自動(dòng)移栽機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

韓長(zhǎng)杰，劉 云，郭 輝，周艷生，夏廣寶

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械交通學(xué)院，烏魯木齊 830052)

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自動(dòng)移栽機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

韓長(zhǎng)杰，劉 云，郭 輝，周艷生，夏廣寶

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械交通學(xué)院，烏魯木齊 830052)

針對(duì)自動(dòng)移栽機(jī)存在工作狀態(tài)難以了解，且出現(xiàn)故障時(shí)，難以準(zhǔn)確找到故障點(diǎn)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于PLC和觸摸屏的檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以PLC為主控制器，傳感器采集自動(dòng)移栽機(jī)的機(jī)械手、柔性輸送苗筒、吊籃的取苗及喂苗狀態(tài)等信息，通過(guò)PLC集成與處理。采用觸摸屏作為人機(jī)交互界面,將采集的自動(dòng)移栽機(jī)的栽植信息、報(bào)警信息、故障位置及自動(dòng)移栽機(jī)上各運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等顯示。試驗(yàn)表明：該系統(tǒng)能夠?qū)⒆詣?dòng)移栽機(jī)的工作狀態(tài)在觸摸屏上顯示，對(duì)于移栽過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題能夠及時(shí)通知操作人員，滿足了操作者對(duì)所要了解信息的需求。

自動(dòng)移栽機(jī)；檢測(cè)；PLC；觸摸屏

0 引言

國(guó)外許多農(nóng)業(yè)機(jī)械(如噴藥機(jī)、播種機(jī)、施肥機(jī)等)都裝有智能化的檢測(cè)系統(tǒng)，極大地提高了機(jī)械自動(dòng)化、智能化的水平，滿足了操作者對(duì)信息了解的需求。國(guó)內(nèi)也有部分農(nóng)業(yè)機(jī)械開(kāi)始使用具有自動(dòng)化裝備的檢測(cè)系統(tǒng)，如小麥聯(lián)合收割機(jī)，方便操作者了解機(jī)械的工作狀態(tài)。

目前，移栽機(jī)多為非自走形式，還沒(méi)有將信息進(jìn)行檢測(cè)與顯示的裝置，因此作業(yè)時(shí)，駕駛員無(wú)法了解移栽機(jī)的工作情況。為了能夠獲知移栽機(jī)的工作狀態(tài)，需要對(duì)移栽機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息進(jìn)行檢測(cè)，借助觸摸屏將移栽機(jī)的動(dòng)作狀態(tài)信息進(jìn)行顯示，從而直觀地了解到移栽機(jī)的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，并將取苗、輸苗數(shù)量等信息統(tǒng)計(jì)后顯示出來(lái)。當(dāng)移栽機(jī)發(fā)生故障時(shí)，對(duì)應(yīng)的報(bào)警器發(fā)生報(bào)警，在觸摸屏上顯示故障位置點(diǎn)，便于操作人員排除故障，降低排障難度。

1 技術(shù)原理

該設(shè)計(jì)是在韓長(zhǎng)杰等人設(shè)計(jì)的吊籃式自動(dòng)移栽機(jī)的基礎(chǔ)上加裝的檢測(cè)系統(tǒng)。其中，氣缸上的磁性開(kāi)關(guān)檢測(cè)部件的動(dòng)作狀態(tài)；機(jī)械手放苗位置后下方的穴盤(pán)苗檢測(cè)傳感器，用于機(jī)械手取苗檢測(cè)；柔性輸送苗筒導(dǎo)苗筒側(cè)壁的穴盤(pán)苗檢測(cè)傳感器，用于喂苗檢測(cè)；在鎮(zhèn)壓輪支撐架上的栽苗檢測(cè)傳感器，用于栽苗檢測(cè)；PLC將傳感器采集的移栽機(jī)工作狀態(tài)信息集成處理，最終在觸摸屏上顯示。圖1為檢測(cè)原件分布圖。

1.磁性開(kāi)關(guān)傳感器 2.機(jī)械手取苗檢測(cè)傳感器

1)穴盤(pán)苗的檢測(cè)與統(tǒng)計(jì)。該系統(tǒng)使用漫反射式光電開(kāi)關(guān)傳感器,對(duì)移栽機(jī)的機(jī)械手、柔性輸送苗筒等部件的穴盤(pán)苗進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)PLC集成、處理后顯示，操作人員可以通過(guò)觸摸屏了解到各部件穴盤(pán)苗的喂取情況、作業(yè)量及行進(jìn)速度等信息。該系統(tǒng)還支持?jǐn)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)，存儲(chǔ)移栽機(jī)有用的信息。

2)動(dòng)作狀態(tài)檢測(cè)。該系統(tǒng)通過(guò)磁性開(kāi)關(guān)傳感器來(lái)采集移栽機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)作信息，對(duì)移栽機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的工作狀態(tài)采用動(dòng)畫(huà)形式在觸摸屏上顯示，操作人員可以隨時(shí)了解到各部件的動(dòng)作狀態(tài)。

3)報(bào)警與故障診斷。判斷移栽機(jī)在田間作業(yè)期間是否發(fā)生漏苗嚴(yán)重等問(wèn)題，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)在觸摸屏上顯示故障點(diǎn)，通過(guò)聲光報(bào)警器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒操作人員及時(shí)處理。

2 系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)

移栽機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。系統(tǒng)采用PLC 作為控制器和觸摸屏作為顯示裝置，傳感器采用漫反射式光電開(kāi)關(guān)、電感式接近開(kāi)關(guān)及磁性開(kāi)關(guān)等，主要用來(lái)采集機(jī)械手、柔性輸送苗筒的穴盤(pán)苗取喂數(shù)量信息，以及各部件的位置信息和報(bào)警信息，PLC和觸摸屏之間連接通信。移栽機(jī)狀態(tài)信息通過(guò)PLC轉(zhuǎn)換與傳遞，處理后的信息傳到觸摸屏上實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)顯示、數(shù)據(jù)報(bào)表及實(shí)時(shí)報(bào)警等功能。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 功能模塊

1)信息采集模塊。采用漫反射式光電開(kāi)關(guān)、電感式接近開(kāi)關(guān)、磁性開(kāi)關(guān)等傳感器，將移栽機(jī)的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)信息進(jìn)行采集。

2)控制模塊。S7-200SMART PLC(SR40) CPU支持PPI、MPI、PROFIBUS等多種通信協(xié)議，支持6路高速數(shù)字量輸入和2路數(shù)字量輸出。系統(tǒng)采用該系列PLC作為控制器，控制移栽機(jī)的動(dòng)作、信息處理和系統(tǒng)通信。

3)顯示模塊。系統(tǒng)使用昆侖通態(tài)TPC7062-Hi型觸摸屏作為顯示裝置，滿足了系統(tǒng)安裝和工作環(huán)境的需求。該系統(tǒng)使用通過(guò)RS-485串口通信將TPC觸摸屏和PLC之間進(jìn)行連接通信。

4)AC-DC電源轉(zhuǎn)換模塊。檢測(cè)裝置需要24V的電壓供電，PLC提供的24V輸出電壓不能滿足觸摸屏和大量傳感器的安裝，T-50D開(kāi)關(guān)電源可以提供24、12、5V電壓，為系統(tǒng)提供所需要的直流電壓需求。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 PLC程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)有I0.0～I(xiàn)2.1共17個(gè)輸入和Q0.1～Q1.4共12個(gè)輸出，系統(tǒng)PLC的I/O接口配置如表1所示。I0.0接通，系統(tǒng)開(kāi)機(jī)，PLC通過(guò)磁性開(kāi)關(guān)判斷機(jī)械手的位置，并控制機(jī)械手的取喂苗動(dòng)作，用于隨動(dòng)計(jì)數(shù)的接近開(kāi)關(guān)將接收到的信號(hào)傳給PLC，PLC將計(jì)數(shù)輸出以此判斷柔性輸送苗筒的接苗、轉(zhuǎn)動(dòng)等動(dòng)作狀態(tài)。

以上說(shuō)法頗多抵牾之處。實(shí)際上，金門(mén)詔本人及友人的說(shuō)法最為可信。金門(mén)詔纂修的《休寧金氏族譜》(乾隆十三年活字本)卷八自述“生康熙癸丑”，可推知其生于康熙十二年。張廷玉《休寧金氏族譜·序》言金門(mén)詔“欽點(diǎn)翰林，年已六十四歲”。據(jù)《鶴征后錄》載，金門(mén)詔乾隆元年欽點(diǎn)進(jìn)士，改翰林院庶吉士，張廷玉所言當(dāng)為虛歲計(jì)。顧惇量《金東山文集·序》謂金門(mén)詔“出知壽陽(yáng)歸，年八十卒”。

表1 PLC的I/O端口分配表

機(jī)械手苗爪對(duì)應(yīng)的8個(gè)光電傳感器接收到機(jī)械手取苗信號(hào)時(shí)接通，信號(hào)傳到PLC，PLC通過(guò)邏輯運(yùn)算關(guān)系計(jì)算出機(jī)械手總抓苗數(shù)量后輸出。柔性輸送苗筒導(dǎo)苗筒處的紅外漫反射式光電開(kāi)關(guān)接收到喂苗信號(hào)時(shí)接通，信號(hào)傳送到PLC， PLC使用內(nèi)部計(jì)數(shù)器對(duì)喂苗數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后輸出。當(dāng)有苗栽植成功時(shí)，栽植器上安裝的光電開(kāi)關(guān)接通，信號(hào)經(jīng)PLC傳輸、轉(zhuǎn)換后輸出。同時(shí)，PLC對(duì)穴盤(pán)苗的漏取、漏喂、漏栽數(shù)量設(shè)定極限值，當(dāng)達(dá)到極限時(shí)，PLC控制報(bào)警輸出。PLC通過(guò)磁性開(kāi)關(guān)來(lái)控制和判斷各部件的位置狀態(tài)并輸出。

2.2.2 系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計(jì)

觸摸屏采用MCGS(Monitor and Control Generated System，監(jiān)視與控制通用系統(tǒng))軟件進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)界面的設(shè)計(jì)完成對(duì)傳輸信息的界面顯示和參數(shù)配置，將PLC收集的信號(hào)，以圖表、指示燈、動(dòng)畫(huà)等組態(tài)方式將移栽機(jī)的工作狀態(tài)直觀顯示，并將顯示界面設(shè)計(jì)為數(shù)據(jù)顯示界面、動(dòng)作畫(huà)面和報(bào)警信息3部分。

1)數(shù)據(jù)顯示界面：對(duì)移栽機(jī)的取喂苗數(shù)量、栽植株距、工作量及工作時(shí)間等顯示。通過(guò)該界面了解移栽機(jī)的工作情況。行進(jìn)速度和栽植株距是可輸入的變量，觸摸屏對(duì)數(shù)值輸入的設(shè)置可間接修改PLC內(nèi)部寄存器值，從而改變移栽機(jī)的工作信息值。

2)動(dòng)畫(huà)顯示界面：用來(lái)顯示移栽機(jī)各部件實(shí)時(shí)的動(dòng)作狀態(tài)，包括機(jī)械手、柔性輸送苗筒和栽植器的實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)，同時(shí)顯示實(shí)時(shí)的栽植狀態(tài)。PLC控制運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)作，并將信息輸出，觸摸屏與PLC建立連接，PLC處理后的信息可直接在觸摸屏上顯示。

3)報(bào)警顯示界面：該界面主要由指示燈和報(bào)警條組成。當(dāng)出現(xiàn)取苗、喂苗或漏苗異常的問(wèn)題時(shí)，對(duì)應(yīng)的指示燈亮，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。操作人員可根據(jù)指示燈的提示查找故障位置。

界面設(shè)置完成后需要對(duì)界面中的內(nèi)容設(shè)置變量連接，在設(shè)備通道增加變量，且地址與PLC地址對(duì)應(yīng)，觸摸屏和PLC通過(guò)RS485串行通信，將外部信息通過(guò)PLC處理，在觸摸屏上顯示。組態(tài)軟件中設(shè)備通道的變量設(shè)置將觸摸屏組態(tài)功能與PLC中的存儲(chǔ)單元、I/O接點(diǎn)之間建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)觸摸屏對(duì)PLC參數(shù)的輸入、當(dāng)前值及故障點(diǎn)的顯示。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的可靠性，于2016年3月20日在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備有穴盤(pán)苗移栽的取喂試驗(yàn)裝置樣機(jī)1臺(tái)；空氣壓縮機(jī)1臺(tái)；24V供電電源；VFD0-15M43B型變頻器；直尺(精度為0.1mm)；游標(biāo)卡尺(精度為0.02mm)；苗齡為61天，真葉為6片，苗高在149.6～179.7mm之間的“早熟一號(hào)”辣椒穴盤(pán)苗。

3.2 試驗(yàn)方法

將設(shè)計(jì)好的程序和組態(tài)界面分別導(dǎo)入到PLC和觸摸屏，安裝好傳感器，按照接線標(biāo)準(zhǔn)和I/O端口分配設(shè)置接線，以田間作業(yè)行駛速度1.2km/h的標(biāo)準(zhǔn)，將樣機(jī)置于運(yùn)行狀態(tài)，供電后系統(tǒng)開(kāi)機(jī)。觀察各部件的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)與觸摸屏上顯示的運(yùn)行狀態(tài)是否一致；當(dāng)出現(xiàn)栽苗異常時(shí)是否能夠及時(shí)通知報(bào)警；測(cè)定顯示準(zhǔn)確率，包括對(duì)機(jī)械手取苗數(shù)顯示檢測(cè)和柔性輸送苗筒喂苗數(shù)顯示檢測(cè)兩種，且分別用5組數(shù)據(jù)說(shuō)明，結(jié)果如表2、表3所示。

表2 機(jī)械手取苗數(shù)顯示檢測(cè)

表3 柔性輸送苗筒喂苗數(shù)顯示檢測(cè)

3.3 結(jié)果與分析

在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)觀察和檢測(cè)可知：樣機(jī)各部件的運(yùn)行狀態(tài)和觸摸屏顯示的運(yùn)行狀態(tài)一致；機(jī)械手取苗數(shù)顯示檢測(cè)的準(zhǔn)確率為99.2%，柔性輸送苗筒喂苗數(shù)顯示檢測(cè)準(zhǔn)確率為99.6%；當(dāng)傳感器檢測(cè)到有苗栽植的信號(hào)時(shí)，在觸摸屏上指示燈閃爍顯示；當(dāng)氣缸氣壓不足0.6MPa時(shí)，報(bào)警提示氣壓不足；當(dāng)檢測(cè)到機(jī)械手單個(gè)苗爪連續(xù)漏取苗數(shù)達(dá)到10株時(shí)，顯示機(jī)械手取苗異常報(bào)警；當(dāng)檢測(cè)到柔性輸送苗筒連續(xù)漏喂苗數(shù)達(dá)到20株時(shí)，顯示柔性輸送苗筒喂苗異常報(bào)警；當(dāng)檢測(cè)到連續(xù)未栽苗數(shù)達(dá)到20株時(shí)，顯示栽苗異常報(bào)警，報(bào)警信息同時(shí)在歷史報(bào)警表格中記錄。圖3為試驗(yàn)驗(yàn)證圖，圖4為試驗(yàn)中的實(shí)時(shí)報(bào)警顯示界面。

4 結(jié)論

試驗(yàn)表明：該設(shè)計(jì)基本達(dá)到了預(yù)期的要求，滿足了操作者對(duì)所需信息了解的需求。在移栽機(jī)上安裝檢測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)采集、顯示移栽機(jī)的工作狀態(tài)信息。其人性化的人機(jī)界面設(shè)計(jì)，方便了操作人員實(shí)時(shí)了解移栽機(jī)的工作狀態(tài)，提高了移栽機(jī)的智能化及自動(dòng)化水平。

圖3 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖4 試驗(yàn)中的實(shí)時(shí)報(bào)警顯示

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Design of Detecting System for Automatic Transplanter

Han Changjie, Liu Yun, Guo Hui, Zhou Yansheng, Xia Guangbao

The detecting system was designed, PLC and touch screen were used in the system. It is easy to know the real-time working status of automatic transplanter, and when the malfunctions happened we can find location of the fault quickly. PLC is the controller in the system. Sensors were contacted to PLC which used to collect the key parts position of automatic transplanting, such as manipulator, nycelles and following seedling-cylinders, TPC7062-Hi is one type of human machine Interaction (HMI), it is used to display planting information, alarm signal, fault location and automatic transpalnter working state. According to the tests, the system can be working stabilized, all the detected information of automatic transplanting showed on the touch screen, and give operators warning at the right time, so the operators are easy to got automatic transpalnter working information.

automatic transplanter; detection; PLC; touch screen

2016-05-28

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50905153；51565059)

韓長(zhǎng)杰(1980-)，男，河南遂平人，副教授，博士，(E-mail)hcj_627@163.com。

S223.9；S24

A

1003-188X(2017)07-0058-04