基于PLC的嫁接機四工位并行控制系統(tǒng)設計

中圖分類號：S233.74；S606.9 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）07-0079-07

Abstract：Aiming at the existing grafting machine control system using punch control wiring complexity，debugging cumbersome andother isses，put forward agrafting machine based on EtherCAT bus control of four-station paralelcontrol method.Analyze the overallstructure and working principle of the grafting machine，determine the paralelcontrol system schemeand hardware selection.Analyze and calculate the combination andmatching of each hardwarecomponent，the selectionof stepping motor and servo motor，and optimize their performance in work.Adopt the combination of EtherCAT bus communication protocol andI/O control equipment tolcontrol the steping motor，servo motor and pneumatic components，to realize the synchronous operation of the upper seedling cutting， docking and spraying，seedling curing and flexible seedling module，andto ensure that the moduleoperates independentlyandcoordinates theoperation.Reduce thecomplexityof thecabling through theEtherCATbustoreduce the lineinterferenceanddebuggingworkloadinthetraditional control system.Atthesametimetoimprovethe stabilityof the systemandreal-timeresponse capability；design HMI human-computer interfaceto monitorthe operating status of the equipment and parameterregulation，HMI human-computer interface real-time displayof the working statusof each module，theoperatorcan through the intuitive graphical interface，to quickly grasp丨theoperation of the equipment，and test verification.The test results show that：grafting eficiency is 587 plants/h，grafting survival rate of 94.5% ，the use of EtherCAT bus control can greatly reduce wiring，simplify the debugging work. Keywords：grafting machine；PLC；bus control; control system；parallel operation

0 引言

嫁接是一種無性繁殖的方法，是將一種植物的枝或芽（即接穗）與另一種具有強親和力的植物莖或根（即砧木）結合，使2個部分聯(lián)合起來，成為一個完整而獨立的植株[1]。嫁接能夠克服連作障礙，提高植物對非生物脅迫的耐受性和礦物質營養(yǎng)利用效率，提高果實產量和園藝作物的質量[2]。人工嫁接是育苗企業(yè)的主要生產方式，隨著農村人口老齡化加劇和人工成本上漲等，嫁接機因具有解決用工短缺、提升嫁接生產質量與效率等優(yōu)點，成為解決育苗行業(yè)瓶頸問題的突破口[3]。

荷蘭、西班牙、日本、韓國等國開發(fā)的嫁接機控制系統(tǒng)大多采用工業(yè)化的可編程控制器PLC和人機界面HMI，控制作業(yè)精準，人機交互內容豐富。中國嫁接機的研究主要由高等院校和科研機構承擔[4，5]，相關產品尚處于樣機試驗階段。姜凱[6]、Chen[7等開發(fā)的2TJGQ—1000型四夾爪嫁接機，確定了砧木與接穗的匹配切削角度，實現(xiàn)了上苗、切削和對接3個工位的同步作業(yè)，將瓜類嫁接的生產效率提升至1052株/h。Xie[8]、歐楊[9]等研發(fā)的茄果類高速嫁接機能夠實現(xiàn)六株苗同時嫁接，自動完成砧木苗與接穗苗的同步切削、上夾和嫁接苗回栽作業(yè)，生產效率達2500株/h，嫁接成功率超過 90% 。 Chen^{[10，11]}"、 Xu^[12]"等提出瓜類砧木苗的切削模型，確定最佳的砧、穗匹配切削角度，并開發(fā)了旋轉切削機構及切削角度調節(jié)方法。王家勝等[13]研發(fā)的 2JS-6 型茄果類自動嫁接機采用整盤上苗劈接法，實現(xiàn)了穴盤苗自動進給、砧木接穗幼苗的切削與插接、嫁接夾的定向排序與上夾等功能。上述嫁接裝置開發(fā)基本采用了PLC和傳統(tǒng)脈沖控制技術，存在布線復雜、調試繁瑣等問題[14]。

本文設計一種基于PLC的嫁接機四工位并行控制系統(tǒng)。在分析嫁接機整體結構與工作過程基礎上，確定控制系統(tǒng)設計方案和相關硬件選型，利用相關軟件編寫開發(fā)控制程序，并設計人機交互界面，采用EtherCAT總線控制技術控制多臺步進和伺服電機，并開展嫁接試驗驗證。

1嫁接機整體結構和工作原理

1.1 整體結構

嫁接機[15]主要包括上苗切削模塊、噴膠對接模塊、攏苗固化模塊、柔性下苗模塊和控制系統(tǒng)，如圖1所示。（1）上苗切削模塊包括上苗定位機構、砧木夾爪、接穗夾爪和切削機構，上苗定位機構對砧木和接穗進行空間定位，砧木夾爪和接穗夾爪實現(xiàn)砧木和接穗的橫向夾持，待完成上苗定位和夾持后，切削機構完成砧木和接穗同步同角度切削。（2）對接噴膠模塊包括噴膠機構和對接機構，由對接機構的直線滑臺完成砧木與接穗的精確對接，噴膠機構的噴霧閥將UV（Ultravioletradiation）黏合劑霧化噴出至嫁接苗結合處，形成膠膜包裹層。（3）攏苗固化模塊包括攏苗機構和固化機構（紫外線LED固化燈），攏苗桿對嫁接苗結合處具有壓緊作用保證切口貼合緊密，通過LED固化燈發(fā)射紫外線對膠膜進行快速固化。（4）柔性下苗模塊包括下苗機構和輸送帶，下苗機構由柔性夾爪、取苗氣缸和下苗旋轉氣缸組成，完成對嫁接苗的柔性取出和搬運至輸送帶。

上述4個模塊以間隔 90^°"圓周依次布局，每個模塊負責不同的生產任務，通過夾持搬運機構的間歇式旋轉運動實現(xiàn)4個模塊同步高效的嫁接作業(yè)。

圖1嫁接機整體結構

Fig.1 Overall structure of grafting machine 1.接穗托盤2.搬運機構3.夾持機構4.上苗定位機構 5.切削機構6.砧木托盤7.下苗機構8.輸送帶9.氣電滑環(huán) 10.固化機構11.控制柜12.對接機構13.機架14.噴膠機構

1.2 工作原理

嫁接機工作流程如圖2所示。工作過程：（1）人工將接穗和砧木幼苗放人上苗定位機構，踩動腳踏開關，觸發(fā)夾爪閉合，完成砧木和接穗幼苗的穩(wěn)定夾持。隨后，切削機構沿直線快速同步切削砧木與接穗幼苗，并完成復位。（2）搬運機構順時針旋轉 90^°"，將切削過的砧木和接穗幼苗搬運至噴膠對接模塊。在此模塊中，對接機構的直線滑臺使砧木幼苗移動與接穗幼苗進行對接，啟動噴霧閥對嫁接部位進行噴膠。（3）搬運機構繼續(xù)順時針旋轉 90^°"，將嫁接苗搬運至固化模塊，攏苗桿對嫁接苗進行上下攏苗壓實，LED固化燈發(fā)射紫外光使膠膜快速固化。（4）搬運機構再次順時針旋轉90^°"，將嫁接苗送至柔性下苗模塊，柔性夾爪將嫁接苗取出并通過旋轉氣缸放置于輸送帶，完成一株嫁接苗。

利用4個模塊依次循環(huán)作業(yè)，通過4個模塊與旋轉搬運機構相結合實現(xiàn)四工位同步并行作業(yè)，從而提高嫁接作業(yè)效率。

2控制系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)組成

嫁接機控制系統(tǒng)由PLC、磁感應傳感器、繼電器、電磁閥、HMI等組成，如圖3所示。

以PLC作為控制核心，通過EtherCAT總線控制通訊協(xié)議實現(xiàn)PLC與步進電機驅動器和伺服電機驅動器的高性能實時通信。利用動態(tài)讀寫驅動器的對象字典中的參數(shù)來調整驅動器的運行參數(shù)，如速度、加速度、扭矩限制等，大幅減少了傳統(tǒng)布線的復雜度和接線維修工作[16，17]。人機界面 HMI通過以太網接口利用ModbusTCP協(xié)議與PLC進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)對操作數(shù)據(jù)的實時反饋及輸出展示。該界面允許操作人員通過地址綁定功能，直觀地調整步進電機的速度、轉盤轉速等關鍵參數(shù)，操作流程清晰。將磁感應傳感器作為系統(tǒng)中的關鍵信息反饋元件，用于確認各氣動組件是否達到預設的行程點位。這些傳感器將動作完成信號以數(shù)字量的形式反饋至PLC的輸人端口，確保了氣動動作的準確性與可靠性。利用電磁換向閥控制氣缸動作的啟停，通過PLC的數(shù)字輸出端實現(xiàn)精確觸發(fā)，精確控制氣缸動作。步進電機和伺服電機的零點校準依靠光電開關，這些開關連接至各自的驅動器數(shù)字輸入端，為各電機提供了準確的零點定位，確保整個系統(tǒng)各嫁接執(zhí)行部件位置的精確度和可靠性。

2.2 硬件選型

PLC輸入、輸出地址分配和功能說明如表1所示。

表1地址分配表Tab.1Address allocation table

為確保嫁接機高效運行且滿足作業(yè)需求，選擇匯川 H5U-1614MTD-A8 小型PLC作為控制中心。該PLC具有16個輸入端子和14個輸出端子。通過支持EtherCAT總線運動控制和RS485、以太網在內的多接口，實現(xiàn)多功能網絡通信的需求，其中以太網接口的ModbusTCP協(xié)議為數(shù)據(jù)交換提供了便利。針對I/O端子數(shù)量不足的問題，選用GR10一1616ENTE系列的PLC擴展模塊，增加了16個輸入端子和16個輸出端子。匯川小型PLC與擴展模塊的組合，滿足了嫁接機的硬件需求，為系統(tǒng)的運行提供支持。

搬運機構如圖4所示。在對接時，除了保證對接精度外還需要考慮對接速度，以確保工作效率，對接機構選用型號為 28HB50-402A 德軒步進電機，最大有效行程為 100mm ，步進角度為 1.8^°"，扭矩為0.18N?m ，電機導程為 40mm 。為使四工位轉盤能達到作業(yè)要求，需通過負載理論計算選擇合適的電機進行驅動。分析可知，單組砧木夾持部件質量 m_i"和單組接穗夾持部件質量 m₂"分別為 0.16kg，0.15kg 步進電機質量 m₃"為 0.44kg ，轉動底盤質量 m₄"為3.74kg ，氣電滑環(huán)質量 m₅"為 1kg ，其他零部件質量 m₆"約為 0.62kg ，轉動半徑為 300mm ，要求0.5s轉動一個工位（旋轉 90^°; ，將數(shù)據(jù)代入式 （1）～ 式（3）得轉盤機構負載扭矩 T_r"約為 11.81N?m 。

圖4搬運機構

1.轉動底盤2.氣動滑環(huán)3.砧木夾持部件 4.直線模組轉動底盤5.接穗夾持部件6.步進電機

式中： J 一 轉動慣量， kg?m²"：β 角加速度，"";r 旋轉半徑， m n 旋轉速度， rad/min ξ_t"時間間隔，s。

根據(jù)電機扭矩、精度等性能要求，并考慮與其他系統(tǒng)的集成與兼容性，選取微秒VMGSM08075B30CGN510伺服電機。選用新力川 OL3-E57H 總線型步進驅動器，該驅動器結合先進的數(shù)字步進電機算法和EtherCAT總線通訊協(xié)議，能夠有效地抑制電機的溫升，并降低電機的振動，滿足步進電機在精確定位和運動控制方面的需求，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。選用微秒 GSD700- S025一E伺服電機及驅動器，該驅動器具有出色的性能和穩(wěn)定性，采用先進的控制算法和高性能的電機技術，能夠實現(xiàn)精確的位置控制和運動控制。

3 軟件開發(fā)

3.1控制流程設計

嫁接機控制系統(tǒng)流程如圖5所示。嫁接機上電啟動先執(zhí)行機構復位操作，通過磁感應開關和接近開關提供的復位信號，確認執(zhí)行機構是否復位至機械零點。

圖5控制系統(tǒng)流程

Fig.5Control system flow

注： M_1j、M_2j、M_3j、M_4j"表示計數(shù)器 M₁～M₄"的計數(shù)值。

通過腳踏開關觸發(fā)信號 X₁₃"，增加上苗切削計數(shù)器 M_l"、噴膠對接計數(shù)器 M₂"、攏苗固化計數(shù)器 M₃"、柔性下苗計數(shù)器 M₄"的計數(shù)，當計數(shù)器的值符合預設值，上苗切削模塊的人工上苗和上苗切削自鎖，防止在上苗完成之后，操作工人誤觸腳踏開關導致機構碰撞，利用上苗切削自鎖判斷是否完成該模塊的工作。當完成該模塊的工作后，上苗切削自鎖復位，隨后搬運機構旋轉至90^°"。上苗自鎖復位，人工繼續(xù)上苗，當上苗切削計數(shù)器 M₁"的計數(shù)值達9，將其設置為1進行循環(huán)工作。

其余模塊的工作在符合計數(shù)器條件下，判斷搬運機構是否旋轉到位之后才能進行工作。為防止各個模塊未完成工作提前旋轉，設置各個模塊的自鎖來判斷是否需要旋轉。

3.2PLC控制程序設計

根據(jù)上述嫁接機的工作流程，使用匯川AutoShop軟件編寫每個工作模塊程序，建立各程序段邏輯順序關系完成整體程序編寫，其中，攏苗固化模塊程序設計如圖6所示。

攏苗固化程序控制過程：首先，自鎖程序判斷其他模塊是否完成作業(yè)，M603被觸發(fā)，能流通過4模塊自鎖常閉觸點，判斷是否需要進行搬運機構旋轉，當符合條件時，能流流至MO觸發(fā)搬運機構旋轉 90^°"至攏苗固化工位， M402 產生上升沿信號，將攏苗滑臺氣缸置位；接著，通過接通延時定時器指令IN，觸發(fā)平行夾指氣缸進行攏苗動作。根據(jù)M41中設定的時間，再次觸發(fā)上升沿信號M40，使固化燈置位開始固化。固化結束后，利用批量復位指令依次對各部件進行復位。

3.3HMI操作界面設計

嫁接機的控制系統(tǒng)通過PLC程序實現(xiàn)輸入、輸出量的精確邏輯控制。為展示系統(tǒng)測試結果，采用MCGS軟件設計一套人機交互界面，該軟件提供廣泛的控制元件庫和圖形控件，能夠直觀顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)、實時數(shù)值及故障報警信息[18，19]。嫁接機控制系統(tǒng)的用戶界面主要由基本控制系統(tǒng)和狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)兩部分構成，如圖7所示。

圖8試驗裝置 Fig.8Test device

基本控制系統(tǒng)界面允許用戶對各執(zhí)行模塊進行調試并修改參數(shù)，調整各直線模組的對接、復位速度和搬運機構的伺服旋轉速度。在緊急情況下，界面亦提供了急停功能。狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)則專注于實時監(jiān)控嫁接機的操作狀態(tài)，通過I/O的實時監(jiān)控確保嫁接機的各個動作高效與穩(wěn)定運行。

4試驗結果與分析

為驗證嫁接機系統(tǒng)可行性和穩(wěn)定性，以京彩西瓜為接穗苗、京欣砧2號為砧木苗，考察嫁接機的嫁接效率和嫁接成活率。試驗裝置如圖8所示。

共開展5組嫁接試驗，每組完成10個工作循環(huán)，每個工作循環(huán)內可完成4株嫁接苗，即每組試驗完成嫁接苗40株，合計200株，分別統(tǒng)計每組試驗的嫁接效率和嫁接成活率。嫁接苗回栽愈合處理過程：首先準備50孔 （5×10） 規(guī)格的穴盤將其鋪滿基質，基質為草炭、蛭石、珍珠巖以 1：1：1 比例混合；然后將植物生根營養(yǎng)液和水以 1：200 的比例混合攪拌并澆至穴盤基質中（要求穴盤基質澆透水）；最后將嫁接機完成的嫁接苗回栽至穴盤內 25mm 深度，并放入培養(yǎng)箱內進行愈合養(yǎng)傷，愈合環(huán)境條件：濕度為 80%～90% ，白天溫度為28^°C ，夜間溫度為 25^°C ，愈合期7天。觀察嫁接苗生長狀態(tài)，若接穗長出新子葉則認為成活，反之則未成活。

嫁接效率

嫁接成活率

式中： N₁"——嫁接數(shù)量，株；N₂"———成活嫁接苗數(shù)量，株；T —完成時間，s。

嫁接效率和嫁接成活率統(tǒng)計結果如表2所示。分析表2可知，基于PLC的嫁接機控制系統(tǒng)完成1株嫁接苗平均耗時 6.13s ，平均嫁接效率約為587株/h，平均嫁接成活率為 94.5% 。5組試驗的嫁接效率有所浮動，主要與作業(yè)人員上苗熟練程度有關，隨著工作時長的增加，操作熟練度上升使嫁接效率提高。嫁接機各工位采用并行工作方式，其生產效率取決于上苗等待時間，熟練操作者可更快地嫁接上苗，而缺乏經驗者則會導致生產效率有所降低。另外，相比于現(xiàn)有雙人工上苗的嫁接機而言，其平均單人效率為400株/h，本文嫁接機的效率與其相比提高 46.75% 。

表2嫁接成活率與效率結果 Tab.2Survival and efficiency of grafting

5 結論

1）該控制系統(tǒng)利用EtherCAT總線控制實現(xiàn)4工位并行同步作業(yè)，減少控制箱布線和維修工作，自動化控制程度較高，有利于提升嫁接機作業(yè)的整體效率和系統(tǒng)可靠性。設計HMI人機控制界面，能夠實現(xiàn)控制、監(jiān)控和調參操作，具體包括對接移動速度、搬運機構轉速、生產數(shù)量、原點回歸和單步調試等功能。

2）設計基于EtherCAT總線的并行控制方案，具備良好的擴展性，能夠適應不同類型的嫁接作業(yè)需求。該系統(tǒng)不僅能夠提升瓜類嫁接效率，還可根據(jù)實際需求進行調整與優(yōu)化。通過采用EtherCAT總線與PLC控制的結合，簡化傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中復雜的布線問題，還大幅度減少調試和維護工作量，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應速度。

3）系統(tǒng)平均單人嫁接效率為587株/h，嫁接成活率達 94.5% ，人工上苗嫁接機平均單人效率為400株/h，嫁接效率比人工上苗嫁接機高 46.75% 。有效縮短整體作業(yè)時間，顯著提高嫁接效率。

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