基于PLC的穴盤苗移栽自動控制系統(tǒng)設計

伯艷廣

(赤峰工業(yè)職業(yè)技術學院，內蒙古 赤峰 024005)

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基于PLC的穴盤苗移栽自動控制系統(tǒng)設計

伯艷廣

(赤峰工業(yè)職業(yè)技術學院，內蒙古 赤峰 024005)

移栽技術可以促使蔬菜再生新根，提高產量和品質及土地利用率，在清除雜草、苗期澆水施肥和病蟲防治方面也有著重要的作用。育苗移栽工作量大，效率低，增加了種植戶的成本，也影響植株的生長發(fā)育，在移栽育苗中引入采用PLC系統(tǒng)的自動穴盤苗移栽技術，則可以克服這些缺點。為此，基于PLC技術設計了穴盤移栽控制系統(tǒng)。移栽試驗發(fā)現(xiàn)：該系統(tǒng)協(xié)調性好，可以進行自動取苗和送苗，取苗成功率98.2%，植苗成功率98.8%，移栽時間短，能夠達到育苗移栽的標準。

穴盤苗；自動移栽技術；機械手；PLC

0 引言

目前，傳統(tǒng)的播種方法已經遠遠不能滿足蔬菜產量的需要和種植要求，而移栽能夠避開幼苗的冷凍、干燥時期，可對氣候進行補償，提早農作物成熟時間及增加產量，在提高種植戶的收益和產量方面有著非常重要的意義[1-3]。穴盤育苗技術在20世紀就已經大面積地運用到農業(yè)生產中，能夠節(jié)約土地，且沒有緩苗期，幼苗易于成活，有益于工業(yè)化農業(yè)的發(fā)展。因此，集中育苗和規(guī)?；a使穴盤育苗代替?zhèn)鹘y(tǒng)育苗方式，育苗商品化已形成趨勢[4-5]。目前，大多采用的育苗種植移栽方法以人工方式為主，存在耗時長、勞動力多、效率低等缺點。自動育苗移栽機的運用提高了幼苗移栽效率，是現(xiàn)代農業(yè)的有效方法。移栽機可分為半自動和全自動兩種，半自動穴盤苗移栽機[6-7]準確性比較低，需要人工補苗，所需人力多且工作量大，且容易出現(xiàn)安全問題。因此，全自動穴盤苗移栽機的研發(fā)可提高穴盤苗移栽的工作效率，進一步提升蔬菜生產的經濟效益。在20世紀末，K.C.Ting[8]等人設計了一款安裝機械手的育苗移栽機器人，經試驗驗證發(fā)現(xiàn)：該設計移栽1棵苗耗時僅為2.6～3.25s，移栽的正確率在50%～95%。K.H.Ryu 等人借助笛卡爾坐標系研究改進了移栽機，由氣缸、卡盤和夾指組成，很大程度上提高了育苗移栽的效率和正確率[9]。目前，國內使用的穴盤苗移栽機大部分是半自動的，發(fā)展比較成熟，但從穴盤中取苗分苗需要人工輔助，重要使成本增加。研究基于PLC系統(tǒng)的穴盤苗移栽技術自動化控制系統(tǒng)中采用了PLC控制系統(tǒng)(Programmable Logic Controller)，可存儲指令程序，并執(zhí)行指令控制機械或生產操作[10]。

1 實驗研究設計

1.1 設計原理

基于PLC系統(tǒng)的穴盤苗移栽技術自動化控制系統(tǒng)由取苗機構、送苗機構、植苗器和PLC控制系統(tǒng)組成，在PLC控制系統(tǒng)中輸入取苗、送苗、植苗的指令并存儲在存儲器中，然后通過PLC系統(tǒng)發(fā)布指令，機械手執(zhí)行取苗、送苗、植苗任務，完成任務后系統(tǒng)自動刷新，重復整個過程。

1.2 總體設計

本設計采用PLC系統(tǒng)控制整個移栽過程，PLC經過數(shù)字運算,將存儲的指令通過數(shù)字式輸出，控制機械或生產操作。PLC控制系統(tǒng)具有可靠性高、穩(wěn)定性強的特點，因此機械控制中越來越多采用PLC來控制。工作時，PLC控制的穴盤苗移栽機由攝像頭采集確認位置信息，輸送至PLC系統(tǒng)，經PLC系統(tǒng)控制操作, 完成從穴盤苗中取苗、送苗和植苗的過程，實現(xiàn)穴盤苗的全自動移栽。

穴盤苗移栽中取苗、送苗步驟是移栽機成功與否的關鍵，是與半自動移栽機區(qū)分的決定性因素。本文采用插入式取苗，是將取苗針插入并夾住苗體，然后將苗體從穴盤取出；根據(jù)事先計算出的運動軌跡，移動夾持苗體的機械手，由定位裝置確定正確位置，送苗任務完成。植苗任務采用植苗器完成，將苗體定位送至植苗器中，完成整個移栽穴盤苗任務。

2 機構組成和取送苗定位控制

2.1 機構組成

穴盤苗移栽機主要由取苗裝置、送苗裝置、定位裝置、移栽裝置及PLC系統(tǒng)組成。PLC系統(tǒng)中輸入指令包括機械手的取苗力度、上升、下降、移動，以及氣缸的控制指令等。取、送苗機構主要由行星輪系驅動連桿機構、凸輪、夾持取苗臂機構，以及柔性鏈輸送曲線滑道組成。植苗機構采用與連桿綁定的植苗器。

2.2 取送、苗定位控制

取送苗定位主要由攝像頭和PLC系統(tǒng)組成。工作時，通過攝像頭采集圖像，識別位置，向PLC輸送位置坐標；PLC系統(tǒng)發(fā)出指令，進行取苗和送苗，控制機械手在正確的位置完成任務。定位工作的進行可以借助攝像頭和圖形處理技術來完成，保證了取苗送苗的準確性。

3 試驗與結果

3.1 試驗條件

穴盤苗移栽試驗采用“農博粉霸15號”番茄苗，培育在10×12規(guī)格的60穴的穴盤中，穴口大小為26 mm×26mm，穴底尺寸為10mm×10 mm，穴深為45 mm，育苗移栽期為45天，育苗基質含水率35%左右。試驗時，測得番茄苗平均高度為125.5 mm，隨機選取5盤番茄苗進行移栽試驗，并測定該裝置的移栽時間、取苗成功率及送苗成功率。

3.2 試驗設計結果及分析

為了檢測采用基于PLC系統(tǒng)的穴盤苗移栽技術自動化控制與系統(tǒng)的有效性，以“農博粉霸15號”番茄苗進行移栽，隨機取5盤番茄苗，在每盤番茄苗中隨機移栽30顆幼苗，共150顆番茄苗，獲取每盤苗整個移栽過程的移栽時間、每盤取苗成功率及送苗成功率，以檢測幼苗損傷率、成活率，確定移栽的有效性。檢測數(shù)據(jù)結果見表1～表3所示。

表1 整個移栽過程時間

表2 取苗送苗成功率 %

表3 幼苗成活率檢測 %

由檢測結果可知：采用基于PLC系統(tǒng)的穴盤苗移栽技術自動化控制的移栽機，移栽時間可以達到31顆/min，取苗成功率位98.2%，送苗成功率位98.8%，取苗送苗操作程序均達到要求。

4 結論

基于PLC系統(tǒng)設計了穴盤苗移栽自動控制系統(tǒng)。試驗驗證結果表明：采用PLC系統(tǒng)控制的自動移栽機移栽番茄苗，在苗期45天時移苗，移苗時間在1.9s/株左右，取苗成功率位98.2%，送苗成功率位98.8%，完全可以滿足農業(yè)生產需求。

試驗證明：基于PLC系統(tǒng)的穴盤苗移栽系統(tǒng)能夠提高生產效率，減少種植戶的成本投入，在連片種植中有非常大的應用價值。

[1] 陳達，周麗萍，楊學軍.移栽機自動分缽式栽植器機構分析與運動仿真[J]．農業(yè)機械學報，2011，42(8)：54-57．

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[5] 陳振德.蔬菜穴盤育苗技術[M].青島:青島出版社，1999.

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[8] Visser,Anthony.Apparatus for gripping balls containing plants.United States Patent:US,5121955[P].1992-06-16.

[9] Ryu K H,Kim G Y. Development of a gripper for robotic transplanter and evaluation of its transplanting performance[J].Korean Society for Agricultural Machinery,1998,23(3):271-276.

[10] 周虹. 氣動與PLC技術相結合在機械手設計中的應用[J]. 液壓與氣動,2004(3):38-39.

Plug Seedling Transplanting Technology and System Design Automation Control System Based on PLC

Bo Yanguang

(Chifeng College of Industrial Technology，Inner Mongolia，Chifeng 024005, China)

Transplanting technology can promote the regeneration of new roots, improve the yield and quality of vegetables, improve land utilization, most vegetable seedling growth slow, seedling age longer available up to 2 months old. Transplanting technique in removing weeds and watering seedling fertilization, pest control and also has an important significance. Seedling transplanting heavy workload, low efficiency, increases the cost of farmers, will also affect the growth of plants, the introduction of an automatic system using PLC technology in Plug Seedling transplanting transplanting seedlings, we can overcome these drawbacks, PLC three step system: input, issue commands and refresh procedures, repeated transplanting work can be fully utilized. The technology is also due to take the vaccine, vaccine delivery accuracy been widely used. PLC systems using automatic control system Plug Seedling Transplanting Transplant experiment found that: the system of coordination, and can automatically take and send Miao Miao Miao take the success rate of 98.2%, 98.8% success rate of planting, transplanting less time to reach the standard seedling transplanting.

plug seedlings; automatic transfer of technology; manipulator; PLC system

2016-06-07

內蒙古自治區(qū)科技發(fā)展計劃項目(2014GNC110026)

伯艷廣(1966-)，男，內蒙古赤峰人，高級講師，(E-mail)boyanguang0602@163.com。

S223.91+1;S24

A

1003-188X(2017)08-0234-03