基于PLC的溫室自動(dòng)化苗床輸送系統(tǒng)的研究

李元強(qiáng)，陸強(qiáng)強(qiáng)，辜　松，程大鵬，邵　東

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱　150030；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州　510642 )

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基于PLC的溫室自動(dòng)化苗床輸送系統(tǒng)的研究

李元強(qiáng)1，陸強(qiáng)強(qiáng)1，辜松2，程大鵬1，邵東1

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱150030；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州510642 )

摘要：針對(duì)溫室自動(dòng)化苗床輸送系統(tǒng)在苗床運(yùn)輸過(guò)程中不能連續(xù)運(yùn)輸苗床的問(wèn)題，提出了一種新的自動(dòng)化苗床運(yùn)輸機(jī)構(gòu)，利用雙推桿解決不能夠連續(xù)運(yùn)輸?shù)膯?wèn)題。為此，介紹了自動(dòng)化苗床輸送系統(tǒng)的工作原理、機(jī)構(gòu)的組成、控制系統(tǒng)的硬件組成和PLC編程。樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高、操作簡(jiǎn)單及維修方便等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的推廣和使用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：苗床輸送；控制系統(tǒng)；PLC；自動(dòng)化；溫室

0引言

近年來(lái)，苗床輸送系統(tǒng)逐漸被關(guān)注和研發(fā)。這一系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在軌道上橫向、縱向搬運(yùn)苗床，最終到達(dá)指定地點(diǎn)。該苗床輸送軌道系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)界面顯示控制和作業(yè)流程，直觀簡(jiǎn)潔，大大減輕了搬運(yùn)作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度和用工量。目前，國(guó)內(nèi)這種苗床輸送軌道系統(tǒng)還沒(méi)有普及，大多數(shù)溫室大棚內(nèi)的盆花擺放、轉(zhuǎn)移和運(yùn)輸還是完全由人工來(lái)完成，需要大量的勞動(dòng)力，并花費(fèi)大量的時(shí)間。

自動(dòng)化苗床輸送系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)沒(méi)有得到廣泛使用的原因：一是溫室的規(guī)模不夠大，鋪設(shè)自動(dòng)化苗床輸送系統(tǒng)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益不明顯；二是國(guó)內(nèi)苗床輸送系統(tǒng)的研究還不夠成熟，基本處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。自動(dòng)化苗床輸送系統(tǒng)是溫室規(guī)模持續(xù)擴(kuò)張的基礎(chǔ)，因此對(duì)自動(dòng)化苗床輸送系統(tǒng)的研究與推廣是必然的過(guò)程。

苗床輸送系統(tǒng)由單體苗床、苗床導(dǎo)軌、苗床轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)組成。苗床可以在苗床導(dǎo)軌上做橫縱向移動(dòng)。其中，橫向軌道上配置苗床轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)苗床的縱向轉(zhuǎn)移，形成了完整的苗床輸送系統(tǒng)。不論是剛剛完成的種苗移栽，還是成品上市盆花的移栽，均可以通過(guò)這套系統(tǒng)高效完成。苗床裝滿盆花后通過(guò)苗床輸送軌道或苗床搬運(yùn)車自動(dòng)搬運(yùn)至溫室內(nèi)指定位置，苗床輸送軌道可以對(duì)苗床進(jìn)行橫向或縱向輸送。利用苗床搬運(yùn)盆花作業(yè)效率較高，適合于大型種植企業(yè)[1-2]。

PLC是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，具有使用方便、編程簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)、性能價(jià)格比高、維修工作量小及維修方便等特點(diǎn)，近年來(lái)在自動(dòng)化、機(jī)電一體化及傳統(tǒng)技術(shù)改造等技術(shù)方面得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[3]。

為了進(jìn)一步推動(dòng)苗床輸送系統(tǒng)的發(fā)展，本系統(tǒng)采用了一種新的苗床運(yùn)輸機(jī)構(gòu)，并且使用PLC進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使整個(gè)自動(dòng)化苗床輸送系統(tǒng)做到簡(jiǎn)潔、易操作和運(yùn)行穩(wěn)定。

1苗床輸送系統(tǒng)的組成及工作原理

1.1苗床輸送系統(tǒng)的組成

自動(dòng)苗床輸送系統(tǒng)主要由橫向輸送系統(tǒng)、縱向輸送系統(tǒng)及苗床轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)3部分組成，其三維仿真設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.推拉桿　2.從動(dòng)輪　3.抬升桿　4.橫向輸送框架

1.1.1橫向運(yùn)輸系統(tǒng)

橫向運(yùn)輸系統(tǒng)用于苗床在橫向上的運(yùn)輸。在橫向運(yùn)輸軌道的兩側(cè)安裝有主動(dòng)輪和從動(dòng)輪，軌道兩邊的從動(dòng)輪帶有邊緣，起到限定苗床位置、防止苗床在運(yùn)輸過(guò)程中脫離橫向運(yùn)輸軌道的作用。在從動(dòng)輪中間穿插著主動(dòng)輪，主動(dòng)輪由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，是苗床運(yùn)動(dòng)的直接原因。

1.1.2縱向運(yùn)輸系統(tǒng)

縱向運(yùn)輸系統(tǒng)用于苗床在縱向上的運(yùn)輸，在縱向運(yùn)輸軌道的兩側(cè)同樣安裝有主動(dòng)輪和從動(dòng)輪；但縱向運(yùn)輸軌道兩側(cè)的從動(dòng)輪不帶邊緣凸起，原因是在運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生的微小偏移不足以影響苗床在縱向運(yùn)輸軌道上的運(yùn)輸。主動(dòng)輪也是由直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。

1.1.3苗床轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)

苗床轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)由抬升機(jī)構(gòu)和推拉機(jī)構(gòu)兩部分組成。

1)抬升機(jī)構(gòu)中，由置于橫向軌道框架內(nèi)部的圓棒抬桿抬升苗床，抬桿與四桿機(jī)構(gòu)連接，電機(jī)帶動(dòng)四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)抬桿上升與下降。抬桿上升幅度不大，僅僅需要把苗床抬升至超過(guò)從動(dòng)輪邊緣的高度。

2)推拉機(jī)構(gòu)中，設(shè)定為雙推桿交互推拉的形式，推拉桿上固定有前后推拉板。推拉板之間的距離比苗床的寬度大5～10mm，并且推拉桿的高度要低于苗床在橫向輸送軌道上的運(yùn)行高度。推拉桿的一端與直流電機(jī)連接在一起，由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)推拉桿轉(zhuǎn)動(dòng)、轉(zhuǎn)換推拉板的位置，從而保證工作的推拉桿上推拉板能夠正常工作，不工作的推拉桿上的推拉板不妨礙苗床在軌道上的換向與運(yùn)輸。推拉桿用底座與傳送帶固接，實(shí)現(xiàn)縱向的雙向循環(huán)運(yùn)動(dòng)。

1.2工作原理

苗床由溫室操作間搬運(yùn)至自動(dòng)化苗床橫向輸送軌道上，橫向軌道開(kāi)始運(yùn)行，通過(guò)PLC控制苗床運(yùn)行距離。當(dāng)?shù)竭_(dá)橫縱苗床運(yùn)輸軌道的交叉處時(shí)，苗床轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)將苗床從橫向運(yùn)輸軌道推至縱向運(yùn)輸軌道，在縱向運(yùn)輸軌道上到達(dá)指定位置，然后再順序運(yùn)輸下一苗床。在整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程中均由PLC進(jìn)行控制，苗床最初運(yùn)送的位置可以通過(guò)按鈕輸入預(yù)先設(shè)定，靈活方便。

2控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

自動(dòng)苗床輸送控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要有PLC、變壓器(將家用220V電壓轉(zhuǎn)換成圖2中24V的電壓)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)及直流電機(jī)等組成?？刂葡到y(tǒng)的電路圖如圖2所示。

采用的PLC為三菱FX1N-40MT-001，可以進(jìn)行端口的擴(kuò)展，外部驅(qū)動(dòng)電源采用交流電，自帶晶體管24點(diǎn)輸入/16點(diǎn)輸出端口。

圖2　控制系統(tǒng)的電路圖

晶體管是一種電子元件，是通過(guò)基極電流來(lái)控制集電極與發(fā)射極的導(dǎo)通，是無(wú)觸點(diǎn)元件；而且只能接直流24V的負(fù)載，有極性要求[4]。輸入端子是可編程控制器從外部開(kāi)關(guān)接收信號(hào)的窗口，分別接入開(kāi)關(guān)和驅(qū)動(dòng)器等控制元件信號(hào)；輸出端子是可編程控制器向外部被控制元件發(fā)出指令信號(hào)的窗口，可以接入電機(jī)、傳感器及氣缸等執(zhí)行元件。在PLC的應(yīng)用中，其主要的輸入/輸出點(diǎn)的分配，如表1所示。

表1　PLC主要輸入/輸出點(diǎn)的分配

推拉桿的輸送使用步進(jìn)電機(jī)，由于步進(jìn)電機(jī)在工作過(guò)程中需要輸入一定頻率的信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而且正反轉(zhuǎn)需要專門的信號(hào)控制，所以為步進(jìn)電機(jī)配備步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(SJ-2H30M5)。每輸入1個(gè)電脈沖，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)1個(gè)角度前進(jìn)1步[5]。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變步進(jìn)電機(jī)繞組通電的順序，電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。所以，可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)各相繞組的通電順序來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度。橫縱輸送軌道上的直流電機(jī)、四桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和推拉桿一端的直流電機(jī)都是由運(yùn)行距離和運(yùn)行速度計(jì)算出時(shí)間，再用PLC內(nèi)部的定時(shí)器控制工作時(shí)間。

3PLC程序設(shè)計(jì)

PLC的CPU采用順序邏輯掃描用戶程序的運(yùn)行方式，即如果一個(gè)輸出線圈或者邏輯線圈被接通或斷開(kāi)，那么該線圈的所有觸點(diǎn)不會(huì)立即動(dòng)作，必須等掃描到該接觸點(diǎn)才會(huì)動(dòng)作[6]。在一輪掃描結(jié)束后，如果電源不斷，PLC將繼續(xù)重新開(kāi)始進(jìn)行程序掃描。在每次重新掃描開(kāi)始時(shí)，都要對(duì)輸入信號(hào)重新采集，對(duì)輸出信號(hào)和程序中的線圈進(jìn)行刷新。圖3為自動(dòng)化苗床運(yùn)輸系統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)程序流程圖。

整個(gè)程序控制過(guò)程分為3個(gè)步驟：

1)苗床在軌道上的運(yùn)輸。這一過(guò)程包括苗床在橫向、縱向運(yùn)輸軌道上的運(yùn)輸。當(dāng)苗床被搬運(yùn)至橫向運(yùn)輸軌道上，打開(kāi)總開(kāi)關(guān)，指定第一個(gè)苗床要運(yùn)輸?shù)降奈恢?，按下相?yīng)的位置按鈕，PLC開(kāi)始工作。苗床在運(yùn)輸軌道上的循環(huán)運(yùn)輸，是通過(guò)循環(huán)指令(FOR…NEXT…)控制的，由于苗床的最終位置是不斷變化的，在循環(huán)指令中穿插著位置遞增或遞減的指令(INC/DEC)。其中，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間是通過(guò)PLC中的四則運(yùn)算指令(SUB/MUL)計(jì)算出來(lái)的。在保持通電的狀態(tài)下，直到苗床被擺滿之前，該循環(huán)程序不斷運(yùn)行。

2)苗床轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。在苗床到達(dá)橫縱苗床運(yùn)輸軌道的交叉處時(shí)，苗床轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運(yùn)行，首先由PLC發(fā)出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)四桿機(jī)構(gòu)的直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，苗床抬升桿上升將苗床升至最高位置停留，緊接著與推拉桿固結(jié)在一起的傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)，傳送帶的運(yùn)轉(zhuǎn)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。PLC在控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)用到步進(jìn)脈沖定位指令(DRVI),該指令可以設(shè)置輸出脈沖總數(shù)、輸出脈沖頻率、脈沖的發(fā)出點(diǎn)和方向點(diǎn)。其中，K4000為指定的脈沖輸出總數(shù)；K1000為輸出脈沖的頻率；Y001為脈沖發(fā)出點(diǎn)，即與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的CP端相連；Y002為方向點(diǎn)，即與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的DIR端相連。當(dāng)該控制指令執(zhí)行完畢，所有脈沖信號(hào)發(fā)完后，M8029自動(dòng)閉合，啟動(dòng)M5，推動(dòng)程序繼續(xù)向下運(yùn)行。圖4為DRVI指令在程序中的應(yīng)用。

圖3　PLC控制系統(tǒng)程序流程圖

圖4　DRVI指令的應(yīng)用

3)判斷苗床是否擺滿。判斷苗床是否擺滿用到比較指令(CMP)。該指令置于苗床列數(shù)循環(huán)控制程序之后，但處于苗床行數(shù)循環(huán)控制程序之內(nèi)。該指令的模式為：CMP K2 D2 M9。比較指令內(nèi)比較的是當(dāng)前擺放行數(shù)與總行數(shù)的大小。其中，K2為總行數(shù)；D2為當(dāng)前行數(shù)；M9比較結(jié)果的輸出。這一程序段在實(shí)體樣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中只體現(xiàn)在當(dāng)苗床擺滿時(shí)，程序跳出循環(huán)，所有機(jī)器停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

根據(jù)以上工作步驟及程序控制流程圖，用GX Developer 編程軟件和梯形圖編程語(yǔ)言編寫控制程序。GX Developer是一款專門適用于三菱PLC的編程軟件，適用于三菱全系列可編程控制器，可進(jìn)行程序的線上更改、監(jiān)控及調(diào)試，具有異地讀寫PLC程序的功能。編程時(shí)，可以將程序分塊編寫，分別寫入PLC內(nèi)進(jìn)行監(jiān)控調(diào)試，待運(yùn)行成功達(dá)到預(yù)期制定功能后，再將各分段程序適當(dāng)?shù)慕M合在一起。這樣編程，檢測(cè)時(shí)易于發(fā)現(xiàn)出錯(cuò)點(diǎn)，并且不易混亂。

將編寫的分段程序整合，寫入PLC內(nèi)，在沒(méi)有連接其他硬件的情況下檢測(cè)程序運(yùn)行的可行性。在確定程序可以運(yùn)行的情況下，連接其他硬件，控制整體樣機(jī)空載試運(yùn)行。在確保整體樣機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)及零部件都能夠順利運(yùn)轉(zhuǎn)后，可進(jìn)行秧苗或盆花的運(yùn)輸。

4結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了基于PLC的溫室自動(dòng)化苗床搬運(yùn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了從人工搬運(yùn)方式到機(jī)械自動(dòng)化苗床搬運(yùn)方式的過(guò)渡，大大減少了工作人員的數(shù)量、降低了勞動(dòng)力成本。該系統(tǒng)解決了目前苗床輸送系統(tǒng)在苗床運(yùn)輸過(guò)程中不能夠連續(xù)運(yùn)輸苗床的問(wèn)題，具有操作方便、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便及性能良好等優(yōu)勢(shì)。

2)就應(yīng)用前景而言，目前這種自動(dòng)化的苗床運(yùn)輸方式在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用，在當(dāng)前溫室迅速發(fā)展的趨勢(shì)下，該溫室自動(dòng)化苗床輸送系統(tǒng)應(yīng)用前景廣闊，具有一定的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

參考文獻(xiàn)：

[1]辜松.荷蘭溫室“自動(dòng)化”無(wú)處不在[N].中國(guó)花卉報(bào)，2013-4-20(3).

[2]辜松，楊艷麗，張躍峰.荷蘭溫室盆花自動(dòng)化生產(chǎn)裝備系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012,28(19)：1-8.

[3]李元強(qiáng)，李晨，辜松.PLC在滾刷式秧苗去葉裝置控制系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2014,36(2)197-200.

[4]唐愛(ài)民.關(guān)于PLC輸出類型的選擇及使用中的注意事項(xiàng)[J].紡織機(jī)械，2008(6)：25-27.

[5]董曉慶,黃杰賢,張順揚(yáng).步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2008(6):14-17.

[6]劉艷梅,陳震，李一波,等.三菱PLC基礎(chǔ)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：182-226.

The Research of Greenhouse Automated Seedbed Conveying System Based on PLC

Li Yuanqiang1，Lu Qiangqiang1，Gu Song2，Cheng Dapeng1，Shao Dong1

(1.College of Engineering，Northeast Agricultural University，Harbin 150030,China ；2.College of Engineering，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China)

Abstract：n order to solve the problems that the greenhouse automated seedbed conveying system can’t continuous transport seedbed in the process of seedbed transport. We proposed a new automated seedbed conveying mechanism, which is using double push rod to solve the problems.Application and implementation of the PLC in the automated seedbed conveying control system were studied.The main contents include the working principle of the conveying system,the formations of the mechanism, the hardware components of the control system and the program with PLC. The experimental results from prototype indicates that the system is capable of stable operation and high reliability, it is easy to operate and maintenance,the promote value and the use value are relatively high.

Key words：seedbed conveying； control system； PLC； automated; greenhouse

文章編號(hào)：1003-188X(2016)05-0152-04

中圖分類號(hào)：S625.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：李元強(qiáng)(1969-)，男，黑龍江友誼人，副教授，(E-mail)lyts@neau.edu.cn。

基金項(xiàng)目：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題項(xiàng)目(548008)

收稿日期：2015-01-31