高架草莓移栽機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李 男，劉繼展

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

草莓作為一種經(jīng)濟(jì)效益極高的農(nóng)產(chǎn)品，種植面積逐年增大[1-3]，隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，草莓的栽培方式也有了新的發(fā)展—由地面種植轉(zhuǎn)向高架栽培[4]。草莓的高架基質(zhì)栽培，減少了污染，有效降低了土壤因素帶來的不良后果。高架栽培將栽培床的高度提高到作業(yè)者舒適的管理高度，省力，降低勞動(dòng)強(qiáng)度[5-8]。因此，為了進(jìn)一步節(jié)省人力，提高管理效率，草莓苗實(shí)現(xiàn)機(jī)械化移栽非常必要。

目前，草莓移栽主要是由人工完成[5]，國(guó)內(nèi)外未見到草莓移栽機(jī)相關(guān)報(bào)道。人工移栽效率低，勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度大，根據(jù)果農(nóng)描述，單人移栽草莓苗約為300株/h。目前，市場(chǎng)上的移栽機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性較低，研制高級(jí)的控制系統(tǒng)具有重要意義。

1 高架草莓移栽機(jī)結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)需求

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及作業(yè)原理

高架草莓移栽機(jī)主要由自主行走底盤、取苗與變距換向機(jī)構(gòu)、穴盤苗間歇輸送機(jī)構(gòu)、豎直運(yùn)動(dòng)單元、打孔單元、水平移送及讓位單元、控制系統(tǒng)，以及框架組成[5-6]，如圖1所示。

1.控制箱 2.豎直方向(Z軸方向)輸送單元 3.同步讓位機(jī)構(gòu) 4.水平方向(X軸方向)輸送單元 5.氣動(dòng)取苗及變距換向單元 6.打孔器 7.穴盤苗輸送單元(Y軸方向) 8.自主行走式移動(dòng)底盤圖1 高架草莓全自動(dòng)移栽機(jī)Fig.1 Three-dimensional model of an elevated strawberry automatic transplanter

高架草莓苗移栽采用穴盤苗育苗，育苗盤規(guī)格為32孔(4行8列)，單孔為四棱臺(tái)型，上下表面尺寸分別為6.3cm×6.3cm和2.0cm×2.0cm，穴孔深度為11cm。利用育苗穴盤的規(guī)格特點(diǎn)，該移栽機(jī)實(shí)現(xiàn)整排同取雙側(cè)高架栽培槽的對(duì)稱移栽。

1)遙控移栽機(jī)行走至高架栽培槽中間，按下遙控器上“作業(yè)”按鍵；

2)取苗爪移送到穴盤苗上方，同時(shí)打孔錘運(yùn)動(dòng)至高架槽上方，打孔器依據(jù)高架高度仿形打孔，取苗指刺入草莓苗坨[7]；

3)豎直運(yùn)動(dòng)單元帶動(dòng)水平機(jī)構(gòu)上移拔苗，同時(shí)打孔器從栽培槽基質(zhì)中拔出成孔；

4)打孔器讓位，取苗爪移送到所打孔上方；

5)豎直運(yùn)動(dòng)單元帶動(dòng)水平機(jī)構(gòu)下移放苗，同時(shí)穴盤苗間歇輸送機(jī)構(gòu)間歇送苗。

1.2 控制系統(tǒng)需求分析

根據(jù)高架草莓移栽機(jī)結(jié)構(gòu)，并結(jié)合其作業(yè)原理分析，得出移栽機(jī)控制系統(tǒng)需求如表1所示。

表1 控制系統(tǒng)需求表Table 1 RequirementsTable of control system

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

高架草莓穴盤苗全自動(dòng)移栽機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)少量人工干預(yù)的自動(dòng)化移栽技術(shù)，本文設(shè)計(jì)遙控和自動(dòng)作業(yè)兩種嵌套控制方式，目的是實(shí)現(xiàn)遙控底盤行走進(jìn)入高架環(huán)境及高架間自動(dòng)仿形作業(yè)的功能[8]。

2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

高架草莓移栽機(jī)控制系統(tǒng)涉及到6個(gè)伺服電機(jī)、3個(gè)步進(jìn)電機(jī)、7個(gè)光電測(cè)距開關(guān)[9]、8個(gè)光電限位開關(guān)、2個(gè)稱重傳感器、兩類氣缸(2個(gè)電磁閥)，以及遙控器與接收裝置，其原理框圖如圖2所示。

圖2 移栽機(jī)控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of the control system of transplanter

2.2 基于PLC的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 PLC 控制器

PLC是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心[11]，主要負(fù)責(zé)給伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，采集光電開關(guān)信號(hào)、稱重傳感器信號(hào)、遙控器接收信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)高架草莓移栽機(jī)的自動(dòng)仿形精確作業(yè)。

移栽機(jī)控制系統(tǒng)采用無錫信捷公司針對(duì)運(yùn)動(dòng)控制開發(fā)的10軸獨(dú)立脈沖控制PLC-XDM-60T10-E，并擴(kuò)展兩路壓力測(cè)量模塊XD-E2WT-A。與其他PLC相比，信捷XDM-60T10-E系列PLC，具有更多的脈沖輸出接口，單機(jī)就能獨(dú)立控制10個(gè)伺服或步進(jìn)電機(jī)，且價(jià)格較為合理，是開發(fā)高架草莓移栽機(jī)的最佳選擇之一。

2.2.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

信捷PLC端輸出的是“負(fù)”脈沖信號(hào)，因此伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器一側(cè)選擇共陽極連接，即將驅(qū)動(dòng)器一側(cè)的“PLS+”“DIR+”與 “電源+”相連，“PLS-”“DIR-”分別接PLC一側(cè)的脈沖輸出端，與電機(jī)轉(zhuǎn)向控制端，如圖3所示。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)移栽機(jī)作業(yè)原理，在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，圍繞高架高度差自適應(yīng)方法，水平移送機(jī)構(gòu)讓位協(xié)調(diào)控制，分析移栽機(jī)各運(yùn)動(dòng)單元的先后動(dòng)作順序，并結(jié)合移栽機(jī)尺寸參數(shù)完成軟件設(shè)計(jì)。

圖3 典型的PLC控制電機(jī)接線圖Fig.3 Typical PLC control motor wiring diagram

3.1 軟降方案設(shè)計(jì)

由于高架草莓移栽機(jī)的作業(yè)過程復(fù)雜，因此軟件采取模塊化設(shè)計(jì)方案，即將軟件按照作業(yè)原理分為遙控子程序和自動(dòng)作業(yè)子程序。其中， 自動(dòng)作業(yè)子程序包含有底盤前進(jìn)、間歇送苗、仿形打孔、仿形放苗及取苗換向等子程序，如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)模塊化軟件設(shè)計(jì)框圖Fig.4 Block diagram of modularized software design for control system

3.2 基于PLC的控制系統(tǒng)梯形圖程序

移栽機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用信捷PLC編輯工具軟件，控制系統(tǒng)流程圖如圖5所示。

根據(jù)移栽作業(yè)流程得出移栽動(dòng)作完成過程中各電機(jī)的先后動(dòng)作順序和動(dòng)作距離，即完成草莓移栽機(jī)的多個(gè)電機(jī)聯(lián)動(dòng)控制，如圖6所示。軟件編寫基于梯形圖語言完成，信捷PLC集成運(yùn)動(dòng)控制模塊，PLSF、PLSR等指令均為運(yùn)動(dòng)控制開發(fā)，可以發(fā)送可變頻的脈沖、多段不同頻率的脈沖控制信號(hào)，完成伺服/步進(jìn)電機(jī)的控制。

圖6 信捷PLC梯形圖程序編寫及脈沖控制參數(shù)配置Fig.6 Programming of PLC ladder diagram and parameter configuration of pulse control

4 移栽機(jī)控制系統(tǒng)接線與試驗(yàn)

4.1 移栽機(jī)控制系統(tǒng)搭建

本文將草莓移栽機(jī)控制系統(tǒng)部件分別安裝在底盤內(nèi)部和移栽機(jī)框架兩個(gè)位置?？刂破?、遙控單元、底盤行走單元及系統(tǒng)供電單元安裝在底盤行走內(nèi)部，移栽機(jī)控制子單元安裝在移栽機(jī)的框架上，控制器控制信號(hào)通過50芯的屏蔽線連接控制系統(tǒng)的不同位置部件。圖7為控制系統(tǒng)實(shí)物圖。

圖7 高架草莓移栽機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.7 The physical map of the control system of the elevated strawberry transplanter

4.2 移栽機(jī)控制系統(tǒng)試驗(yàn)

4.2.1試驗(yàn)背景與方法

根據(jù)田間實(shí)際情況在實(shí)驗(yàn)室搭建模擬的高架栽培環(huán)境，利用圓形鋼管和無紡布制成高架栽培槽，栽培槽高度可調(diào)，長(zhǎng)度為4m，栽培槽中所用基質(zhì)為草炭、蛭石、珍珠巖，按照體積比3∶1∶1均勻混合而成。移栽用苗為利用花泥裁剪而成的仿真苗，苗坨為四棱臺(tái)形，仿真苗坨上表面尺寸為60mm×60mm，下表面尺寸為20mm×20mm，高度為100mm。

由于高架草莓移栽機(jī)設(shè)計(jì)為雙側(cè)對(duì)稱移栽，因此試驗(yàn)驗(yàn)證單邊移栽效果，如圖8所示。整排取苗完成后，穴盤苗間歇輸送機(jī)構(gòu)間歇送苗，測(cè)量每次間歇送苗的實(shí)際距離。試驗(yàn)由遙控器控制開始，整排苗移栽后，移栽機(jī)間歇前進(jìn)20cm到下一個(gè)移栽工位。試驗(yàn)總共完成5盤仿真苗坨的移栽，每盤苗移栽完成后測(cè)量仿真苗坨的株距，行距與栽苗的深度。

圖8 高架草莓全自動(dòng)移栽機(jī)試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.8 Test photo of an elevated strawberry automatic transplanter

4.2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1)間歇送苗單元的定位精度。每盤穴盤苗共需要完成7次間歇送苗，每次間歇送苗距離為6.3mm，試驗(yàn)共完成35次間歇送苗，結(jié)果表2所示。

表2 間歇送苗輸送距離統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of transmission distance of batch seedling delivery mm

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，平均間歇輸送距離為6.2mm，小于設(shè)定的6.3mm，穴盤苗的質(zhì)量導(dǎo)致負(fù)載增大所至。

2)仿真苗坨的移栽效果。試驗(yàn)共完成單側(cè)80株仿真苗坨的移栽，移栽成功率為91.25%。有7株仿真苗移栽失敗，其中3株放苗后仿真苗坨被帶起，由于花泥的粘滯性大而質(zhì)量輕，附著在取苗指上被帶出栽培槽；2株在穴盤中取苗失敗，由于取苗爪旋轉(zhuǎn)變距沒有到位，導(dǎo)致取苗指沒有在苗坨上方造成的；2株送苗定位差別過大，沒有放進(jìn)所打的孔中。

試驗(yàn)共完成40排草莓苗的移栽，每排苗(4株)移栽平均耗時(shí)14.5s,移栽效率為993株/h。每排苗的移栽過程中上移拔苗，下行放苗，上行復(fù)位，頻繁的上下移動(dòng)耗時(shí)大，限制了移栽效率。完成仿真苗坨的移栽平均行距為20.0cm，平均株距為21.55cm，栽植的平均深度為0.7cm。

5 結(jié)論

1)根據(jù)高架草莓移栽機(jī)的結(jié)構(gòu)和作業(yè)原理，分析實(shí)現(xiàn)自動(dòng)作業(yè)控制系統(tǒng)的需求，完成了移栽機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

2)針對(duì)移栽機(jī)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，提出了模塊化的軟件設(shè)計(jì)原理，將軟件按照作業(yè)功能模塊拆分，并獨(dú)立完成各子塊的軟件編寫。

3)移栽機(jī)的仿真苗試驗(yàn)表明：所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠很好實(shí)現(xiàn)高架草莓移栽機(jī)的自動(dòng)控制作業(yè)，移栽成功率超過90%，移栽效率為993株/h。

4)研究雖然只針對(duì)高架草莓移栽機(jī)，但是對(duì)其模塊化的編程以及對(duì)伺服電機(jī)的精確控制方法同樣適用于其他復(fù)雜的農(nóng)業(yè)機(jī)械的控制軟件。