基于PLC的拔拋秧機(jī)械手監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

陳 瑜，鄭 歡，馬瑞峻，鄭普峰，詹佳豪

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

水稻OrryzasativaL.是中國主要的糧食作物，目前，我國水稻耕整和收獲環(huán)節(jié)機(jī)械化程度較高，但種植環(huán)節(jié)機(jī)械智能化程度較低[1-3]。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部在《全國農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展第十三個五年規(guī)劃》中提出，實(shí)施“互聯(lián)網(wǎng)+”農(nóng)業(yè)機(jī)械化，促進(jìn)信息化與農(nóng)機(jī)裝備、作業(yè)生產(chǎn)、管理服務(wù)深度融合[4]。因此，發(fā)展水稻機(jī)械化與智能化種植技術(shù)有助于提高我國水稻種植水平。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，將遠(yuǎn)程控制技術(shù)融合于拔拋秧機(jī)械手設(shè)備[5-7]，不僅可以減輕設(shè)備使用人員的工作量、降低勞動力成本，還可以提高設(shè)備作業(yè)的效率和質(zhì)量[8-9]。邵耀堅(jiān)[10]和馬瑞峻等[11-13]提出了一種2自由度穴盤缽苗拔拋秧機(jī)械手，通過不斷改進(jìn)優(yōu)化進(jìn)一步完善了設(shè)備的控制系統(tǒng)，主控單元由原來的單片機(jī)更換為更加穩(wěn)定的可編程控制器 (Programmable logic controller，PLC)，增加觸摸屏作為人機(jī)交互的硬件設(shè)備，并設(shè)計(jì)了良好的人機(jī)交互界面。本研究結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和Android手機(jī)APP技術(shù)設(shè)計(jì)了拔拋秧機(jī)械手遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，并通過試驗(yàn)測試了系統(tǒng)的可靠性。

1 基于PLC的拔拋秧機(jī)械手硬件設(shè)計(jì)

基于PLC的拔拋秧機(jī)械手硬件設(shè)備由執(zhí)行組和監(jiān)控組2部分組成(圖1)。執(zhí)行組實(shí)物圖如圖1a所示，執(zhí)行組包括左右水平運(yùn)動的龍門架、豎直上下同步反向運(yùn)動的2組機(jī)械臂和步進(jìn)進(jìn)給運(yùn)動的秧盤傳送帶，這3個運(yùn)動部件由伺服電機(jī)驅(qū)動控制；龍門架和左、右2組機(jī)械臂的運(yùn)動限位檢測由4個漫反射式開關(guān)傳感器完成；秧盤傳送帶的進(jìn)給運(yùn)動檢測由光纖式傳感器完成；左、右2個秧夾分別與2組機(jī)械臂連接，秧夾的開閉狀態(tài)由2個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制，秧夾的運(yùn)動軌跡為平面矩形軌跡(2自由度笛卡爾坐標(biāo)運(yùn)動)[14]。具體工作原理可參照文獻(xiàn)[10-11]。監(jiān)控組實(shí)物圖如圖1b所示，監(jiān)控組包括 SIMAIC PLC S7-200 Smart CPU ST60、ST30 和模擬量輸入模塊EM AI04組成的控制柜，SIMAIC SMART 700 IE V3 觸摸屏，用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)腉RM530通訊模塊，用于數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的巨控云服務(wù)器Web客戶端以及用于接收數(shù)據(jù)和發(fā)送指令的Android手機(jī)APP客戶端。

圖 1 基于PLC的拔拋秧機(jī)械手硬件設(shè)備實(shí)物圖Fig.1 The hardware of manipulator of rice seedlings transplanting based on PLC

2 PLC監(jiān)控系統(tǒng)和軟件設(shè)計(jì)

2.1 PLC監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 硬件設(shè)計(jì) 馬瑞峻等[13]設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)以單片機(jī)為主控單元，該控制系統(tǒng)雖然能夠滿足拔拋秧機(jī)械手基本的控制要求，但是并沒有設(shè)計(jì)顯示屏等擴(kuò)展模塊來監(jiān)測和傳輸設(shè)備本身的工作狀態(tài)和工作數(shù)據(jù)。本文采用PLC作為主控器，結(jié)合觸摸屏和GRM530通訊模塊[15-16]設(shè)計(jì)了拔拋秧機(jī)械手監(jiān)控系統(tǒng)，既滿足設(shè)備作業(yè)性能的控制要求，也實(shí)現(xiàn)了農(nóng)機(jī)具的遠(yuǎn)程監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)硬件電路連接如圖2所示，圖中伺服電機(jī)M0驅(qū)動龍門架水平左右運(yùn)動，伺服電機(jī)M1驅(qū)動左、右2組機(jī)械臂豎直上下同步反向運(yùn)動。伺服電機(jī)運(yùn)動的控制方式為指令脈沖+方向位置，即運(yùn)用 SIMAIC S7-200 SMART CPU ST60提供的2個數(shù)字量輸出Q0.0和Q0.1產(chǎn)生PWM指令脈沖，以控制伺服電機(jī)M0和M1的旋轉(zhuǎn)速度，Q0.2和Q0.7控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向；龍門架左、右限位傳感器(I0.0和I0.1)作為龍門架左右往復(fù)運(yùn)動的停止信號，左、右機(jī)械臂上下運(yùn)動限位傳感器(I0.2和I0.3)作為左、右機(jī)械臂上下往復(fù)運(yùn)動的停止信號。CPU ST60的Q0.3端口輸出PWM脈沖控制伺服電機(jī)M2旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動秧盤傳送帶進(jìn)給運(yùn)動，由于進(jìn)給運(yùn)動方向不變，故M2方向信號端Q0.4始終為低電位，秧盤到位傳感器(I0.4)為秧盤傳送帶進(jìn)給運(yùn)動的停止信號。將伺服電機(jī)外接3個電壓變送器后與PLC的模擬量輸入模塊連接，讀取伺服電機(jī)工作電壓是否正常。電機(jī)工作電壓異常時，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，以防止設(shè)備長時間工作狀態(tài)下，電機(jī)M0、M1的不斷正反轉(zhuǎn)和電機(jī)M2的不斷啟動停止導(dǎo)致的電機(jī)過熱，從而發(fā)生電機(jī)故障。

馬瑞峻等[13]設(shè)計(jì)的拔拋秧機(jī)械手左、右2個秧夾的開閉由2個直流電磁閥驅(qū)動，該電磁閥工作10 min左右就會出現(xiàn)過熱并停止運(yùn)行，影響拔拋秧機(jī)械手的工作效率。本文的秧夾開閉狀態(tài)改進(jìn)為由步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動控制，解決了之前直流電磁閥過熱停機(jī)的問題。由于CPU ST60只有3個數(shù)字量輸出端口可直接產(chǎn)生PWM脈沖控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，為方便進(jìn)一步控制，引入 S7-200 SMART CPU ST30的數(shù)字量輸出Q0.0和Q0.1產(chǎn)生PWM脈沖控制步進(jìn)電機(jī)。8421數(shù)碼管驅(qū)動顯示拔拋秧機(jī)械手已拔秧苗行數(shù)，指示燈顯示設(shè)備啟停狀態(tài)，蜂鳴器提示伺服電機(jī)故障報(bào)警。

2.1.2 PLC程序設(shè)計(jì) 基于PLC的拔拋秧機(jī)械手監(jiān)控系統(tǒng)有4種控制模式，分別是手動控制模式、自動控制模式、上位機(jī)觸摸屏控制模式和Android手機(jī)APP控制模式。PLC程序采用西門子編程軟件 STEP 7-MicroWIN Smart編寫，該平臺提供 3 種程序編輯器(梯形圖、語句表和功能模塊圖)，本設(shè)計(jì)采用梯形圖[17]進(jìn)行開發(fā)。根據(jù)拔拋秧機(jī)械手監(jiān)控系統(tǒng)的功能分析，運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)方式，分功能完成PLC程序的編寫。如圖3所示，PLC程序模塊包括電機(jī)初始化程序、復(fù)位和急停程序、自動控制程序、電機(jī)工作電壓采集程序、秧苗行計(jì)數(shù)程序、手動控制程序和報(bào)警程序。

圖 3 PLC程序模塊框圖Fig.3 The block diagram of PLC program

2.2 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 觸摸屏監(jiān)控軟件設(shè)計(jì) 觸摸屏采用西門子的 SMART 700 IE V3，監(jiān)控界面采用 WinCC flexible SMART V3 組態(tài)軟件[17]開發(fā)。在該組態(tài)軟件中創(chuàng)建與PLC輸入、輸出點(diǎn)參數(shù)一一對應(yīng)的變量，并設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)類型和地址，隨后創(chuàng)建觸摸屏畫面并進(jìn)行變量連接；根據(jù)軟件客戶端功能層次分析，設(shè)計(jì)系統(tǒng)登錄主界面、系統(tǒng)監(jiān)控界面和電壓報(bào)表監(jiān)控界面，并在相應(yīng)的界面設(shè)計(jì)功能窗口[18]。系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖4所示，該界面包括秧盤計(jì)數(shù)、報(bào)警燈、拔拋秧頻率、伺服電機(jī)位置與速度、系統(tǒng)控制按鈕和手動控制按鈕窗口。用戶可在此界面設(shè)置系統(tǒng)控制模式，并對已拔秧苗行數(shù)以及伺服電機(jī)的位置和速度進(jìn)行監(jiān)測。點(diǎn)擊“電壓報(bào)表界面”按鈕后觸摸屏跳轉(zhuǎn)到電壓報(bào)表界面，此時，監(jiān)控系統(tǒng)每隔100 ms采集1次秧盤傳送帶驅(qū)動電機(jī)、龍門架驅(qū)動電機(jī)和機(jī)械臂驅(qū)動電機(jī)的工作電壓，3個電機(jī)工作電壓數(shù)值通過換算后以曲線的形式顯示出來。同時，監(jiān)控系統(tǒng)也會采集控制左、右2個秧夾動作的電壓信號。

圖 4 觸摸屏人機(jī)交互界面Fig.4 Human-machine interaction interface of touch screen

2.2.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1) GRM530 通訊模塊。GRM530是廣州巨控科技公司開發(fā)的專門用于PLC遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程維護(hù)的無線通訊模塊，該模塊可實(shí)現(xiàn)PLC遠(yuǎn)程調(diào)試、觸摸屏遠(yuǎn)程下載、組態(tài)軟件遠(yuǎn)程監(jiān)控和手機(jī)APP監(jiān)控等功能。通訊模塊內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能通過3G/4G、WIFI和以太網(wǎng)直接訪問網(wǎng)絡(luò)；SIMATIC S7-200 Smart PLC 的數(shù)據(jù)可通過該模塊在Internet進(jìn)行傳輸[19]。

2)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)。在設(shè)備運(yùn)行時PLC現(xiàn)場采集各個部件的運(yùn)行參數(shù)和工作數(shù)據(jù)，通過GRM530通訊模塊將PLC中的數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器，云服務(wù)器將收到的數(shù)據(jù)解析后保存至云數(shù)據(jù)庫并備份；電腦或手機(jī)客戶端可直接訪問并下載云數(shù)據(jù)庫內(nèi)PLC工作的實(shí)時數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過客戶端軟件的處理后，最終以數(shù)據(jù)或圖表的形式呈現(xiàn)給客戶，實(shí)現(xiàn)可視化讀取。同時，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，用戶也可以通過客戶端對PLC發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)了整個系統(tǒng)的監(jiān)測與控制一體化。整體架構(gòu)如圖5所示。

圖 5 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)圖Fig.5 The architecture diagram of remote monitoring system

3) Android端監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用Android智能設(shè)備作為拔拋秧機(jī)械手的遠(yuǎn)程人機(jī)交互軟件的載體，既方便用戶操作，也符合農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢的要求[20]。Android手機(jī)APP客戶端監(jiān)控軟件采用Android studio開發(fā)，根據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件的功能層面分析，開發(fā)監(jiān)控界面并建立邏輯編程[21]，包括訪問巨控云服務(wù)器并獲取數(shù)據(jù)、拔拋秧機(jī)械手遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)登錄界面(包括用戶登錄功能)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主界面、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)工作過程指示燈界面、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)表系統(tǒng)界面(包括龍門架、機(jī)械臂、秧盤傳送帶3個驅(qū)動電機(jī)的工作電壓報(bào)表)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)手動控制界面。Android手機(jī)APP客戶端遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)登錄界面及手動控制界面如圖6所示。

圖 6 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)Android手機(jī)APP客戶端Fig.6 The android mobile APP client of remote monitoring system

3 基于PLC的拔拋秧機(jī)械手監(jiān)控系統(tǒng)的試驗(yàn)和結(jié)果

2020年9月25日，在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院進(jìn)行基于PLC的拔拋秧機(jī)械手監(jiān)控系統(tǒng)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)前確認(rèn)硬件設(shè)備接線無誤，觸摸屏和GRM530通訊模塊使用LAN電纜通過交換機(jī)與PLC連接且通訊正常，GRM530通訊模塊和Android手機(jī)可通過WIFI訪問網(wǎng)絡(luò)。

3.1 Android手機(jī)APP客戶端遠(yuǎn)程控制試驗(yàn)和結(jié)果

為驗(yàn)證Android手機(jī)APP客戶端對拔拋秧機(jī)械手遠(yuǎn)程控制的準(zhǔn)確性與時效性，首先，進(jìn)行遠(yuǎn)程通信測試試驗(yàn)。本文采用文獻(xiàn)[5]的遠(yuǎn)程通信測試方法，利用“Ping”命令檢查網(wǎng)絡(luò)是否連接，并測試網(wǎng)絡(luò)延時，如圖7所示。由圖7的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，遠(yuǎn)程通信測試試驗(yàn)未出現(xiàn)丟包問題，且平均延時為25 ms。重復(fù)10次試驗(yàn)，丟包率均為0，表明Android手機(jī)APP客戶端和拔拋秧機(jī)械手能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的雙向通信。

圖 7 互聯(lián)網(wǎng)Ping指令測試Fig.7 Internet Ping command test

在Android手機(jī)上打開“監(jiān)控系統(tǒng)”APP，輸入賬號和密碼登錄系統(tǒng)后，在APP內(nèi)設(shè)置拔拋秧機(jī)械手為手動控制模式，進(jìn)入“手動控制界面”，按照拔拋秧機(jī)械手工作原理在“手動控制界面”中依次對傳送帶、龍門架和機(jī)械臂發(fā)送控制指令，觀察遠(yuǎn)程控制指令發(fā)出后拔拋秧機(jī)械手是否做出正確動作響應(yīng)，并測試響應(yīng)時間，試驗(yàn)重復(fù)10次，結(jié)果如圖8所示。由圖8可見，傳送帶、龍門架和機(jī)械臂的遠(yuǎn)程控制響應(yīng)時間平均分別為0.586、0.591和0.587 s，最長響應(yīng)時間分別為 0.63、0.62 和 0.63 s，響應(yīng)時間的長短受Android手機(jī)和GRM530通訊模塊所連接的網(wǎng)絡(luò)信號影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，Android端遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，APP發(fā)出控制指令后，拔拋秧機(jī)械手的傳送帶、龍門架和機(jī)械臂均能產(chǎn)生正確的動作響應(yīng)，并且在網(wǎng)絡(luò)信號正常的狀態(tài)下響應(yīng)延時低。

圖 8 拔拋秧機(jī)械手遠(yuǎn)程控制響應(yīng)時間Fig.8 The response time for remote control of rice seedling transplanting manipulator

3.2 拔拋秧機(jī)械手工作狀態(tài)監(jiān)測試驗(yàn)和結(jié)果

將穴盤為23行×12列的白色帶土秧盤[22]放置在秧盤傳送帶上，設(shè)置拔拋秧機(jī)械手為自動控制模式，設(shè)備在自動控制模式下自動運(yùn)行10 min后，分別觀察手機(jī)APP和觸摸屏上反饋的拔拋秧機(jī)械手工作狀態(tài)，并對比所反饋的工作狀態(tài)與實(shí)際工作狀態(tài)是否一致。

拔拋秧機(jī)械手工作狀態(tài)監(jiān)控界面如圖9所示。從手機(jī)APP監(jiān)控界面(圖9)可以觀察到，拔拋秧機(jī)械手的龍門架在向右運(yùn)動，右機(jī)械臂在上限位處。隨后，在觸摸屏監(jiān)控主界面(圖10)可以觀察到，拔拋秧機(jī)械手的龍門架已運(yùn)動到右限位處，右機(jī)械臂仍在上限位處。此時，拔拋秧頻率為80 株/min，已拔秧苗行數(shù)為69 行(3 盤)。試驗(yàn)結(jié)果表明，手機(jī)APP和觸摸屏端均能反饋拔拋秧機(jī)械手的工作狀態(tài)，并與拔拋秧機(jī)械手的實(shí)際工作狀態(tài)一致。

圖 9 手機(jī)APP監(jiān)控界面Fig.9 Monitoring interface of mobile APP

圖 10 觸摸屏監(jiān)控界面Fig.10 Monitoring interface of the touch screen

3.3 拔拋秧機(jī)械手電機(jī)電壓曲線監(jiān)測試驗(yàn)和結(jié)果

在拔拋秧機(jī)械手工作狀態(tài)監(jiān)測試驗(yàn)方案中，點(diǎn)擊觸摸屏監(jiān)控主界面的“電壓報(bào)表界面”按鈕后進(jìn)入電壓報(bào)表界面，如圖11所示，在該界面下觀察觸摸屏能否正確反饋控制左、右2個秧夾動作(打開放秧或閉合夾秧)的電壓信號(0或1)，以及傳送帶、龍門架和機(jī)械臂驅(qū)動電機(jī)的工作電壓曲線，工作電壓曲線的橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為電壓。

圖 11 觸摸屏電機(jī)電壓報(bào)表界面Fig.11 Report interface of motor voltage in touch screen

由圖11可知，秧夾動作的電壓信號和3個電機(jī)的工作電壓曲線均呈周期性變化，且在30 s內(nèi)有T1～T3共3個完整周期。以圖中T1周期為例，t1時間段內(nèi)拔拋秧機(jī)械手的傳送帶(紅色曲線)運(yùn)動送秧，系統(tǒng)檢測到秧苗行到位信息時傳送帶停止；t2時間段內(nèi)龍門架(藍(lán)色曲線)向右運(yùn)動，使左秧夾進(jìn)入左半邊秧苗行，隨后左秧夾(第1排黑色曲線)閉合夾秧；t3時間段內(nèi)左機(jī)械臂(綠色曲線)向上運(yùn)動從而拔起左半邊秧苗行，同步右機(jī)械臂向下運(yùn)動，隨后右秧夾(第2排黑色曲線)打開放秧；t4時間段內(nèi)龍門架向左運(yùn)動，使右秧夾進(jìn)入右半邊秧苗行，隨后右秧夾閉合夾秧；t5時間段內(nèi)右機(jī)械臂向上運(yùn)動從而拔起右半邊秧苗行，同步左機(jī)械臂向下運(yùn)動，隨后左秧夾打開放秧；緊接著進(jìn)入下一個周期，傳送帶繼續(xù)進(jìn)給下一行秧苗，此時左、右2個秧夾的開閉狀態(tài)為左開右閉。在1個工作周期內(nèi)拔拋秧機(jī)械手傳送帶運(yùn)動了1次，龍門架與機(jī)械臂分別運(yùn)動了2次，左、右2個秧夾分別打開放秧1次、閉合夾秧1次。

4 結(jié)論

根據(jù)拔拋秧機(jī)械手的工作原理，設(shè)計(jì)了基于PLC的監(jiān)控系統(tǒng)硬件電路和軟件程序，監(jiān)控系統(tǒng)可以使拔拋秧機(jī)械手進(jìn)行自動有序的拔拋秧工作，也可以進(jìn)行單步手動作業(yè)調(diào)試。基于觸摸屏設(shè)計(jì)了良好的人機(jī)交互界面，使用者可以直接在觸摸屏上監(jiān)控拔拋秧機(jī)械手的工作狀態(tài)和工作數(shù)據(jù)，通過電壓報(bào)表界面觀測拔拋秧機(jī)械手的傳送帶、龍門架和機(jī)械臂驅(qū)動電機(jī)的工作電壓曲線，控制左、右2個秧夾動作的電壓信號，從而判斷拔拋秧機(jī)械手是否正常工作。基于GRM530通訊模塊、巨控云服務(wù)器和Android手機(jī)，設(shè)計(jì)了基于PLC的拔拋秧機(jī)械手遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)手機(jī)APP，實(shí)現(xiàn)了Android手機(jī)APP客戶端與控制系統(tǒng)的雙向通信。試驗(yàn)結(jié)果表明，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)的接收與控制指令的發(fā)送穩(wěn)定，系統(tǒng)響應(yīng)延時低。

本文設(shè)計(jì)的拔拋秧機(jī)械手監(jiān)控系統(tǒng)提升了拔拋秧機(jī)械手作業(yè)的信息化水平，促進(jìn)了信息化與農(nóng)機(jī)裝備的深度融合。