盘横向推入悬挂于置苗板上的集盘箱内，工作完毕时将苗盘统一收集放置。

相对于普遍采用的取苗装置，其单次运行只取1株幼苗，然后将幼苗投入植苗器。本机通过在PLC系统中存储多个指令，即机械手的取苗力度、上升、下降、移动、旋转，以及气缸的控制指令等[10-13]，可同时取苗8株、分苗2株、间歇掷苗2株、栽植2株，解决了机械化自动取苗、掷苗等关键技术问题，使移植效率大大提高。推盘杆与集盘箱协调运行解决了以往栽植过程中农户需要将机械栽植完成后苗盘回收难的问题，节约了大量栽植时间，减轻了农户劳动强度。

1.2 自动控制系统的整体设计

设计穴盘苗移栽机时通常要求控制系统具有价格低、能耗小、便于控制、可靠性高及稳定性强的特点，所以最终选择PLC系统来实现取苗、送苗及移栽的一系列流程[4]。本机根据移栽机作业过程，设计了行星减速步进电机驱动分苗的工作过程，该过程包含控制移栽机自动移动分苗、栽植等多个流程。该分苗机构相对气动分苗方式可靠性更高，结构简单且能耗更低。分苗过程中，当外界压力和机器运行速度变化时，凸轮能够始终稳定分苗，循环使用过程中故障率更低。

首先，在PLC系统内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制全自动移栽机的生产过程[14]。控制系统中以PLC为主机，输入信号11个，由电感式接近开关组成，输出信号13个由电池阀执行，一整套系统完成钵盘定位，投苗定位，各部件相互衔接。通过传感器采集数据，PLC发布命令，最终整机只需1人就可完成取苗、掷苗、投苗、栽植、覆土及压土等作业，PLC系统完成一个工作流程后，系统自动跳转至下一任务，如此循环往复进行全自动的整个流程，直至切断电源，整个移栽装置停止工作。

2 PLC控制系统的工作原理及流程

2.1 自动移栽机控制系统的结构组成与控制流程图

整个控制系统以PLC为核心，对信号进行采集并驱动执行元件动作，完成移栽作业要求。

根据整个系统工作过程中的实际条件和要求，本设计采用了11个接近开关及11个电磁阀，其工作电压皆由直流电源升压器提供(12 V升24 V)。其中，11个接近开关皆为三线制接近开关，即两根线分别与可编程控制器的24 V和COM端连接，另一根线与可编程控制器的输入端连接，同时11个电磁阀其输入端分别与可编程控制器的输出端连接，最终在试验下确保了整个系统的流畅性。根据移栽机作业过程，设计了自动移栽机移栽的分苗装置结构和控制流程图，如图2和图3所示。

2.2 自动移栽机控制系统工作原理

工作过程：将钵盘放置于移盘输送链上，向前运动输送钵盘，首先通过标记位置将钵盘定位到初始位置，送盘位移参数调整初始位置的偏移量；初始钵盘就位后，由取苗器取出一排钵苗(4株)，通过送苗定位传感器定位送苗位置，待投苗爪运动到指定位置后，开始投苗，具体程序流程可参照图1所示。系统运行时，通过可编程控制器执行命令，当取苗夹打开时,秧苗自由落入鸭嘴内。详细运行过程如表1(此表由上至下查看；表格中部分分苗箱分隔板运动未明确表示)所示。

1.分苗箱 2.传动轴 3.凸轮机构 4.分苗板

1～11.接近开关 12～22.电磁阀 23.取苗器执行气缸A1、B1 24.左、右苗盘退格执行气缸C2-1、C2-2 25.左、右苗盘进格执行气缸C1-1、C1-2 26.左、右推空苗盘执行气缸F1、F2 27.取苗器执行气缸A2、B2 28.分苗箱左右位移执行气缸D1、D2 29.57行星减速步进电机 30.分苗板E1-1、E1-2、E2-1、E2-2、E3-1、E3-2、E4-1、E4-2

信号检测开关通电、断电电磁阀执行气缸执行气缸活塞杆状态棘轮转动取苗夹苗盘运动是否分苗414、15C1-1、C1-2伸出14、15C1-1、C1-2收缩至原位是前移1格112、13A1、A2收缩B1、B2下移至底部闭合2A1、A2回缩置顶12、13B1、B2伸出打开掷苗

当接近开关10检测到信号，57行星减速步进电机转动带动凸轮转动45°将E1-1、E1-2分苗板打开，穴苗落入鸭嘴，完成第一次栽植；当步进电机继续转动45°，E2-1、E2-2分苗板打开，并依次完成E3-1、E3-2和E4-1、E4-2分苗箱内穴苗的间歇性栽植，最终57行星减速步进电机转动由0°～180°。

通电0.8 s后，可编程控制器执行程序，分苗箱执行气缸的活塞杆伸出，开关闭合；取苗器旋转90°，之后执行表2中流程。

表2 自动控制系统工作2过程流程表

当接近开关(10)检测到信号，57行星减速步进电机转动带动凸轮转动45°并依次完成分苗箱内穴苗的间歇性栽植，最终57行星减速步进电机转动180°～360°。

通电0.8 s后，可编程控制器(1)执行程序，电磁阀18、19、20断电，分苗箱开关执行气缸的活塞杆伸出，开关闭合；取苗器旋转90°，之后执行表3中流程。

表3 自动控制系统工作3过程流程表

反复执行上述过程，直至接近开关5、6检测信号计数3次，左苗盘前移一格，然后电磁阀17断电，左苗盘执行气缸C1-1的活塞杆收缩至原位；同理，接近开关6、8检测信号计数3次，右苗盘前移一格，电磁阀19断电，左右苗盘执行气缸C1-2的活塞杆收缩至原位。

待移栽完整盘钵苗后，接近开关7检测到信号，两次计数，左单杆气缸F1的活塞杆伸出，其上的推板前移，将左空苗盘推落到集盘箱，待1 s后，电磁阀18断电，左单杆气缸F1收缩至原位置；同理，右空苗盘也执行程序并同时将苗盘推落到各自集盘箱，最终同时完成两盘钵苗的移栽工作，并顺序进行下一苗盘的移栽。

3 试验与结果

3.1 试验条件

试验选取45 天苗龄、8列×16行的128穴“美国铁板椒”穴盘苗为试验对象。对穴盘苗的基本形态特征株高、茎粗等使用游标卡尺测量，用电子天平测得穴盘苗的质量。试验测得育苗基质含水率32%左右，平均株高为182.4mm，平均茎粗为3.2mm。试验过程中随机选择穴盘苗，测定该自动控制系统自动取苗成功率、送苗成功率、移盘成功率及推空穴盘成功率。

3.2 试验结果及分析

为了验证基于PLC控制系统的输出穴盘育苗输送装置的有效性和可靠性，在大棚内生产了穴盘苗钵苗，并以此为基础进行了测试。试验过程中，分苗数与推空穴盘数分别在取苗数与苗钵移动行数上进行，移栽测试结果如表4和表5所示。

表4 PLC系统对取苗数与分苗数的影响

表5 PLC系统对自动移盘与推空穴盘的影响

由试验结果可知:采用基于PLC的全自动移栽机控制系统，取苗平均成功率为96.0%，分苗平均成功率为97.2%。试验过程中由于穴盘可进行循环使用，且部分苗盘多次使用后会产生易断裂、易碎等现象，为确保移栽过程中自动移盘、推空穴盘顺利进行，因此试验中自动移盘皆选取完整无瑕疵的穴盘，最终自动移盘平均成功率为100%，自动推空穴盘平均成功率为93.3%，取苗送苗操作程序均达到要求，且产品性能稳定。