基于PLC 的采摘機械手電氣自動化技術研究

牛萌

曹妃甸職業(yè)技術學院 河北省唐山市 063200

科學技術的不斷發(fā)展，帶動了現代農業(yè)生產技術的不斷更新，使得現代農業(yè)生產活動的機械化水平大幅度提高。特別是電氣自動化、人工智能等技術在現代農業(yè)生產活動中的有效應用，使得具有自主作業(yè)能力的機械成為農業(yè)生產過程中的主要力量，采摘機器人就是其中之一。但是，自動化控制系統具有一定的局限性，而受到這種局限性的影響，傳統采摘機器人的實際應用效果并不理想，主要表現為采摘效率較和智能代水平較低?；谶@一問題，隨著PLC 控制系統的不斷成熟和完善，其實踐應用范圍也越來越廣泛，將PLC 控制系統與傳統采摘機器人進行有機融合，能夠有效提高采摘機械手的電氣自動化技術水平，從而使采摘機器人的作業(yè)效率以及智能化、自動化控制水平，都得到大幅度提升，對推動現代農業(yè)產業(yè)的機械化發(fā)展，發(fā)揮了不可替代的重要作用。

1 PLC 控制系統概述

PLC 控制系統是以傳統順序控制器作為基礎，同時將微電子、計算機、自動控制以及通訊等先進技術融入其中，從而形成了新型工業(yè)控制裝置，這就是PLC 控制系統。在實際應用中，PLC 控制系統具有很多優(yōu)勢，如通用性強、適用范圍廣、操作方便、編程簡單、性能可靠，而且還具有非常強的抗干擾能力。除此之外，PLC 的處理能力是非常強大的，將其應用于采摘機械手之中，能夠有效實現采摘機械手的自動化控制，從而有效完成各種采摘作業(yè)任務，使采摘機器人的整體運行效率，得到明顯提升。

2 基于PLC 的采摘機械手測控平臺概述

機械手是采摘機械器的重要組成部分，也是完成采摘工作的關鍵部件。因此，采摘機械手提自動化和智能化水平，對農業(yè)生產中的采摘活動效率具有直接的影響，主要表現為采摘效率和質量水平的高低。在實際開展采摘活動時，要求采摘機械手必須具有良好的性能，包括行動迅速、靈活，而且對采摘的精確度要求較高，必須準確可靠，只有這樣才能夠有效完成采摘任務，高質量、高水平地完成農業(yè)生產活動。而要達到這一目標，就需要在采摘機械手中應用電氣自動化控制系統，有效提高對采摘機械手的控制水平，實現智能化、自動化控制，顯著提高控制精確度，優(yōu)化采摘機械手的整體性能質量。

基于PLC 的電氣自動化控制系統，具有能夠預定任務并根據預定條件完成任務的優(yōu)勢性能。其具體做法是，提前根據需要完成的任務進行編程，設定好采摘作業(yè)任務要求，然后基于PLC 的電氣自動化控制系統就會依照程序設定運行，有效控制采摘機械手完成預定任務，保證采摘質量和效率。

PLC 測控平臺是采摘機械手的重要組成部分，同時也是確保PLC 電氣自動化控制系統能夠正常運行的關鍵零部件。在上位機以及信號采集過程中，PLC 測控平臺承擔著重要的樞紐作用，能夠將傳感器采集的信息，通過PLC 進行放大、整形和比較，然后和A/D 轉換，進而獲得準確的采集位置信息，并與程序設定的信息進行對林，從而準確判斷機械手示端與待采摘作物之間的距離，最后根據得到的準確信息，再驅動電液比例方向閥，準確控制采摘機械手，移動到待采摘的作果所在位置，順利進行采摘作業(yè)，完成采摘任務。

注意，在進行采摘機械手設計工作中，可以根據采摘作業(yè)的實際需求，對外圍接口數量可以進行合理調整，必要時可開發(fā)更多的外圍接口。對于自動化控制的方式，可采用電機控制中的增量式PI 控制方式，從而有效提高控制精確度，使控制誤差得到有效降低。

3 采摘機械手電氣自動化控制軟件系統設計

采摘機械手自動化控制的有效實現，是以計算機軟件技術作為基礎的。因此，對于采摘機械手電氣自動化控制系統軟件的設計，是最為關鍵的一個環(huán)節(jié)，也是決定采摘機械手智能化水平以及實際應用效果的關鍵部分。所以，為了有效優(yōu)化采摘機械手的智能化、自動化控制水平，提高采摘機器人的整體性能，必須對相關軟件系統進行科學合理的設計。以PLC 電液控制系統作為基礎，充分利用傳感器實現環(huán)境監(jiān)測功能，確保采摘機械手在作業(yè)過程中，能夠實現對采摘區(qū)域的實時監(jiān)測，以確?？刂葡到y能夠實時獲得采摘機械手位置、待采果實位置以及兩者之間的距離等相關信息，進而對采摘機械手進行精準控制，有效保證采摘作業(yè)質量。

采摘機器人的電氣自動化控制系統結構可以分為五個部分，分別是傳感器組件、PLC 測控平臺、比例控制放大器、電液比例方向閥以及機械手執(zhí)行機構。采摘機械手在進行作業(yè)時，需要由傳感器進行信息采集，然后將采集到的信息傳送到PLC 測控平臺中。PLC 測控平臺會對信息進行處理，然后根據處理結合，再將控制信號發(fā)送至比例控制放大器中，根據控制信號的要求，對電液比例方向閥實施控制，從而通過聯動作用使采摘機械手的末端執(zhí)行機構根據控制信號的要求，執(zhí)行采摘作業(yè)。

在對采摘機械手電氣自動化控制軟件進行系統設計時，必須明確控制的主要流程。在對采摘機械手進行自動化控制的過程中，主要流程如下：

首先，需要對采摘機器人及機械手的實如位置信息進行輸入。其次，對于待作業(yè)區(qū)域以及待采摘的目標，使用傳感器對其進行信息采集，確定采摘機械手末端執(zhí)行機構與待采目標的距離。然后通過對比分析，對采摘機械手的位置進行調整。最后，需要利用PID 控制程序，對子程序進行控制，從而使比例閥能夠按照相關要求作出相應的動作，完成采摘任務。

注意，在使用電氣自動化系統對采摘機械手進行控制時，應采用PID 算法中的PI 控制方式，對電機實施控制，從而確連控制的連續(xù)性。除此之外，在軟件設計過程中，通過應用增量式PI 控制，還能夠有效避免誤差累加現象的發(fā)生。這是因為增量式控制與3次數據相關，能夠實施加權處理，多而有效消除誤差造成的不良影響。因此，和其他控制方式相比，增量式PI 控制更適合采摘機械手的電要控制要求，對優(yōu)化采摘機械手的整體性能，具有積極的作用。

在軟件設計過程中，應用增量式PI 控制算法，需要對比例增益情況進行精準計算，還要計算出積分時間這一數據，然后設計允許的誤差范圍，利用相關計算公式進行一系列計算工作，能夠準確得到增量控制數值，從而為優(yōu)化采摘機械手的自動化控制精確度水平，提供可靠的參數依據。

4 基于PLC 的采摘機械手控制系統研究

采摘機器人對采摘目標具有自主識別功能，能夠有作業(yè)過程中自主識別作物果實。識別之后，通過控制系統傳達命令，準確地將采摘機器人移動到作業(yè)區(qū)域，并由采摘機械手執(zhí)行采摘命令，對果實進行準確定位，再固定機械手位置，然后由采摘機械手的末端執(zhí)行機構來完成采摘任務。在這過程中，控制系統的精度水平，會對采摘作業(yè)的結果產生直接影響。如果控制系統的精度水平較低，就會導致較高的果實漏采率以及破損率，不僅無法有效完成采摘任務，還會對果實造成不必要的損害，影響果實的經濟價值，降低農業(yè)生產活動的經濟效益。因此，將PLC與PID控制系統與采摘機械手進行有機融合，能夠全面優(yōu)化采摘機械手的電氣自動化控制水平，使其控制精度大幅度提高，從而有效提高采摘效率和采摘質真，真正實現提高生產效率的目的，既減輕了農民的工作量，同時也能夠提高農業(yè)生產效率，創(chuàng)造更大的經濟價值。

所以，對基于PLC 的采摘機械手控制系統進行深入研究，是我國進行現代化農業(yè)建設工作不可或缺的一項重要工作。通過研究發(fā)現，對于采摘機械手電氣自動化控制系統來說，其控制內容主要分為輸入量和輸出量兩個部分，而這兩部分，都可以利用PLC 程序對其實施自動化控制。而且，為了更好地應用PLC 程序，使采摘機械手的電氣自動化控制性能水平得到顯著提升，在實際應用過程中發(fā)揮出更高水平的應用價值，還可以設計可視化界面窗口，使用MCGS 軟件中的近制器件庫、圖形控件等功能，對采摘機械手的電氣自動化控制系統進行有效完善，使其不僅能夠對采摘機械手末端執(zhí)行機構實現高精度控制，還能夠建立狀態(tài)監(jiān)測系統，實現對采摘機械手系統運行狀態(tài)的實時監(jiān)測、當前值顯示以及故障報警等功能。除此之外，還可以建立對采摘機械手的遠程控制功能，實施遠程強制干預，在遇到突發(fā)情況時，確保采摘機械手能夠具有較好的急停功能。特別是在漏采或破損率較高時，能夠及時發(fā)出警報，這對保證采摘質量，具有至關重要的影響。

通過實踐測試證明，基于PLC 的采摘機械手，其電氣自動化控制水平大幅度提高。在采摘作業(yè)過程中，破損及漏采率非常低，控制精度高，能夠充分滿足采摘機械人的設計以及實踐作業(yè)要求。

5 結語

綜上所述，為了加強我國現代農業(yè)建設，提高農業(yè)機械化水平，需要對采摘機械手電氣自動化技術不斷進行深入研究，通過更新技術，特別是將PLC 控制系統與采摘機械手電氣自動化技術進行有機結合，能夠用提高采摘機械手的智能化和自動化水平，使采摘機械手的控制精度得到大幅度提高，從而進一步優(yōu)化現代農業(yè)的機械化生產水平和生產質量。