利用PLC技術(shù)的采摘機械手電氣自動化技術(shù)研究

黎潔韶

摘要：經(jīng)濟水平的不斷提高，為保證采摘機器人的電氣自動化水平，因此，本文從采摘系統(tǒng)的設(shè)計方案、基于PLC的采摘機械手測控平臺、軟件系統(tǒng)設(shè)計以及基于PLC采摘機械手控制研究等四個方面入手，對PLC控制系統(tǒng)在采摘領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)進行深入的研究，旨在為提高采摘作業(yè)效率提供參考。

關(guān)鍵詞：PLC技術(shù);電氣自動化;采摘機械

引言：農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，采摘機器人逐漸應(yīng)用于日常的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，由于自動化系統(tǒng)仍存在局限性，因而需要引入PLC控制系統(tǒng)，加強PID控制算法的進行改進工作。利用PLC實適用性強、編程簡單以及強大的處理能力等優(yōu)勢，實現(xiàn)機械手的自動化與智能化。并將其應(yīng)用于采摘作業(yè)中，提高采摘作業(yè)水平。

一、采摘系統(tǒng)的方案設(shè)計

為使采摘機械手在進行采摘作業(yè)時能夠進行自主化、自動化的作業(yè)，需要積極的利用相關(guān)硬件以及提高自動化程度對機械手進行末端的執(zhí)行作業(yè)。當(dāng)進行具體的操作作業(yè)時，需要在傳感器進行果實信息采集后，用相關(guān)的處理信息系統(tǒng)依據(jù)果實的大小以及顏色實現(xiàn)成熟度的判斷，在識別成功后，將果實的成熟度發(fā)送給PLC，進一步?jīng)Q定是否實行采摘的命令。若果實不夠成熟，無法達到采摘標(biāo)準，則需要對下一個果實進行上述的識別步驟。若果實已成熟，且符合采摘標(biāo)準，PLC在接收信號后，能夠?qū)崿F(xiàn)對采摘目標(biāo)的采摘工作。通常情況下，采摘機器人的機械手想要提高精準程度，需要進行相關(guān)的編程工作，利用編程對采摘過程實現(xiàn)控制。當(dāng)采摘機器人準確到達果實采摘位置后，需要先用采摘機械手進行果實的抓取，并及時啟動相關(guān)的收割刀具，通過收割刀具將果實的枝柄進行準確的割斷的方式獲得果實。上述自動化采摘過程利用的是反饋調(diào)節(jié)的方式，當(dāng)抓取失敗時，能夠自主的重新定位抓取位置，直到位置準確，成功抓取并獲得果使。在此過程中，若枝柄未一次性割斷，則能夠繼續(xù)切割。當(dāng)取果成功后，采摘機械人將重新到達新的采摘地點，進行下一輪的采摘工作[1]。

二、基于PLC的采摘機械手測控平臺

作為采摘果實的重要組成部分采摘機械手的自動化與智能化程度影響果實的采摘質(zhì)量與水平。因此，采摘機器人的機械手進行果實的采摘過程中需要迅速且靈活可靠。因而在整體過程中需要利用電氣自動化的相關(guān)控制系統(tǒng)，有效借助PLC相關(guān)電氣自動化控制系統(tǒng)，利用編程完成不同的自動化的預(yù)定任務(wù)。采摘機械手也因此多選用PLC測控平臺。若要保證PLC能夠正常的運行，則需要重視PLC在正常運轉(zhuǎn)工作中需要的基本外圍電路中的PLC測控平臺，該控制平臺作為采摘機器人的機械手定位的重要組成，也是上位機以及信號采集的重要部分。其工作原理為由PLC將傳感器收集到的所有信息進行不斷的放大，再進行相互的比較之后，與A/D轉(zhuǎn)換后能夠及時的獲得具體的采集位置的相關(guān)信息，通過和預(yù)先設(shè)定位置相關(guān)信息比較的方式，進一步確認采摘機械手末端與待采摘的相關(guān)作物之間的距離，從而獲得最終的驅(qū)動電液比例方向閥，通過不斷的移動待采摘末端機械完成采摘的作業(yè)任務(wù)。除此之外，需要注意的是，在進行采摘機械手的設(shè)計過程中，需要依據(jù)具體采摘作業(yè)的要求，通過開發(fā)較多外圍接口的方式在進行電氣自動化控制時，利用電機進行控制。為保證操作過程的準確度以及減少控制過程中產(chǎn)生的誤差，可以在電機進行控制的過程中利用增量式的PI控制的方式完成整體的作業(yè)流程。

三、軟件系統(tǒng)設(shè)計

對于采摘機械手來說，由于軟件的自動化和智能化程度影響機械手的操作質(zhì)量與水平，因而電氣自動化控制中系統(tǒng)軟件控制具有重要的作用。為保證采摘機械手的機械性能，通常情況下會利用PLC的電液控制系統(tǒng)，與此同時，利用傳感器對環(huán)境進行全方位的監(jiān)控與監(jiān)測。整體作業(yè)中，還需加強對采摘區(qū)域的監(jiān)測，進而獲得采摘機械手的位置與待采摘果實之間的距離，并進行實時監(jiān)測。一般來說，采摘機器人的電氣自動化控制系統(tǒng)主要由傳感器組件、PLC測控平臺、電液比例方向閥、比例控制放大器以及機械手執(zhí)行機構(gòu)等五部分組成。當(dāng)機械手在進行作業(yè)時，首先，傳感器會將采集到的信息傳遞給PLC的測控平臺，其次，測控平臺會借助信息處理對比例控制放大器傳遞相關(guān)的控制信號信息，最后，控制電液比例方向閥利用末端的執(zhí)行機構(gòu)進行相關(guān)的采摘動作完成作業(yè)（如圖1所示）。與此同時，在整個控制過程中，要先輸入采摘機器人和機械手的開始位置信息，借助傳感器的采集待作業(yè)區(qū)與采摘目標(biāo)之間的距離相關(guān)信息，再進行相互的對比實現(xiàn)對機械手位置的調(diào)整工作。有效的通過PID的控制程序中的子程序?qū)崿F(xiàn)控制比例閥的動作。當(dāng)電氣自動化系統(tǒng)執(zhí)行控制工作時，電機控制方式多借助PID算法中的PI增量式，優(yōu)勢在于可以方式誤差的累積。該原理在于增量式控制能夠通過加權(quán)處理方式進一步消除相關(guān)誤差。因而，電機控制通常采用PI增量式，進一步實現(xiàn)采摘機械手的自動化與智能化的控制[2]。

四、基于PLC采摘機械手控制研究

通常情況下，采摘機器人的機械手能夠?qū)崿F(xiàn)在采摘作業(yè)中自主的識別作物果實。通過自主識別果實之后，再利用移動機器人及時到達作業(yè)區(qū)域，同時有效借助電氣自動化控制系統(tǒng)，使采摘機械手能夠?qū)麑崪蚀_定位后，將機械手進行固定，采摘末端進行采摘作業(yè)。但由于控制系統(tǒng)精度存在一定的誤差，導(dǎo)致采摘機械手在進行采摘時出現(xiàn)漏采或破損的情況較多，因而將PLC和PID控制引入到系統(tǒng)中則能夠有效的提高系統(tǒng)的整體控制準確程度。同時，采摘機械手電氣自動化控制系統(tǒng)的輸入與輸出量都能借助PLC程序有效的進行控制工作，可以利用MCGS軟件設(shè)計可視化界面窗口的方式，保證整個過程能夠顯示出測試的結(jié)果。MCGS軟件中擁有較多的控制器件庫與圖形控件，因而能夠保障顯示系統(tǒng)能夠完整的顯示整體運行的狀態(tài)、故障報警等。在PLC采摘機械手的控制系統(tǒng)界面主要由采摘機械手基本控制系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)組成。其中，基本控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對采摘機械手的遠程強制干預(yù)工作，當(dāng)發(fā)生突發(fā)情況時，能夠及時暫停采摘機械手。而狀態(tài)監(jiān)測則能夠?qū)崿F(xiàn)在機械手作業(yè)中對機械的整體作業(yè)情況進行全方位的監(jiān)測，當(dāng)機械手發(fā)生漏采、果實破損率較高時能夠及時發(fā)出警報。通過整體的測驗表明，通過利用采摘機械手進行采摘時，果實的漏采率與破損率都相對較低，進而使采摘機器的采摘精度符合標(biāo)準要求。

結(jié)論：綜上所述，為保證采摘機器人的采摘作業(yè)質(zhì)量與效率，基于PLC電氣自動化控制系統(tǒng)的同時，積極融入PID控制算法進行設(shè)計新采摘機械手的方式，能夠有效的通過PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)采摘工作的自主定位。通過不斷的對采摘環(huán)境進行模擬實驗，使采摘工作在PLC電氣自動化控制系統(tǒng)的幫助下，實現(xiàn)采摘機器人的自動化與智能化的水平，為推動采摘的精準程度提供有價值的參考。

參考文獻：

[1]苑葵，李素靜.基于PLC的采摘機器人作業(yè)路徑避障系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)機化研究，2020，42（10）：247-250.

[2]邵長友，劉鵬厚.基于PLC和MCGS的采摘機械手控制系統(tǒng)設(shè)計[J].廣西農(nóng)業(yè)機械化，2019（02）：43-44.