基于PLC的全自動移栽機自動控制系統設計

劉新軍，裴新民，梁 佳，李 雪

(1.新疆農業大學 機電工程學院，烏魯木齊 830052；2.新疆農牧業機械管理局，烏魯木齊 830011；3.新疆巴州良佳農機制造有限公司,新疆 焉耆 841100)

0 引言

由于育苗移栽技術具有對氣候補償和使作物生育提早的綜合作用，目前新疆辣椒、番茄等農作物的栽培多數采用先育苗，后移栽的方法。目前，在新疆范圍內大田移栽種苗基本采用人工移栽的方法，而不是機械移栽，但在新疆移栽種植面積較大、人工移栽成本高、周期長等多重因素的作用下，需要研發高速的自動移栽機械，快速完成辣椒與番茄等作物的移栽作業[1-3]。

基于PLC控制系統的自動穴盤缽苗移栽機不僅價格較低，而且結構簡單，可以實現缽苗取苗、送苗及投苗全過程自動化，對于農作物缽苗移栽技術的研究具有重要的現實意義[4-7]。研究發現，影響移栽機在大田中使用效果及工作效率的主要影響因素：一是取苗、投苗的自動化程度；二是穴盤移動的自動化程度；三是分苗器與栽植器的偶合程度。而基于PLC的自動控制系統可以很好地解決以上問題，使移栽工作效率得到極大地提升。

本文針對基于PLC自動控制系統研究設計的辣椒穴盤苗自動移栽機，介紹了整體機構與自動控制系統的設計原理，并對該系統工作流程進行了解析，最后通過試驗驗證其工作的可行性。

1 整體機構與自動控制系統設計

1.1 系統結構的整體設計

基于PLC的全自動移栽機控制系統，主要針對穴盤苗的移栽。整機由機架裝置、取苗裝置、分苗投苗裝置、送苗裝置、栽植裝置及PLC系統等組成。移栽機主要工作部件按照機具縱向中心面左右對稱布置，可同時作業行數為2，左右移栽機構含完整的移栽組件[8]，具體結構如圖1所示。

1.機架裝置 2.栽植裝置 3.取苗裝置 4.分苗投苗裝置 5.送苗裝置

工作原理：整機與拖拉機采用懸掛式連接，拖拉機動力通過萬向節帶動皮帶輪，由齒輪變速箱將動力分配到旋耕取土、氣動、移盤、取苗及擲苗系統，完成自動移盤、取苗和擲苗等過程[9]。

整機取苗方式為夾取式，運行時可同時夾取8株幼苗，取苗爪含不損傷幼苗的保護裝置，取苗完成后取苗爪垂直上升一定高度并旋轉180°，將幼苗間歇性投入分苗箱內，通過植苗器將幼苗栽入土壤；當整盤幼苗栽植完畢，苗盤會繼續運行直至到達置苗板，PLC系統控制推盤桿將苗盤橫向推入懸掛于置苗板上的集盤箱內，工作完畢時將苗盤統一收集放置。

相對于普遍采用的取苗裝置，其單次運行只取1株幼苗，然后將幼苗投入植苗器。本機通過在PLC系統中存儲多個指令，即機械手的取苗力度、上升、下降、移動、旋轉，以及氣缸的控制指令等[10-13]，可同時取苗8株、分苗2株、間歇擲苗2株、栽植2株，解決了機械化自動取苗、擲苗等關鍵技術問題，使移植效率大大提高。推盤桿與集盤箱協調運行解決了以往栽植過程中農戶需要將機械栽植完成后苗盤回收難的問題，節約了大量栽植時間，減輕了農戶勞動強度。

1.2 自動控制系統的整體設計

設計穴盤苗移栽機時通常要求控制系統具有價格低、能耗小、便于控制、可靠性高及穩定性強的特點，所以最終選擇PLC系統來實現取苗、送苗及移栽的一系列流程[4]。本機根據移栽機作業過程，設計了行星減速步進電機驅動分苗的工作過程，該過程包含控制移栽機自動移動分苗、栽植等多個流程。該分苗機構相對氣動分苗方式可靠性更高，結構簡單且能耗更低。分苗過程中，當外界壓力和機器運行速度變化時，凸輪能夠始終穩定分苗，循環使用過程中故障率更低。

首先，在PLC系統內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，通過數字式或模擬式的輸入輸出來控制全自動移栽機的生產過程[14]?？刂葡到y中以PLC為主機，輸入信號11個，由電感式接近開關組成，輸出信號13個由電池閥執行，一整套系統完成缽盤定位，投苗定位，各部件相互銜接。通過傳感器采集數據，PLC發布命令，最終整機只需1人就可完成取苗、擲苗、投苗、栽植、覆土及壓土等作業，PLC系統完成一個工作流程后，系統自動跳轉至下一任務，如此循環往復進行全自動的整個流程，直至切斷電源，整個移栽裝置停止工作。

2 PLC控制系統的工作原理及流程

2.1 自動移栽機控制系統的結構組成與控制流程圖

整個控制系統以PLC為核心，對信號進行采集并驅動執行元件動作，完成移栽作業要求。

根據整個系統工作過程中的實際條件和要求，本設計采用了11個接近開關及11個電磁閥，其工作電壓皆由直流電源升壓器提供(12 V升24 V)。其中，11個接近開關皆為三線制接近開關，即兩根線分別與可編程控制器的24 V和COM端連接，另一根線與可編程控制器的輸入端連接，同時11個電磁閥其輸入端分別與可編程控制器的輸出端連接，最終在試驗下確保了整個系統的流暢性。根據移栽機作業過程，設計了自動移栽機移栽的分苗裝置結構和控制流程圖，如圖2和圖3所示。

2.2 自動移栽機控制系統工作原理

工作過程：將缽盤放置于移盤輸送鏈上，向前運動輸送缽盤，首先通過標記位置將缽盤定位到初始位置，送盤位移參數調整初始位置的偏移量；初始缽盤就位后，由取苗器取出一排缽苗(4株)，通過送苗定位傳感器定位送苗位置，待投苗爪運動到指定位置后，開始投苗，具體程序流程可參照圖1所示。系統運行時，通過可編程控制器執行命令，當取苗夾打開時,秧苗自由落入鴨嘴內。詳細運行過程如表1(此表由上至下查看；表格中部分分苗箱分隔板運動未明確表示)所示。

1.分苗箱 2.傳動軸 3.凸輪機構 4.分苗板

1～11.接近開關 12～22.電磁閥 23.取苗器執行氣缸A1、B1 24.左、右苗盤退格執行氣缸C2-1、C2-2 25.左、右苗盤進格執行氣缸C1-1、C1-2 26.左、右推空苗盤執行氣缸F1、F2 27.取苗器執行氣缸A2、B2 28.分苗箱左右位移執行氣缸D1、D2 29.57行星減速步進電機 30.分苗板E1-1、E1-2、E2-1、E2-2、E3-1、E3-2、E4-1、E4-2

信號檢測開關通電、斷電電磁閥執行氣缸執行氣缸活塞桿狀態棘輪轉動取苗夾苗盤運動是否分苗414、15C1-1、C1-2伸出14、15C1-1、C1-2收縮至原位是前移1格112、13A1、A2收縮B1、B2下移至底部閉合2A1、A2回縮置頂12、13B1、B2伸出打開擲苗

當接近開關10檢測到信號，57行星減速步進電機轉動帶動凸輪轉動45°將E1-1、E1-2分苗板打開，穴苗落入鴨嘴，完成第一次栽植；當步進電機繼續轉動45°，E2-1、E2-2分苗板打開，并依次完成E3-1、E3-2和E4-1、E4-2分苗箱內穴苗的間歇性栽植，最終57行星減速步進電機轉動由0°～180°。

通電0.8 s后，可編程控制器執行程序，分苗箱執行氣缸的活塞桿伸出，開關閉合；取苗器旋轉90°，之后執行表2中流程。

表2 自動控制系統工作2過程流程表

當接近開關(10)檢測到信號，57行星減速步進電機轉動帶動凸輪轉動45°并依次完成分苗箱內穴苗的間歇性栽植，最終57行星減速步進電機轉動180°～360°。

通電0.8 s后，可編程控制器(1)執行程序，電磁閥18、19、20斷電，分苗箱開關執行氣缸的活塞桿伸出，開關閉合；取苗器旋轉90°，之后執行表3中流程。

表3 自動控制系統工作3過程流程表

反復執行上述過程，直至接近開關5、6檢測信號計數3次，左苗盤前移一格，然后電磁閥17斷電，左苗盤執行氣缸C1-1的活塞桿收縮至原位；同理，接近開關6、8檢測信號計數3次，右苗盤前移一格，電磁閥19斷電，左右苗盤執行氣缸C1-2的活塞桿收縮至原位。

待移栽完整盤缽苗后，接近開關7檢測到信號，兩次計數，左單桿氣缸F1的活塞桿伸出，其上的推板前移，將左空苗盤推落到集盤箱，待1 s后，電磁閥18斷電，左單桿氣缸F1收縮至原位置；同理，右空苗盤也執行程序并同時將苗盤推落到各自集盤箱，最終同時完成兩盤缽苗的移栽工作，并順序進行下一苗盤的移栽。

3 試驗與結果

3.1 試驗條件

試驗選取45 天苗齡、8列×16行的128穴“美國鐵板椒”穴盤苗為試驗對象。對穴盤苗的基本形態特征株高、莖粗等使用游標卡尺測量，用電子天平測得穴盤苗的質量。試驗測得育苗基質含水率32%左右，平均株高為182.4mm，平均莖粗為3.2mm。試驗過程中隨機選擇穴盤苗，測定該自動控制系統自動取苗成功率、送苗成功率、移盤成功率及推空穴盤成功率。

3.2 試驗結果及分析

為了驗證基于PLC控制系統的輸出穴盤育苗輸送裝置的有效性和可靠性，在大棚內生產了穴盤苗缽苗，并以此為基礎進行了測試。試驗過程中，分苗數與推空穴盤數分別在取苗數與苗缽移動行數上進行，移栽測試結果如表4和表5所示。

表4 PLC系統對取苗數與分苗數的影響

表5 PLC系統對自動移盤與推空穴盤的影響

由試驗結果可知:采用基于PLC的全自動移栽機控制系統，取苗平均成功率為96.0%，分苗平均成功率為97.2%。試驗過程中由于穴盤可進行循環使用，且部分苗盤多次使用后會產生易斷裂、易碎等現象，為確保移栽過程中自動移盤、推空穴盤順利進行，因此試驗中自動移盤皆選取完整無瑕疵的穴盤，最終自動移盤平均成功率為100%，自動推空穴盤平均成功率為93.3%，取苗送苗操作程序均達到要求，且產品性能穩定。

4 結論

1)設計了一種基于PLC的自動移栽機控制系統，根據穴盤苗移栽機工作要求進行試驗，結果表明：該系統自動取苗平均成功率為96.0%，自動分苗平均成功率為97.2%，自動移盤平均成功率為100%，自動推空穴盤平均成功率為93.3%，整個系統達到了旱地穴盤苗作物的移栽要求，且結構簡單、自動化程度高。

2)工作過程可以實現移栽機自動移動穴盤、自動取苗投苗、自動分苗、自動推空穴盤等一系列流程，從而在一定程度上減輕了操作者的勞動強度，相對于人工大大提高了移栽工作效率。同時，PLC控制元件的維修、保養相對簡單，還可適用于多類穴盤育苗移栽機的自動化控制，達到了預期的設計目的。