基于PLC的采摘机械手的电气自动化技术研究

彭凤丽

关键词： PLC 技术 电气自动化 采摘机械手 技术探讨

中图分类号： S225 文献标识码： A 文章编号： 1672-3791（2024）01-0144-04

随着科技的发展与进步，自动化技术在农业领域的应用越来越广泛。基于可编程逻辑控制器（ProgrammableLogic Controller，PLC）的采摘机械手是一种重要的自动化设备，能够大大提高采摘效率，降低人工成本。本文将围绕基于PLC 的采摘机械手的电气自动化技术进行研究，旨在探讨其工作原理、关键技術、应用效果及未来发展趋势。

1 PLC 技术的优势

PLC 技术是一种新兴的技术形式，在我国农业采摘领域具有下述优势。

（1）PLC 的结构构成并不复杂。因为使用了处于行业前列的信息通信技术，具有较高的可靠程度，很难被环境因素影响，所以可以保证采摘工作的质量与效率。

（2）从编写和控制程序的角度来说，PLC 的编程简单、灵活，适合一线农业技术人员开展和推广，这为信息化农业的应用与推广提供了便利。

（3）进行人工采摘的时候，由于疲劳或视觉盲区等原因，采摘人员会出现果实漏采的问题，而PLC 技术基于信息化手段，能够对果实进行精准定位，漏采率相对较小［1］。

（4）采取传统的人工采摘方式，会让种植户付出大量的人工资金，从而减少其经济收益，而PLC 技术则让采摘投入相对较低。种植户可通过较低的价格，获得高质量的采摘结果［2］。

（5）在人工采摘的过程中，种种原因会对部分果实的外表造成损害，这对其储存时间、产品卖相产生了负面影响，降低了种植户群体的经济收益。而基于PLC技术的机械采摘手，采摘力度和方式都被预先设计好，这样就能够减少果实的损坏率［3］。

2 PLC 技术的机械采摘手的具体应用

机械手（Manipulator）是采摘机械器（Picking machinery）不可或缺的重要组成部分，亦是实现采摘工作的重要部件［4］。采摘机械手的智能化与自动化水平和采摘作业的效率与质量有密不可分的关系［5］。在进行农业采摘活动的过程中，采摘机械手应当具备优异的性能，即行动灵活、准确可靠。为了达到这一根本性目的，必须要保证采摘手电子自动化控制系统的性能，完成自动化、智能化的机械控制，对采摘机械手的整体水准进行优化与提升。以PLC 为基础的电气自动化控制系统，拥有可以进行任务预定，并且按照预定的条件进行采摘任务的优秀性能。在使用该设备的时候，工作人员围绕即将进行的任务编程，对采摘任务予以设置，然后自动控制系统就可以按照程序的设置来操作，从而有效地控制采摘者完成指定的工作。而PLC 控制平台则是进行采摘操作的关键部分，能通过PLC 对传感器采集到的信息予以分析、对比以及整合，然后经过模拟数字转换器，有效地获得准确的位置信息，并与编程的设置信息进行比较，从而准确地判断出要采摘的对象与机械手显示的距离，随后驱动电液比例方向阀完成采摘［6］。

3 软件系统设计

对于采摘机械手电气自动化控制系统而言，软件部分的设计与开发具有至关重要的作用。软件部分的自动化水平与机械手的智能化水平息息相关。为了切实提升机械的使用性能，我国采摘机械手使用的往往是基于PLC 的电液控制系统，并通过传感器对附近的环境开展监测作业，对施工时的重点、要点进行深入分析，从根本上完成实时监测。软件系统的控制控件结构如图1 所示。

采摘机械手中的电气自动化控制系统在现代农业中发挥着至关重要的作用。为了深入理解这一系统的构成及其在实际应用中的运作方式，将其分为以下几个组成部分：电液比例方向阀、PLC 测控平台、比例控制放大器、传感器组件机械手执行机构。

控制过程的主要流程如下：输入机械手（机器人）的初始位置信息，再通过传感器对待采摘目标距离与采集待作业区域的信息进行采集。随后通过PID 控制程序子程序对比例阀动作进行控制。控制主程序流程图如图2 所示。

由于增量型 PI 控制与三阶数据紧密相关，因此可以消除累积误差的问题。因此，在对电动机进行控制时，可以使用 PI 的增量方式来实现。

采用增量 PI 控制方法，首先要算出积分时间内的比例增益，然后再设定误差容许的范围，经过运算之后，就可以获得增量的控制，从而实现对机械臂的高品质控制［7］。

4 基于PLC 的机械采摘手的控制研究

采摘机器人在进行采摘作业的时候，能够自动化对作物的果实进行识别。完善对果实的识别后，机器人移动到作业区域，机械采摘手通过电气化自动控制系统的控制信号，完成采摘任务。但值得重视的是，受现有技术水平的影响，采摘时经常会出现果实破损与漏采的问题，如果把PID 与PLC 控制融入系统，能够行之有效地增加系统的控制精度，就能更好地为种植户群体提供服务。

本文以可编程控制器为核心，围绕PLC 采摘机械手自动化控制系统开展深入测试，控制系统的主要功能输入输出情况如下：X_о～X₅分别对应固定位置继电器、运行继电器、上限位开关、下限位开关、下极限开关和移动位开关；Y_O～Y₅分别对应上行电磁阀YAI、下行电磁阀YA2、漏采警示LC2、果实破损指示HI.3、电机主接触器KM1 和Y 型接触器KM2。

通过电气自动化控制系统，机械采摘手的主要输入与输出量都能够通过PLC 程序进行控制。为了展现测试结果，技术人员利用MCGS 软件设计了一个可视化界面窗口。这个窗口将展示机械采摘手的工作状态、输入输出量以及控制结果等信息。与此同时，机械手的控制系统可以对其进行强制干预操作，例如，机械手在进行作业时，如果遇到了突发状况，那就可以通过控制系统使其终止作业；如果在作业过程中出现了破损、漏采的问题，那么系统则可以对种植户进行预警，避免问题的进一步严重化。

监控状态的项目主要是监控果实的破损情况与果实的漏采情况。根据大量的测试与研究，得出下述结论：区域1 到区域5 的果实漏采率分别为1.33％、1.03％、1.22％、2.11％、2.13％；果实破损率为1.11％、2.14％、2.15％、1.24％、1.52％。从上述数据可以看出，使用基于PLC技术的机械采摘手，虽然具有较大的漏采率与果实破损率，但可以较好地完成采摘工作。

5 机械采摘手的发展概况

5.1 具体分类

就目前的情况而言，如果按照机械采摘手的工作方式进行区分，主要有3 种方式：撞击式、切割式和阵摇式。所谓的撞击式是通过机器自身的冲击力，直接对果枝进行冲击，或者将果树的果干撞折，从而使水果从枝头处掉落。在这一过程中，果实会被种植户预先设置的设备接收。这种方法简单高效，但与此同时，其缺陷也很明显，即会对果枝的外观形态与之后的果树结果造成一定的负面影响。切割式在我国应用广泛，该方式切断水果果柄或者枝条，进而实现水果采摘。这种方式的缺陷是果树会受到二次伤害。阵摇式则是利用机械的作用，让果实因为加速度的作用从树上脱落，这很容易对树干造成一定的损坏。不难看出，上述3 种采摘方式各有优劣，但都会对果树造成一定的损害。这也表明目前我国采摘机械手技术尚未达到预期的水平，还有一定的发展空间。我国有关部门需要围绕着问题，制定相应的解决策略，提升机械手运行的效率与质量。

5.2 机械手采摘发展趋势

就目前技术水平而言，机械手的发挥依旧存在诸多问题，在未来的一段时间内，尚且无法实现大规模运行。从采摘装置研发的视角来看，机械手采摘的未来发展方向必然是多功能发展。未来，采摘手不但可以对果实进行采集，还可以完成多元化的农业技术动作，包括但不限于使用肥料、枝条修剪等，这会进一步减少种植户的劳动投入。除此之外，机械采摘手还应当向低价化、大众化的路线发展，尽可能地减少种植户因为购买设备而支出的成本费用，提高广大种植户的经济收益。同时，有农业专家提出，机械采摘手在未来的发展渠道可以被分为两部分，即运输与采摘。

我国大部分果园均处于山区丘陵地区，这些地区交通不便，很难向外运输水果。如果采用人工方式开展运输作业，不但会增加生产成本，还会形成较大的工作强度。因此，研究和开发一款省时省力的运输工具，是有关部门亟待解决的问题。同时，机械手的结构构成与程序设置上也应当具备一定的灵活性，不但要让种植户轻松掌握，同时还要减少水果外观的损害，保证水果的经济价值。综上所述，采摘机器人在未来很长的一段时间内，都会成为农业发展的重点领域。科研人员应当在成熟水果定位与识别方面，进行更大的投入与研究，从而让自主采摘机器人能够具备良好的识别能力，使采摘效率得到进一步的提升。

5.3 对PLC 机械采摘手的发展建议

5.3.1 技术创新

有关单位应当持续进行技术研发，引入新的技术和理念，如人工智能、机器学习等，以提高采摘的准确性和效率。与此同时，添加自主导航、故障诊断和自我维护等功能，减少人工干预，提高机械使用的可用性。

5.3.2 加强其适应性

我国各地种植环境各有不同，在设计PLC 机械采摘手时，应考虑其适应不同作物和环境的能力。

5.3.3 制定标准

有关部单位应当推动PLC 机械采摘手的标准制定和互操作性测试，以确保不同品牌和型号的设备能够顺畅地协同工作。

6 结语

总而言之，基于PLC 的采摘機械手是一种简单、实用、高效的现代化农业设备，对其电气自动化技术进行全方面、多维度的分析与研究，提高农业采摘的效率与质量，解放农户的劳动力，为我国农业的繁荣、发展提供坚实的设备保障。