基于PLC的紅花花絲采摘控制系統設計

崔財豪，曹衛彬，馬 銳，楊 萌，孫胃玲，陳棒棒，牛 馳

(石河子大學 機械與電氣工程學院，新疆 石河子 832000)

0 引言

紅花是1～2年生菊科草本植物，具有極高的經濟價值。紅花花絲是傳統的中藥材，有活血通絡、化瘀止痛的功能，紅花花絲中黃色素對心血管疾病也有很好的療效[1]。紅花籽油富含亞油酸，有“亞油酸之王”的稱號[2]。紅花籽油含有多種對人體有益的成分，被廣泛用作優質食用油和保健用油，且具有降低膽固醇、穩定血壓、增進體質、促進微循環及恢復神經等多種藥效功能，是醫藥制造的優質原料[1]。除此之外，紅花籽油在化工和工業方面亦有廣泛的應用。

目前，新疆紅花種植面積大約4萬 hm2，占全國產量的80%。相對于紅花花絲的廣泛應用，紅花花絲的采收技術的落后已經成為制約紅花產業發展的“瓶頸”。目前，紅花采摘機包括氣力式、切割式、氣吸-切割式和對輥式。其中，氣力式采收機制作簡單，易操作，但噪音高、能耗大、工作效率低；切割式采收機的特點是所需動力小，對花絲造成損傷較低，但在實際工作中花絲掉落率高，且易損傷果球；氣吸-切割式采收機彌補了單一的氣吸式或者切割式的部分不足，但同樣存在采凈率較低的問題，未得到推廣使用;對輥式采收機對花絲損傷率降低，保證了低掉落率，但是無法滿足大型機械化作業的需求[3]。目前 市面上的紅花采摘機多為一對一采摘，不僅沒有解決作業效率低的問題，反而增加了農民的工作強度。目前，紅花采摘主要依靠的還是人工采摘，但由于紅花的采收季節與新疆番茄、棉花的采收期重疊，導致雇工困難、采花費用上漲、生產成本大幅提高?；ńz由于無人采收，造成嚴重浪費，很大程度上打擊了農戶的種植積極性，制約了紅花產業的發展。因此，解決紅花花絲機械化盲采是紅花產業標準化的必要條件之一[1]。

1 總體設計

1.1 紅花花絲采摘要求

紅花果球高度不一，錯綜不齊，花絲質量小且易掉落，由于花絲采摘后花絲還會生長，因此在采摘過程中應減少果球的損傷，以確保后續花絲的采摘。紅花果球連接處的莖干細小并且中空，容易折斷, 若莖干折斷也會影響紅花花絲的再次生長，因此在紅花花絲的采摘過程中應盡量保證莖干不被折斷。紅花果球和莖干的特征為紅花花絲的采摘增加了難度。

1.2 紅花花絲采摘機構方案

目前，計算機技術和自動化技術發展迅速，新型機構和相應技術的融合為紅花花絲的采摘提供了新的思路。由于紅花果球高低分布不平，為了方便紅花花絲的機械化盲采，果球需通過輔助裝置聚集于某個平面或者某條直線上。因紅花莖干易折斷，將紅花花果聚集于一條直線上相對而言能減少莖干被折斷的情況。該機構將紅花果球聚集于5條直線上，花絲露出，通過由步進電機和動齒構成的紅花花絲夾持機構進行采摘。PLC控制3個步進電機，在超聲波傳感器和旋轉編碼器的配合下，完成紅花花絲的夾持、采摘、傳送和收集。使用SolidWorks制作紅花花絲采摘機構結構圖如圖1所示[4]。

1.動齒Ⅰ 2.動齒Ⅱ 3.步進電機Ⅰ 4.滾珠絲杠滑臺Ⅰ 5.步進電機Ⅲ 6.滾珠絲杠滑臺 7.步進電機Ⅱ 8.滾珠絲杠滑臺Ⅱ 9.活動箱 10.機架 11.收集箱 12.果球通道

紅花花絲采摘機構工作過程如下：當機構向前運行時，紅花果球于方形果球通道聚集成5條直線，分別固定在滾珠絲杠滑臺上的動齒Ⅰ和動齒Ⅱ，在步進電機Ⅰ和步進電機Ⅱ的控制下相對運動將花絲夾緊；固定在滾珠絲杠滑臺Ⅲ上的活動箱在步進電機Ⅲ的控制下向上移動，花絲與果球分離，在花絲被動齒Ⅰ、動齒Ⅱ夾持的狀態下，步進電機Ⅰ和步進電機Ⅱ控制動齒Ⅰ、動齒Ⅱ做同步運動將花絲送至指定位置，步進電機Ⅰ和步進電機Ⅱ控制動齒Ⅰ、動齒Ⅱ分離，花絲掉落至收集箱，完成收集。此時，步進電機Ⅲ控制活動機箱降落至初始高度，同時步進電機Ⅰ和步進電機Ⅱ控制動齒Ⅰ、動齒Ⅱ回到初始位置，進行新一輪的紅花采收工作。

2 紅花花絲采摘控制系統的設計

2.1 紅花花絲采摘系統設計方案

該紅花花絲采摘控制系統的電氣控制模塊采用以自動為主、手動為輔的控制模式。自動模式可以使采摘系統具有快速響應和精度高的特點，但當作業環境復雜或者自動模式發生故障時，可以采用手動模式進行作業，從而保證機構能夠正常運行。本系統選用三菱公司FX3U-32MT/ES-A型號的PLC作為核心控制器，選用HC-HR04超聲波傳感器與Arduino構成超聲波測距模塊檢測紅花采摘區域的位置，選用E6B2-CWZ1X歐姆龍旋轉式編碼器測量采摘機所走的路程，使用交直流步進電機驅動器ZD-2HA860控制兩相四線步進電機，外加按鈕、指示燈、報警器及供電電源構成花絲采摘控制系統。系統采用GX-Works進行編寫程序，可以實現在線修改，現場調試容易。

2.2 紅花花絲采摘系統硬件設計

該紅花花絲采摘控制系統硬件主要由PLC、超聲波測距儀、Arduino、旋轉式編碼器、步進電機驅動器、步進電機、按鈕、指示燈、故障報警和電源組成。紅花花絲采摘控制系統硬件框圖如圖2所示。

PLC 控制器只能進行數字信號的采集和發送。PLC獲取信號時,開關量可以直接傳給PLC控制器,傳感器采集的信號需經過轉化才能傳給PLC[5]。選用PLC為核心控制器，超聲波測距儀檢測紅花區域的位置信號送至PLC，旋轉式編碼器測量采摘機所走的路程送至PLC，PLC通過步進電機驅動器控制3個步進電機協同工作，完成紅花花絲的夾持、采摘、傳送和收集。手動按鈕便于人工操作、指示燈顯示工作狀態、報警器提示故障報警，供電電源為系統供電。

圖2 紅花花絲采摘控制系統硬件框圖Fig.2 The hardware frame of safflower filament picking control system

超聲波測距儀由HC-SR04超聲波測距模塊與Arduino組成，整體結構框圖如圖3所示。

圖3 超聲波測距儀結構框圖Fig.3 The frame diagram of ultrasonic rangefinder

超聲波測距模塊HC-HR04提供2～400cm的非接觸式距離感測功能，精度高達3mm，模塊包括超聲波發射器、接收器和控制電路[6]。采用I/O口TRIG觸發測距，至少給10μs的高電平信號，模塊自動發送8個40kHz的方波,并檢測是否有信號返回；若有信號返時,通過I/O口ECHO 輸出一個高電平，高電平持續時間就是超聲波從發射到返回的時間[7]。超聲波測儀采取渡越時間法來精確計算紅花采摘區域的距離[8]，即

L=Ct/2

式中L—測試距離;

C—聲波在介質中傳輸速率;

t—聲波傳輸的所用的時間。

當紅花采摘區域的距離小于程序設定的距離時，Arduino執行有關程序輸出相應信號，信號經光電隔離和信號放大送至PLC的輸入端。

該系統選擇FX3U-32MT/ES-A PLC作為核心控制器。將輸出軸上的機械、幾何位移量轉換成數字信號或高速脈沖的旋轉編碼器來完成采摘機構的位移檢測；旋轉編碼器輸出的高速脈沖信號直接輸入至PLC輸入端，利用PLC的高速計數器對脈沖信號進行計數[9]。MT型FX3U系列PLC有3個高速脈沖輸出端口Y000、Y001、Y002，可同時輸出最高頻率為100kHz的脈沖,分別接3個步進電機驅動器的脈沖端，控制步進電機旋轉；Y004、Y004、Y006分別接3個步進電機驅動器的方向端，控制控制步進電機的方向[10]。PLC通過步進電機驅動器控制步進電機，進而使固定在滾珠絲杠滑臺上動齒相對運動，完成紅花花絲的夾持工作?？刂葡到y電路圖如圖4所示，PLC輸入輸出點的分配如表1所示。

圖4 控制系統電路圖Fig.4 The control system of circuit diagram

表1 PLC輸入/輸出點分配Table 1 Input/output distribution of PLC

續表1

2.3 紅花花絲采摘系統軟件設計

紅花花絲采摘系統軟件主要由信號采集模塊和主控制模塊兩部分組成。超聲波傳感器檢測紅花區域的位置，旋轉式編碼器測量采摘機所走的路程，主控制器(PLC)根據信號采集模塊輸出的信號執行相應的程序，完成花絲的采收工作。系統軟件流程框圖如圖5所示。

圖5 軟件流程框圖Fig.5 The frame diagram of software flow

紅花采摘機構運行時，先對程序進行檢測，程序有誤時輸出報警，程序無誤時等待超聲波傳感器的信號。當傳感器有信號時，表示紅花已經入采摘機構的采摘區域，工作指示燈亮，同時等待編碼器信號輸出；若編碼器有信號輸出，表示采摘機行走的距離等于采摘機構的有效采摘長度，此時PLC控制器通過步進電機驅動器控制步進電機協同工作，完成花絲夾持、花絲采摘、花絲傳送和花絲收集；單輪花絲收集完成，采摘機構回到初始位置，此時通過檢測紅花區域確定是否結束工作，如果仍在采摘機構采摘范圍之內，采摘等待下一輪的采收工作信號，程序循環執行。主控制流程如圖6所示。

根據紅花花絲采摘機構的工作步驟及程序控制流程圖，使用GX-Works2進行程序編寫。為了在編程時避免混亂，在程序檢測易于發現出錯點，編程時將程序分塊編寫，分別寫入 PLC 內進行監控調試，待各分塊程序達到預期效果后將各分塊程序組合在一起，寫入 PLC 內，在無硬件連接的情況下檢測程序是否可行；在確定程序可以運行以后，連接其他硬件，控制樣機空載運行并進行調試。在確保樣機能夠順利運轉后，在試驗臺對紅花花絲進行采摘[11]。

在編寫程序時，采用帶加減速的定量脈沖輸出指令DPLSR來控制步進電機協同工作。D1為指定的脈沖最高頻率，D2為總輸出脈沖數，K150為加減速時間。DPLSR指令的應用如圖7所示。

圖6 主控制程序流程圖Fig.6 The flow chart of master control program

圖7 DPLSR指令的應用Fig.7 The application of the DPLSR command

3 實驗條件及因素分析

3.1 實驗基本條件

該實驗選擇在石河子大學精準農業裝備實驗室進行，所選紅花來源于石河子大學試驗田，品種為 “裕民無刺”紅花，株高70～120cm,實驗樣本為新鮮紅花和半干紅花[12]。

3.2 測試指標及影響因素分析

對該實驗臺架的工作參數進行測定，通過測量紅花的株高、輻射半徑、高低分布情況和單位面積的密度得出實驗臺架的基本布局參數；通過電子數顯游標卡尺對果球基本特性比如紅花果球的平均直徑和花絲萼片直徑的測量得出紅花花絲采摘機構的基本參數；通過對程序參數的調整確定花絲采摘機構的夾持速度、采摘速度和預留間隙。實驗重點考察采摘機構夾持速度、采摘速度和預留間隙3個因素的作用對花絲微變形體積及微變形質量的影響，從而得出花絲的采凈率和損失率[12]。

4 工藝路線

根據試驗要求，安裝好實驗臺架，通過設定程序參數設定采摘機構的夾持速度、采摘速度和預留間隙后開始試驗。同時，3個步進電機協同工作完成紅花花絲的夾持、采摘、傳送和收集，分別對夾持速度、采摘速度和預留間隙這3個因素做單因素分析。通過控制變量，緩慢喂入，完成多次單因素試驗，分析夾持速度、采摘速度和預留間隙3個因素的作用對花絲微變形體積及微變形質量的影響，得出最佳的夾持速度、采摘速度和預留間隙,以保證采凈率和損失率滿足要求。

5 結論

1)設計的實驗臺架綜合運用了機械設計、電氣控制及傳感器技術構成了新型實驗裝置，能夠綜合進行紅花花絲的采收工作，測試各個因素下與花絲采凈率和損失率相關的數據。結果表明：實驗臺運行穩定，滿足試驗要求[12]。

2)設計了紅花花絲采摘控制系統，促進紅花花絲采摘由人工采摘向機械采摘的過渡，降低了勞動力成本，解決了目前紅花難度大、效率低等問題，有利于紅花產業的發展。

3)由于目前市面上的紅花采摘機增加了農工的勞動負荷，沒有起到替代人工作的作用，因此沒有得到推廣。該控制系統實現了紅花花絲采摘的自動化控制，系統應用前景廣闊，具有一定的市場競爭力。