基于作业速度的移栽机取苗送苗控制系统设计

崔财豪，曹卫彬，杨 萌，马 锐，任 玲

(石河子大学 机械与电气工程学院，新疆 石河子 832000)

0 引言

新疆地处我国西北地区，属北部高纬度(北纬37°～47°之间)，昼夜温差大，光照充足,适合加工番茄、线辣椒等农作物的生长；由于降雨量小,农作物主要以灌溉为主,可控系统有利于调节植株长势、提高单位面积产量及改善产品质量[1]。目前，新疆已成为全国最大的棉花、番茄、甜菜、红花等经济作物生产基地。其中，番茄生产能力居世界第三，番茄制品占全球贸易总量的20%以上。近年来，新疆番茄种植面积达6.7万 hm2，加工番茄产业已经成为规模宏大的红色产业[2 -3]。

作物移栽主要分为人工移栽和机械移栽两种方式[4]。目前，市面上推广的移栽机多数为半自动移栽机，栽植过程中需要人工投苗，劳动强度大，工作效率低，无法满足现代化农业生产的需要。全自动移栽机与半自动移栽机区别在于取喂苗方式上方式有所不同，由机械或人工喂入多组秧苗(如多张苗盘)，移栽机自动完成苗盘输送、送苗取苗以及栽植工作。全自动移栽机一定程度上无需人工干预，工作效率大大提高，降低了劳动强度[5-6 ]。

全自动移栽机存在送苗精度低、株距不稳定、高速工作时苗手与苗盘之间具有干涉等问题。为此，提出了基于作业速度自动移栽机送苗与取苗装置的控制系统，旨在提高送苗精度、株距精度，以及解决高速工作时取苗手与苗盘之间的干涉问题。

1 总体设计

1.1 取苗和送苗相干涉解决方案的设计

使用接近开关作为苗盘运动的信号输入，在取苗手接近开关从低电平变成高电平时，表示取苗手插入基质，苗盘静止；当接近开关从低电平变成高电平时，表示取苗手离开苗盘，此时苗盘步进电机通过丝杠和链轮带动苗盘横向纵向运动。由于苗盘只在取苗手取苗时静止，投苗时运动，避免了高速移栽时苗盘与取苗手的干涉。

1.2 取苗手和苗盘进给控制系统方案的设计

系统使用3个接近开关作为信号输入，取苗手接近开关提供每次取苗手取苗结束后的完成信号，苗盘两侧的接近开关作为定位传感器使用。正常工作时，取苗手在即将插入基质时取苗手接近开关发送信号，且一直持续到取苗手离开苗盘。在取苗手接近开关由高电平调变为低电平时，苗盘横向移动32mm；当苗盘移动到一侧，即左右两个接近开关有信号时，苗盘向下移动32mm，取苗手取下一行的穴盘苗。该方案与使用一个接近开关的方案相比能够更加准确地控制苗盘移动，同时避免取苗与送苗的干涉。

2 工作原理

基于作业速度自动移栽机送苗与取苗装置的控制系统通过修改程序参数适用于不同规格的苗盘。为适应一膜双行的移栽机作业要求，机身设计有两只取苗手同时取苗，所以需要同时对两个苗盘进行横向和纵向进给控制，下面以一个取苗手和苗盘的工作原理进行介绍。

为了控制苗盘的进给精度，苗盘的横向和纵向移动均使用步进电机，在大田中作业时步进电机的使用有助于保证精度、减小控制误差[7]。苗盘滑台与滑动轨道连接，步进电机通过丝杠将角位移转化为线位移控制苗盘横向运动；通过步进电机带动链轮以及与链轮对应的链条继而带动苗盘纵向运动。取苗手由步进电机控制，步进电机转动1圈带动取苗手完成一个取苗动作。取苗手接近开关控制取苗结束信号，苗盘两侧的接近开关作为定位传感器使用。取送苗装置机构示意图，如图1所示。

1.链轮 2.滑台丝杠 3.接近开关Ⅰ 4.步进电机Ⅰ 5.步进电机Ⅱ 6.苗盘架 7.苗盘 8接近开关Ⅱ 9.步进电机Ⅲ

3 控制系统的设计

3.1 控制系统设计方案

该控制系统的电气控制模块采用以自动为主、手动为辅的控制模式。自动模式可以使采摘系统具有快速响应和精度高的特点，但当作业环境复杂或者自动模式发生故障时，可以采用手动模式进行作业，从而保证机构能够正常运行。本系统选用三菱公司FX3U-32MT/ES-A型号的PLC作为核心控制器，选用E6B2-CWZ1X欧姆龙旋转式编码器给PLC发送工作信号，使用接近开关提供苗盘横向纵向移动信号，使用交直流步进电机驱动器控制两相四线步进电机，外加按钮、指示灯、报警器以及供电电源构成花丝采摘控制系统。系统采用GX-Works编写程序， 可以实现在线修改，现场调试容易。

3.2 控制系统硬件设计

该控制系统硬件主要由PLC、旋转式编码器、接近开关、步进电机驱动器、步进电机、按钮、指示灯、报警器和电源组成。红花花丝采摘控制系统硬件框图，如图2所示。

图2 控制系统硬件框图

PLC控制器只能进行数字信号的采集和发送。PLC获取信号时,开关量可以直接传给PLC控制器,传感器采集的信号需经过转化才能传给PLC[8]。选用PLC为核心控制器，旋转式编码器测量移栽机行走路程，接近开关提供苗盘移动信号，PLC通过步进电机驱动器控制3个步进电机协同工作，完成苗盘送苗、取苗手取苗等一系列动作。手动按钮便于人工操作，指示灯显示工作状态，报警器提示故障报警，供电电源为系统供电。

该系统选择FX3UPLC作为核心控制器。将输出轴上的机械、几何位移量转换成数字信号或高速脉冲的旋转编码器提供取苗手工作信号，编码器输出的高速脉冲信号直接输入至PLC输入端，利用PLC的高速计数器对脉冲信号进行计数[9]。MT型FX3U系列PLC有3个高速脉冲输出端口Y000、Y001、Y002，可同时输出最高频率为100kHz的脉冲,分别接3个步进电机驱动器的脉冲端，控制步进电机旋转；Y004、Y004、Y006分别接3个步进电机驱动器的方向端，控制控制步进电机的方向[10]。PLC通过步进电机驱动器控制步进电机，完成苗盘的横向纵向移动以及取苗手取苗。控制系统电路图如图3所示，PLC输入输出点的分配如表1所示。

图3 控制系统电路图

表1 PLC输入/输出点分配

续表1

3.3 控制系统软件设计

该系统软件主要由信号采集模块和主控制模块两部分组成。接近开关和编码器的信号输出为控制系统提供动作信号，主控制器(PLC)根据信号采集模块输出的信号执行相应的程序，完成苗盘送苗，取苗手取苗等一系列动作。系统软件流程框图如图4所示。

图4 软件流程框图

在移栽开始后，编码器发出工作信号，取苗手动作。取苗手插入基质时，取苗手接近开关变成高电平，一直持续到取苗手离开苗盘，此时苗盘静止。当接近开关变成低电平时，取信号的下降沿为有效信号，苗盘向左横向移动32mm，依次执行8个穴盘苗的取送；当苗盘左接近开关变为高电平时，即苗盘到达最左侧，苗盘向下移动32mm，待完成第一个苗的夹取之后，苗盘按照相反方向运动，苗盘向右横向移动32mm，依次执行8个穴盘苗的取送；当苗盘右接近开关变为高电平时，即苗盘到达最右侧，苗盘向下移动32mm，此时完成一个循环。苗盘位移轨迹如图5所示。如果苗盘未到最后一行，程序循环执行。当苗盘向下移动15次则代表仅剩一排穴盘苗待取，系统发出警报提示工作人员需要更换苗盘。其主控程序流程图如图6所示[7]。

图5 苗盘位移轨迹图

根据机构工作步骤及程序控制流程图，使用GX-Works2进行程序编写。为了在编程时避免混乱，程序检测时易于发现出错点，将程序分块编写，分别写入 PLC 内进行监控调试；待各分块程序达到预期效果后将各分块程序组合在一起，写入 PLC 内，在无硬件连接的情况下检测程序是否可行；在确定程序可以运行以后，连接其他硬件，控制样机空载运行并进行调试；在确保样机能够顺利运转后，在试验台对红花花丝进行采摘[11]。

图6 主控制程序流程图

在编写程序时，采用带加减速的定量脉冲输出指令DPLSR来控制步进电机协同工作。D1为指定的脉冲最高频率，D2为总输出脉冲数，K150为加减速时间。DPLSR指令的应用如图7所示。

图7 主控制程序流程图

4 试验验证

4.1 试验基本条件

试验在石河子大学机械电气工程学院实验田进行，选取35天苗龄、128穴的“石番36号”番茄穴盘苗为试验对象，平均株高181mm,基质含水率为31.5%。

4.2 测试指标及影响因素分析

通过试验观察苗盘与取苗手之间是否存在干涉，并统计不同速度下的送苗、株距距离变化及茎叶损伤数据，分析该系统下送苗精度、株距精度及茎叶损伤率，验证该系统的可行性。通过对数据分析得出取苗失败或者茎叶损伤的原因，改进系统控制模型，实现移栽机取苗送苗的精确控制。表2为控制系统运行试验结果。

表2 控制系统运行试验结果

由表2可知：送苗精度和株距精度平均达到93%以上，茎叶损伤率低于2%。分析影响送苗精度的原因主要有：①苗盘横向运动由步进电机带动丝杠控制，步进电机本身的性质决定了转速不能过高。当转速超过400r/min时扭矩快速下降，导致电机丟步，影响控制精度。②取苗针端点间距不稳定，间距过大时基质容易脱落，间距过小时基质易夹碎，从而导致投苗失败。

5 结论

1)设计了取苗手和苗盘进给的控制方案，提高了取苗送苗精度；解决了传统移栽机取苗和送苗之间的干涉问题，提高了取苗成功率；控制系统与拖拉机的速度相互配合，保证了移栽苗之间的株距的稳定。

2)该控制系统能够在复杂多变的大田环境下进行作业，PLC工作性能稳定，控制方案合理，完成了全自动移栽机的取苗送苗的控制，促进了新疆特色农作物产业的发展。