大蒜種植機械蒜瓣方向識別與系統(tǒng)設(shè)計——基于PLC控制技術(shù)

張麗芬

(內(nèi)蒙古化工學(xué)院，呼和浩特 010000)

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大蒜種植機械蒜瓣方向識別與系統(tǒng)設(shè)計
——基于PLC控制技術(shù)

張麗芬

(內(nèi)蒙古化工學(xué)院，呼和浩特 010000)

大蒜是我國一種重要經(jīng)濟作物，在我國有較大的種植面積。由于大蒜種植時具有鱗芽朝上的農(nóng)藝要求，因此我國的大蒜種植主要是靠人工，勞動強度大，效率較低。為解決大蒜機械化種植中蒜瓣朝向問題，設(shè)計了一種基于PLC控制技術(shù)的蒜瓣方向識別系統(tǒng)，并對其在田間的實用性和準(zhǔn)確性進行了試驗，以期提高大蒜種植作業(yè)的效率和質(zhì)量。用紅外檢測裝置對蒜瓣的外形性狀進行掃描，通過PLC對來自紅外檢測裝置的數(shù)據(jù)進行模糊計算，根據(jù)計算的結(jié)果判定蒜瓣方向，向機械手發(fā)出相應(yīng)指令。對原型機和改進型所種植的蒜瓣，進行空穴率、雙粒率、倒立率、出苗率及產(chǎn)量數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)兩種機械的空穴率、雙粒率和出苗率之間沒有顯著差異，但是改進型種植機產(chǎn)生的倒立率顯著低于原型機，說明該蒜瓣方向識別系統(tǒng)能夠滿足機械種植時蒜頭向上種植的要求。

大蒜種植機；方向識別；PLC控制技術(shù)

0 引言

大蒜是我國一種重要經(jīng)濟作物，富含氨基酸、蛋白質(zhì)、肽類、無機鹽及含硫化合物等成分，具有消炎、殺菌和養(yǎng)顏等功效，并有著獨特的風(fēng)味，是人們?nèi)粘ｏ嬍成钪械闹匾M成部分[1]。

近年來，我國消費結(jié)構(gòu)、出口結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，大蒜的種植面積不斷擴大，達到世界總種植面積的50%以上，成為世界上大蒜的最大生產(chǎn)和出口國[2]。大蒜的食用和藥用價值較高，因此大蒜產(chǎn)業(yè)也成為了我國外匯的重要來源之一。

蒜瓣的種植是大蒜生產(chǎn)過程中非常重要的一個環(huán)節(jié)，播種質(zhì)量直接影響著最終的產(chǎn)量。金誠謙等研究發(fā)現(xiàn)：蒜瓣分別按照鱗芽朝上、朝下和隨機朝向播種時，均可以順利出芽生長；但是蒜瓣鱗芽朝下和隨機時，大蒜的出苗期明顯加長，較細弱且不整齊，出苗后生長緩慢，成熟后得到的蒜頭質(zhì)量較小[3]。因此，大蒜在種植時要求鱗芽朝上，但是蒜瓣的形狀具有不規(guī)則性，這二者之間的矛盾成為大蒜種植機械設(shè)計的難點。

因大蒜種植時鱗芽朝上的農(nóng)藝要求，我國大蒜的種植基本上靠人工進行，具體方法是在播種時開一條縱向淺溝，將蒜瓣鱗芽朝上點播于土中。這種方式有利于大蒜的順利出芽和生長，并能達到增產(chǎn)的目的；但該方式種植大蒜需要大量的勞動力和時間，且勞動強度大、效率較低。大蒜的人工種植成本較高，嚴(yán)重阻礙了大蒜產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

農(nóng)業(yè)機械化是我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的主要內(nèi)容，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向全程機械化邁進的形勢下，實現(xiàn)大蒜的機械化種植既符合我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢，也是解決上述大蒜種植過程中限制因素的有效途徑。目前，世界的各大蒜種植國家都研制了不同型號的大蒜種植機械，分別因地制宜，以不同的方法解決蒜瓣朝向的難題。在亞洲以日本、韓國為代表，其采用的是壓穴式大蒜栽種機，即先用機械壓出半球形孔穴，后將蒜瓣投放到穴內(nèi)，利用穴內(nèi)球面控制鱗芽朝向。在歐洲，法國和捷克斯洛伐克則用振動抖槽來實現(xiàn)大蒜在輸送過程的方向調(diào)整，再用特定機構(gòu)扶正蒜頭，解決大蒜種植時蒜頭朝上的技術(shù)難題[4]。作為大蒜的最大生產(chǎn)和出口國，我國在這一領(lǐng)域的起步則相對較晚，但是也形成了適合我國的設(shè)計思想和研發(fā)體系。

PLC(可編程邏輯控制器)具有操作簡單、可靠性和性價比高的優(yōu)點，早已在現(xiàn)代工業(yè)的自動化控制中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著農(nóng)業(yè)機械的興起和普及，PLC也被裝載在農(nóng)業(yè)機械或設(shè)施上，進行變量施肥、穴盤苗移栽及溫室生態(tài)條件等的精確控制[5-7]。PLC在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用前景極為廣闊，其新的用途有待進一步拓展和開發(fā)。為此，基于PLC控制技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)有的大蒜種植機械，設(shè)計了一種蒜瓣方向的識別系統(tǒng)，并對其在田間的實用性和準(zhǔn)確性進行了試驗，以期提高大蒜種植作業(yè)的效率和質(zhì)量，為我國大蒜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支撐。

1 設(shè)計原理及結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)計原理

播種前對蒜瓣的尺寸和形狀進行測量，根據(jù)測量結(jié)果設(shè)定PLC的參數(shù)，建立蒜瓣識別計算模型。工作時，利用振動的錐形斗帶動蒜瓣不斷運動，經(jīng)過位于錐形斗下方的方形孔進入一段傾斜的凹槽中。方形孔和凹槽的尺寸根據(jù)蒜瓣的橫截面積進行調(diào)節(jié)，使得單粒蒜瓣只能以蒜頭或蒜尾的方向經(jīng)過方形孔而進入凹槽。蒜瓣在重力作用下沿著凹槽下滑，經(jīng)過安裝在凹槽末端的紅外檢測裝置；紅外檢測裝置對蒜瓣的外形性狀進行掃描，然后利用PLC對來自紅外檢測裝置的數(shù)據(jù)進行模糊計算，根據(jù)計算的結(jié)果判定蒜瓣方向。若判斷結(jié)果為蒜頭向上，則讓其自然地滑入通道1中，正常種植；若判斷結(jié)果為蒜頭向下，PLC則發(fā)出一個脈沖指令，瞬時啟動機械手將蒜瓣推入通道2中，經(jīng)過一個轉(zhuǎn)向裝置翻轉(zhuǎn)180°后種植。

前期隨機取樣的統(tǒng)計結(jié)果表明：經(jīng)過振動后進入凹槽的兩種方向蒜瓣數(shù)目經(jīng)卡平方測驗為1:1。PLC的輸出端連接報警裝置，當(dāng)判讀的兩種方向蒜瓣數(shù)目比例偏離1:1時，便發(fā)出警報，從而提醒操作人員排除故障。

1.2 總體設(shè)計

使用的大蒜種植機是在PH4R型的基礎(chǔ)上改進而來，包括動力設(shè)備、PLC識別控制系統(tǒng)、種植部件和輔助設(shè)備。種植機動力3kW，種植行數(shù)4行，設(shè)置行距25cm，株距16cm，種植深度8cm。PLC識別控制系統(tǒng)包括紅外檢測裝置、PLC控制器、轉(zhuǎn)向裝置、操作顯示屏和報警裝置。

2 系統(tǒng)組成

紅外檢測裝置由紅外發(fā)射器和接收器組成。蒜瓣的形狀不規(guī)則，其頭尾部分對紅外線的反射存在差異。因此，當(dāng)方向不同的蒜瓣經(jīng)過紅外裝置時，接收器會收到不同的紅外線特征信號，并發(fā)送給PLC控制器。

PLC控制器是西門子TD200型主控模塊，利用RS-232C串口接收來自紅外裝置和顯示屏的信號，在模糊算法的基礎(chǔ)上根據(jù)最大特征值對蒜瓣方向進行判別，并利用PID控制器調(diào)整判別結(jié)果，最后向機械手發(fā)出指令。另外，可實時監(jiān)測判別結(jié)果，在兩種方向蒜瓣數(shù)目比例偏離1:1時啟動報警裝置。轉(zhuǎn)向裝置位于通道2的末端，是一個可以翻轉(zhuǎn)的水平擋板，大小根據(jù)蒜瓣調(diào)節(jié)。蒜頭向下的蒜瓣被傳送到擋板上后，由于蒜尾端較重，便帶動擋板旋轉(zhuǎn)，最后蒜尾向下落入種植部件中，實現(xiàn)控制蒜瓣種植方向的效果。

種植機上裝載的操作顯示屏用于設(shè)定和顯示相關(guān)部件的參數(shù)和實時播種數(shù)據(jù)。報警裝置在兩種方向蒜瓣數(shù)目比例偏離1:1時發(fā)出警報，通過顯示屏輸出，采用聲音加指示燈閃爍報警，提示PLC控制器的參數(shù)設(shè)定不能準(zhǔn)確識別該大蒜品種的蒜瓣方向。

3 試驗

3.1 試驗地點和方法

試驗地點位于大蒜種植規(guī)模大、產(chǎn)量較高的江蘇省鹽城市，試驗田面積0.3hm2，土壤為兩合土，前作為水稻，經(jīng)過旋耕整田。試驗所用的大蒜品種為當(dāng)?shù)胤N植戶提供的徐州白蒜，試驗之前對100個蒜瓣的尺寸進行了測量，平均長度3.1cm，平均高度2.0cm，平均厚度1.6cm，以此作為PLC設(shè)定相關(guān)參數(shù)的依據(jù)。

田間試驗使用的機械有兩種，分別為PH4R原型機和改進型。試驗田劃分為6塊，每種機械完成3塊的種植，進行3次重復(fù)。作業(yè)完成后，在每個重復(fù)中隨機選取200個種植穴進行調(diào)查，統(tǒng)計空穴率、雙粒率和倒立率，出苗后調(diào)查出苗率，成熟后測產(chǎn)，比較兩種機械作業(yè)田塊之間的差異。

3.2 試驗結(jié)果和分析

對原型機和改進型所種植的蒜瓣進行空穴率、雙粒率、倒立率、出苗率、產(chǎn)量等數(shù)據(jù)進行分析，具體試驗結(jié)果如表1所示。

表1 兩種機械的蒜瓣田間種植質(zhì)量比較

*表示兩組數(shù)據(jù)之間存在顯著差異。

通過對調(diào)查數(shù)據(jù)的比較發(fā)現(xiàn)：原型機和改進型的種植行距、株距、深度和作業(yè)速度之間沒有顯著差異。這說明，加裝蒜瓣方向識別控制系統(tǒng)并不影響種植機的這些技術(shù)特征，種植效率沒有發(fā)生改變。

在種植質(zhì)量方面：兩種機械的空穴率、雙粒率和出苗率之間沒有顯著差異，但改進型種植機產(chǎn)生的倒立率顯著低于原型機，因此產(chǎn)量顯著提高，具有更高的種植質(zhì)量。

4 結(jié)論

田間試驗的結(jié)果表明：裝載了該蒜瓣方向識別系統(tǒng)的改進型種植機作業(yè)產(chǎn)生的蒜瓣倒立率很低，能夠滿足蒜頭向上種植的要求，突破了這一限制大蒜種植機械化的瓶頸。但是，該機械是在PH4R型種植機上改進的，加裝的蒜瓣方向識別和控制系統(tǒng)導(dǎo)致改進型種植機體積龐大，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，使用過程中的故障率可能較高，其實用性和可靠性還需進一步驗證。因此，后續(xù)改進還需將識別控制系統(tǒng)與原型機更好地整合，去除部分重復(fù)裝置以達到輕簡化的效果。

另外，蒜瓣方向識別控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定依賴于所種植大蒜品種的整體尺寸和形狀特征。本文中的徐州白蒜是一個推廣面積很大的品種，蒜瓣尺寸較大。若種植其它的地方品種時，則需對其尺寸進行測量，重新設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)和方形孔的大小。對此，可以優(yōu)化PLC控制器中用于判別蒜瓣方向的計算和分析程序，以提高識別系統(tǒng)對不同大蒜品種的通用性。

[1] 謝學(xué)虎，張永，劉召，等.大蒜播種種植機構(gòu)的設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2015,31(1):34-39.

[2] 邵園園，曾慶良，玄冠濤，等.大蒜種植機分插機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及運動仿真[J].農(nóng)機化研究,2013,35(1):64-67.

[3] 金誠謙，袁文勝，吳崇友，等.大蒜播種時鱗芽朝向?qū)Υ笏馍L發(fā)育影響的試驗研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2008,24(4):155-158.

[4] 鄒帥,魏玉珍,劉勇蘭,等.大蒜直立篩選方法探究及其裝置方案設(shè)計[J].農(nóng)機研究,2015,37(11):67-70.

[5] 邵利敏,王秀,牛曉穎,等.基于PLC的變量施肥控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗 [J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2007(11):84-87.

[6] 田素博，邱立春，張詩.基于PLC的穴盤苗移栽機械手控制系統(tǒng)設(shè)計[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2007(1):122-124.

[7] 付煥森，趙振江.基于PLC和組態(tài)技術(shù)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫室控制系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)機化研究,2013,37(12):185-188.

Planting Garlic Coves Machine PLC Control Technology and System Design——Based on the Direction Identification

Zhang Lifen

(Inner Mongolia Chemical Industry College,Hohhot 010000,China)

Our garlic is an Important Cash crop in China has a large acreage, with bud scales up agronomic requirements of garlic planting, so our garlic is grown mainly rely on manual, labor-intensive, low efficiency.To solve the mechanization of planting garlic in the garlic towards problem, we designed a PLC-based control technology garlic direction identification system, and tested the practicality and accuracy in the field, in order to improve the efficiency and quality of garlic planting operations. Infrared detection means garlic shape traits scan data from the PLC by means of the infrared detector fuzzy calculation, determining the direction of garlic according to results of the calculation, issue the appropriate commands to the robot. According to this system, and improved prototype planted garlic, conducted hole rate, double the rate of grain, inverted rate, emergence rate, production data analysis, found that both mechanical hole rate, dual rate and emergence rate of grain no significant difference between, but inverted rate improved planting machines produce significantly lower than the prototype, so the yield increased significantly, with higher quality planting. Description The garlic direction identification system to meet the mechanical planting, planting garlic up requirements.

garlic planting machine; direction identification; PLC control technology

2016-06-13

內(nèi)蒙古化工學(xué)院自然科學(xué)項目(HYZJY1008)

張麗芬(1980-)，女，呼和浩特人，講師，工程碩士，(E-mail)zhanglifen0614@163.com。

S223.9

A

1003-188X(2017)08-0228-03