基于PLC的花卉缽苗移栽機(jī)自動輸送裝置

郝稱意，王琳娟

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)a.工學(xué)院；b.文理學(xué)院，山西 太谷 030801)

0 引言

目前，國內(nèi)的花卉種植多采用傳統(tǒng)人工或半自動機(jī)械，隨著社會的不斷發(fā)展，城鎮(zhèn)建設(shè)中綠化投入及人們的欣賞要求的提高，對花卉等觀賞植物的需求增加，傳統(tǒng)的種植方法已不能滿足種植需求，加大花卉的種植規(guī)模成為必然形勢。發(fā)達(dá)國家已經(jīng)在大規(guī)模種植中普及自動移栽機(jī)，以避免幼苗在育苗期的冷凍及干燥時期對幼苗的傷害，可以控制作物的收獲時間、提高品質(zhì)及增加產(chǎn)量，在提高種植戶收成和品質(zhì)方面具有著非常大的作用[1-7]。

自動移栽機(jī)的應(yīng)用在大范圍種植中有益于工業(yè)化的生產(chǎn)發(fā)展，形成集中育苗、規(guī)模化生產(chǎn)，使缽體苗替換傳統(tǒng)種植，缽苗種植商品化得以推廣[8-9]。移栽機(jī)自動輸送裝置的研發(fā)是缽苗移栽技術(shù)發(fā)展的標(biāo)志，可提高缽苗移栽的工作效率，提升花卉種植的經(jīng)濟(jì)效益。20世紀(jì)末，美國、荷蘭等國家就已研發(fā)出移栽分苗的自動化機(jī)械，移栽效率可以達(dá)到1 000株/h，可安裝32支機(jī)械手同時進(jìn)行作業(yè)[10]。K.C.Ting[11]研究出一款裝備了傳感器機(jī)械臂的移栽機(jī)器人，經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，移栽一棵苗僅需要2.6～3.25s，移栽幼苗的精確度最高可達(dá)在95%。K.H.Ryu 等借鑒笛卡爾坐標(biāo)系改進(jìn)了幼苗移栽機(jī)，通過氣缸驅(qū)動卡盤和夾指完成幼苗移栽，大幅提高了育苗移栽的效率和準(zhǔn)確率[12]。目前，國內(nèi)的缽苗移栽機(jī)大部分是半自動的，從缽盤中取苗、分苗需要人工輔助。本文研究的缽苗移栽機(jī)自動輸送裝置采用PLC系統(tǒng)進(jìn)行控制，可存儲指令及執(zhí)行控制機(jī)械或生產(chǎn)操作指令[13]。

1 總體設(shè)計

1.1 設(shè)計原理

基于PLC的花卉缽體苗移栽機(jī)自動輸送裝置主要由取苗系統(tǒng)、送苗系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)組成。

取苗系統(tǒng)包括缽苗盆定位、頂苗及取苗等3個操作；送苗系統(tǒng)包括移苗、送苗及植苗等3個操作，在PLC系統(tǒng)中輸入取苗、送苗的指令并輸出，控制機(jī)械臂取苗、送苗，氣缸驅(qū)動機(jī)械臂；刷新程序重新發(fā)布指令任務(wù)。

1.2 總體設(shè)計

本設(shè)計采用PLC控制花卉缽體苗的移栽過程。PLC為數(shù)字輸送運(yùn)算系統(tǒng),可將指令以數(shù)字信號的形式發(fā)出, 從而達(dá)到機(jī)械控制的目的。PLC控制器工作外部接線圖如圖1所示。

圖1 PLC外部接線圖

通過PLC控制馬達(dá)與氣缸，氣缸以壓縮空氣為動力源。PLC系統(tǒng)有多個識別傳感器，可識別花卉缽苗的位置，將采集的信息輸送至PLC系統(tǒng)；PLC控制氣動控制閥，進(jìn)而控制馬達(dá)和氣缸；降輸苗由馬達(dá)提供動力外，其余動作均靠氣缸驅(qū)動完成。針對缽體苗不同差異，控制苗夾片與頂苗機(jī)構(gòu)的氣缸均安裝有減壓閥和壓力表，通過調(diào)節(jié)壓力表控制夾苗、頂苗的不同力度，實(shí)現(xiàn)不同花卉缽苗移栽不同控制系數(shù)的目的。PLC控制移栽流程圖如圖2所示。PLC控制輸入點(diǎn)6個，輸出點(diǎn)5個，輸入輸出分配如表1所示。

圖2 PLC控制移栽流程圖

輸入端信號來源輸出端控制對象I0.0啟動開關(guān)Q0.0輸送控制馬達(dá)I0.1回位感應(yīng)器Q0.1控制氣缸1I0.2頂出感應(yīng)器Q0.2控制氣缸2I0.3苗夾感應(yīng)器Q0.3控制氣缸3I0.4植苗感應(yīng)器Q0.4控制氣缸3I0.5手/自動轉(zhuǎn)換

取苗機(jī)構(gòu)主要有插入式和頂出式兩種類型。本設(shè)計裝置中采用氣缸頂出式(見圖3)，控制頂出機(jī)構(gòu)為空氣壓縮氣缸，通過閥門和壓力表控制頂出力度，就不會在取苗過程中傷到花苗的根系。

2 機(jī)構(gòu)組成、感應(yīng)識別和氣動控制

2.1 機(jī)構(gòu)組成

花卉缽苗移栽機(jī)自動輸送裝置由PLC編程系統(tǒng)、信號輸入機(jī)構(gòu)(光識別傳感器、輸送線路)及輸出機(jī)構(gòu)(取苗系統(tǒng)和送苗系統(tǒng))組成。

PLC采用德國西門子(SIEMENS)公司生產(chǎn)的S7-200PLC,該型號體積小、反應(yīng)快，可適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，且可靠性更高。取苗系統(tǒng)包括缽苗定位機(jī)構(gòu)、排式頂苗桿及苗夾器，送苗系統(tǒng)由移苗機(jī)構(gòu)、柔性鏈輸送滑道、送苗桶及植苗器組成。

圖3 氣缸頂出式移栽機(jī)

2.2 感應(yīng)識別系統(tǒng)

花卉缽苗移栽過程中最重要的環(huán)節(jié)是缽苗的定位，定位準(zhǔn)確可以保障移栽工作順利進(jìn)行。 花卉缽苗移栽機(jī)的定位是通過光識別傳感器識別采集圖像并通過對采集圖像的技術(shù)處理，識別出圖像中缽苗位置，將位置坐標(biāo)輸送至PLC系統(tǒng)，由PLC系統(tǒng)發(fā)出正確指令，控制移栽機(jī)順利完成取苗、送苗，保證移栽中取苗、送苗的準(zhǔn)確率。

2.3 氣動控制

裝置開始作業(yè)，空氣壓縮機(jī)充氣，達(dá)到工作壓力時電磁換向閥通電，開啟控制器，換向閥工作，氣動氣缸充氣。控制移位的缽苗盤縱向升降缸(見圖4)上升，放置花卉缽盤的固定架上升到位，氣缸停止?？刂祈敵鰴C(jī)構(gòu)的換向閥工作，氣缸工作控制頂出缽苗，與此同時苗夾收縮展開氣缸開始工作，苗夾夾起缽苗，傳感器感應(yīng)到缽苗已被夾走，頂出機(jī)構(gòu)復(fù)位；苗夾展開氣缸控制夾片松開缽苗，缽苗落在至輸送滑道，輸送滑道上的送苗桶接收缽苗，送苗桶可以將缽苗扶正定位，為后續(xù)植苗提供良好的狀態(tài)。在送苗桶將花卉缽苗輸送至植苗桶時，已將缽苗排布成合適種植位置。

圖4 缽苗盤縱向升降缸

3 試驗與結(jié)果

3.1 試驗基本條件

花卉苗培育在10cm×10cm規(guī)格的苗缽中，隨機(jī)選取6組，每組50缽苗進(jìn)行試驗，檢測移栽機(jī)自動輸送裝置的移栽時間、取苗成功率、送苗成功率及花卉缽苗的成活率，并分析試驗數(shù)據(jù)。

3.2 試驗設(shè)計

為了檢測采用PLC控制的花卉缽苗移栽機(jī)自動輸送裝置的有效性及準(zhǔn)確率，隨機(jī)取3組，每組50缽苗，檢測移栽耗時、缽體苗取苗成功率、缽體苗送苗成功率、倒伏率及花卉缽苗的成活率，驗證移栽機(jī)的有效性。試驗數(shù)據(jù)記錄統(tǒng)計分析如表2～表4所示。

表2 移栽時間

表3 取送苗成功率

Table 3 Take the success rate %

組號數(shù)量取苗成功率送苗成功率組1509798組2509395組35099100組4509597組55010092組6509396平均值95.595.8

表4 缽苗倒伏率及成活率

Table 4 Bowl seedling rate and survival rate %

組號倒伏率成活率組11.798組22.496組31.4100

續(xù)表4

上述試驗結(jié)果表示：本文研究設(shè)計的花卉缽苗移栽機(jī)自動輸送裝置進(jìn)行花卉移栽時間平均22.7s，800個循環(huán)/h，已達(dá)到國外的平均水平。其取苗送苗成功率分別為95.5%、95.8%，可以達(dá)到生產(chǎn)要求。采用基于PLC花卉缽苗移栽機(jī)自動輸送裝置試驗檢測移栽的成活率達(dá)到97.3%，完全可以滿足花卉種植的要求，可確定該裝置有效、可行。

4 結(jié)論

1)通過試驗驗證裝置的有效性和可靠性，分析試驗中移栽時間、取送苗成功率、倒伏率和缽苗成活率等數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：本裝置移栽作業(yè)循環(huán)可達(dá)到800次/h，取送苗成功率大于95%，花卉缽苗成活率97%以上，表明本裝置高效、可靠。

2)設(shè)計基于PLC花卉缽苗自動移栽機(jī)，具有識別、取苗、送苗及植苗等功能。其利用PLC控制氣缸和馬達(dá)驅(qū)動各個機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電氣一體化，控制花卉缽體苗的移栽精度，減少花卉缽苗在移栽過程中損傷，提高花卉缽苗的成活率，滿足了花卉缽苗大規(guī)模種植的自動化水平。

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