基于PLC的溫室穴盤苗移栽控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝博文 肖章

摘要：首先，對溫室穴盤苗移栽控制系統(tǒng)研究的必要性進(jìn)行了闡述;其次，對溫室穴盤苗移栽機(jī)械的總體結(jié)構(gòu)和控制需求進(jìn)行了分析;最后，以PLC為控制核心對溫室穴盤苗移栽控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并應(yīng)用PID算法對移栽運(yùn)動進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)與計(jì)算。該控制系統(tǒng)對實(shí)現(xiàn)溫室穴盤苗移栽自動化具有重要的實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：PLC;穴盤移栽;控制系統(tǒng)

0? ? 引言

穴盤移栽是溫室穴盤育苗的重要環(huán)節(jié)。當(dāng)前我國的溫室自動移栽穴盤苗還處于起步階段，大多以手動或半自動機(jī)械化為主，需要消耗大量的勞動力[1]。國外針對農(nóng)業(yè)溫室自動移栽機(jī)的研究起步較早，技術(shù)相對先進(jìn)，產(chǎn)業(yè)鏈較為完整，已經(jīng)從試驗(yàn)研究階段走向?qū)嶋H生產(chǎn)階段。而國內(nèi)針對移栽機(jī)的研究起步較晚，且大多數(shù)是針對半自動移栽機(jī)的研究設(shè)計(jì)，隨著國家對溫室移栽機(jī)研究的支持和投入力度的加大，我國移栽機(jī)的研究也在不斷深入。邵琰等[2]針對幼苗植株距離難以把握，可能影響幼苗在穴盤中的種植效率和修剪困難等問題，設(shè)計(jì)研制出了符合幼苗溫室移栽的STC89C52RC單片機(jī)控制系統(tǒng)。王僑等[3-4]為解決當(dāng)下溫室穴盤苗移栽控制系統(tǒng)無法精準(zhǔn)定位檢測幼苗，智能程度差等問題，進(jìn)行了全自動大田移栽機(jī)中的頂苗桿式穴盤苗自動取苗機(jī)構(gòu)的定位控制研究。

本文將基于PLC對溫室穴盤苗移栽控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1? ? 溫室穴盤苗移栽機(jī)械結(jié)構(gòu)

本研究的移栽機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要分為機(jī)械框架、機(jī)械運(yùn)動臺、傳動機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)4個部分，如圖1所示。執(zhí)行抓取幼苗機(jī)械手的主要組成部分是氣缸、馬達(dá)、氣閥、手爪等。傳動機(jī)構(gòu)包括X軸、Y軸、Z軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動絲桿滑塊。執(zhí)行末端單元機(jī)械手配合步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行操作。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動是整個自動移栽驅(qū)動系統(tǒng)的主要驅(qū)動部分。

2? ? 基于PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫室穴盤苗移栽控制系統(tǒng)由上位機(jī)、PLC、傳感器以及執(zhí)行器組成，如圖2所示。

溫室自動移栽機(jī)械的工作流程如圖3所示，描述如下：

（1）在預(yù)定位置的控制移栽機(jī)上，設(shè)定特定的各個移栽位置控制距離，再通過PC端軟件相關(guān)參數(shù)控制執(zhí)行移栽機(jī)械設(shè)備開始驅(qū)動。

（2）通過機(jī)械移栽幼苗控制手調(diào)整幼苗穴格的大小、距離，操縱控制指令①完成抓取幼苗動作。

（3）在將要完成抓取幼苗時，通過驅(qū)動電機(jī)直線模組完成步驟②，直到能夠到達(dá)檢測位置，再驅(qū)動另一個方向上的直線模組控制操作執(zhí)行③，讓移栽機(jī)械手將已抓取的幼苗往分散的、分開的穴盤輸送，與此同時，執(zhí)行抓取幼苗機(jī)械手通過控制器S7-200輸入的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行位置間距的調(diào)控。

（4）隨后檢測傳感器探測正下方的穴盤格情況，并操作④下降至相應(yīng)的位置，成功把穴盤幼苗移栽到目標(biāo)穴盤中，再通過氣缸的收縮與張開執(zhí)行直線模組驅(qū)動操作⑤，使自動移栽機(jī)械手移動至相對高度的安全穩(wěn)定位置。

（5）到達(dá)相對高度的安全穩(wěn)定位置后，需要再次驅(qū)動運(yùn)動機(jī)構(gòu)至其起初的設(shè)定位置，至此完成一個工作流程周期。同時在此過程中，控制器S7-200也需要根據(jù)不同運(yùn)動間的相互位置、運(yùn)動距離進(jìn)行相對數(shù)字參數(shù)的自動檢測輸入調(diào)整，以提高自動移栽全過程的工作流暢度。

本研究中，溫室自動移栽機(jī)通過控制X、Y、Z軸方向上的直線模組驅(qū)動器驅(qū)動機(jī)構(gòu)部分來控制氣壓氣缸驅(qū)動裝置，驅(qū)動其對移栽穴盤幼苗的抓放指令，實(shí)現(xiàn)絲桿滑塊通過直線模組運(yùn)動傳遞到在高密度穴盤苗與低密度移栽盆之間的氣壓氣缸，再通過氣壓氣缸的收縮和張開完成幼苗移栽過程以及PID算法進(jìn)行精確定位，提高位置移栽的精確度。

3? ? PID控制與仿真

為了將穴盤中的幼苗移栽至正確的位置，必須保證機(jī)械手在系統(tǒng)穩(wěn)定安全可靠的環(huán)境下運(yùn)行，并盡可能提高程序語言的簡潔性和執(zhí)行效率，故本文采用PID算法進(jìn)行運(yùn)動控制設(shè)計(jì)。

利用Matlab的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境Simulink對PID進(jìn)行仿真。Simulink的仿真模塊圖如圖4所示，輸入部分是一個階躍信號發(fā)生器，然后設(shè)定Kp、Ki、Kd三個參數(shù)，將被控對象模型輸入系統(tǒng)，最后通過示波器來查看輸出結(jié)果。

由于不同的輸入信號對應(yīng)的Kp、Ki、Kd整定參數(shù)不一樣，本文選取移動距離最大1 000 mm和最小10 mm兩個值進(jìn)行研究。假設(shè)電機(jī)上齒輪的直徑d為40 mm，電機(jī)位移的距離s與電機(jī)所需旋轉(zhuǎn)角度θ關(guān)系式為：

當(dāng)s為最大值1 000 mm時，輸入信號θ≈2 864.789 0°;當(dāng)s最小值為10 mm時，輸入信號θ≈28.647 9°。對PID參數(shù)進(jìn)行整定，Kp=100，Ki=2，Kd=6，得到如圖5、圖6所示波形。

圖中1#線是輸入階躍信號，2#線是經(jīng)過PID算法調(diào)節(jié)后的輸出信號。從圖中可知，只需要非常短的響應(yīng)時間就可以穩(wěn)定平滑地達(dá)到期望值，過程中沒有振蕩現(xiàn)象發(fā)生。由此可知，引入PID算法后，移栽機(jī)工作時可以控制電機(jī)達(dá)到良好的動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定的效果。

為確定PID控制精度，使用測量工具測量2#線，即對經(jīng)過PID調(diào)節(jié)后第4 s和第8 s的輸出信號進(jìn)行測量。當(dāng)電機(jī)位移距離為10 mm時，測量值分別為28.630 3°、28.631 6°;當(dāng)電機(jī)位移距離為1 000 mm時，測量值分別為2 863.030 4°、2 863.163 5°。由于步進(jìn)電機(jī)是按步長運(yùn)動的，最小的運(yùn)動距離是電機(jī)轉(zhuǎn)過一個細(xì)分步距角所前進(jìn)的距離，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度必定是細(xì)分步距角的整數(shù)倍，固定步距角經(jīng)過細(xì)分后為0.45°。所以當(dāng)電機(jī)位移距離為10 mm時，電機(jī)轉(zhuǎn)動角度為28.8°;當(dāng)電機(jī)位移距離為1 000 mm時，電機(jī)轉(zhuǎn)動角度分別為2 862.9°、2 863.35°。

計(jì)算偏差得：當(dāng)電機(jī)移動距離10 mm時，經(jīng)過PID算法調(diào)節(jié)后的輸出位置偏差率為-0.53%;當(dāng)移動距離為1 000 mm時，偏差率分別為0.07%和0.005%。

通過換算公式把偏差率換算成距離：當(dāng)電機(jī)定位距離為10 mm時，經(jīng)過PID算法后的偏差距離約為-0.053 1 mm;當(dāng)電機(jī)定位距離為1 000 mm時，經(jīng)過PID算法后的偏差距離約為0.659 4 mm和0.502 3 mm，處于可接受范圍內(nèi)。

4? ? 結(jié)語

本文采用PLC為控制核心對溫室穴盤苗移栽控制系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)研究，該控制系統(tǒng)操作簡單，穩(wěn)定性高，適應(yīng)能力強(qiáng)。本研究設(shè)計(jì)的溫室穴盤苗移栽控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動將穴盤苗從高密度穴盤移栽到低密度穴盤中的移栽工作，對穴盤苗自動移栽機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的理論參考意義。

[參考文獻(xiàn)]

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[3] 王僑，曹衛(wèi)彬，張振國.穴盤苗自動取苗機(jī)構(gòu)的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2012，34（11）：76-78.

[4] 王僑，曹衛(wèi)彬，張振國，等.穴盤苗自動取苗機(jī)構(gòu)的自適應(yīng)模糊PID定位控制[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（12）：32-39.

收稿日期：2020-12-23

作者簡介：謝博文（1995—），男，湖南衡陽人，研究方向：智能檢測與控制。

通信作者：肖章（1989—），男，湖南衡陽人，講師，研究方向：智能檢測與控制。