利用PLC技術的采摘機械手電氣自動化技術研究

黎潔韶

摘要：經濟水平的不斷提高，為保證采摘機器人的電氣自動化水平，因此，本文從采摘系統的設計方案、基于PLC的采摘機械手測控平臺、軟件系統設計以及基于PLC采摘機械手控制研究等四個方面入手，對PLC控制系統在采摘領域的應用技術進行深入的研究，旨在為提高采摘作業效率提供參考。

關鍵詞：PLC技術;電氣自動化;采摘機械

引言：農業現代化技術的發展，采摘機器人逐漸應用于日常的農業生產中，由于自動化系統仍存在局限性，因而需要引入PLC控制系統，加強PID控制算法的進行改進工作。利用PLC實適用性強、編程簡單以及強大的處理能力等優勢，實現機械手的自動化與智能化。并將其應用于采摘作業中，提高采摘作業水平。

一、采摘系統的方案設計

為使采摘機械手在進行采摘作業時能夠進行自主化、自動化的作業，需要積極的利用相關硬件以及提高自動化程度對機械手進行末端的執行作業。當進行具體的操作作業時，需要在傳感器進行果實信息采集后，用相關的處理信息系統依據果實的大小以及顏色實現成熟度的判斷，在識別成功后，將果實的成熟度發送給PLC，進一步決定是否實行采摘的命令。若果實不夠成熟，無法達到采摘標準，則需要對下一個果實進行上述的識別步驟。若果實已成熟，且符合采摘標準，PLC在接收信號后，能夠實現對采摘目標的采摘工作。通常情況下，采摘機器人的機械手想要提高精準程度，需要進行相關的編程工作，利用編程對采摘過程實現控制。當采摘機器人準確到達果實采摘位置后，需要先用采摘機械手進行果實的抓取，并及時啟動相關的收割刀具，通過收割刀具將果實的枝柄進行準確的割斷的方式獲得果實。上述自動化采摘過程利用的是反饋調節的方式，當抓取失敗時，能夠自主的重新定位抓取位置，直到位置準確，成功抓取并獲得果使。在此過程中，若枝柄未一次性割斷，則能夠繼續切割。當取果成功后，采摘機械人將重新到達新的采摘地點，進行下一輪的采摘工作[1]。

二、基于PLC的采摘機械手測控平臺

作為采摘果實的重要組成部分采摘機械手的自動化與智能化程度影響果實的采摘質量與水平。因此，采摘機器人的機械手進行果實的采摘過程中需要迅速且靈活可靠。因而在整體過程中需要利用電氣自動化的相關控制系統，有效借助PLC相關電氣自動化控制系統，利用編程完成不同的自動化的預定任務。采摘機械手也因此多選用PLC測控平臺。若要保證PLC能夠正常的運行，則需要重視PLC在正常運轉工作中需要的基本外圍電路中的PLC測控平臺，該控制平臺作為采摘機器人的機械手定位的重要組成，也是上位機以及信號采集的重要部分。其工作原理為由PLC將傳感器收集到的所有信息進行不斷的放大，再進行相互的比較之后，與A/D轉換后能夠及時的獲得具體的采集位置的相關信息，通過和預先設定位置相關信息比較的方式，進一步確認采摘機械手末端與待采摘的相關作物之間的距離，從而獲得最終的驅動電液比例方向閥，通過不斷的移動待采摘末端機械完成采摘的作業任務。除此之外，需要注意的是，在進行采摘機械手的設計過程中，需要依據具體采摘作業的要求，通過開發較多外圍接口的方式在進行電氣自動化控制時，利用電機進行控制。為保證操作過程的準確度以及減少控制過程中產生的誤差，可以在電機進行控制的過程中利用增量式的PI控制的方式完成整體的作業流程。

三、軟件系統設計

對于采摘機械手來說，由于軟件的自動化和智能化程度影響機械手的操作質量與水平，因而電氣自動化控制中系統軟件控制具有重要的作用。為保證采摘機械手的機械性能，通常情況下會利用PLC的電液控制系統，與此同時，利用傳感器對環境進行全方位的監控與監測。整體作業中，還需加強對采摘區域的監測，進而獲得采摘機械手的位置與待采摘果實之間的距離，并進行實時監測。一般來說，采摘機器人的電氣自動化控制系統主要由傳感器組件、PLC測控平臺、電液比例方向閥、比例控制放大器以及機械手執行機構等五部分組成。當機械手在進行作業時，首先，傳感器會將采集到的信息傳遞給PLC的測控平臺，其次，測控平臺會借助信息處理對比例控制放大器傳遞相關的控制信號信息，最后，控制電液比例方向閥利用末端的執行機構進行相關的采摘動作完成作業（如圖1所示）。與此同時，在整個控制過程中，要先輸入采摘機器人和機械手的開始位置信息，借助傳感器的采集待作業區與采摘目標之間的距離相關信息，再進行相互的對比實現對機械手位置的調整工作。有效的通過PID的控制程序中的子程序實現控制比例閥的動作。當電氣自動化系統執行控制工作時，電機控制方式多借助PID算法中的PI增量式，優勢在于可以方式誤差的累積。該原理在于增量式控制能夠通過加權處理方式進一步消除相關誤差。因而，電機控制通常采用PI增量式，進一步實現采摘機械手的自動化與智能化的控制[2]。

四、基于PLC采摘機械手控制研究

通常情況下，采摘機器人的機械手能夠實現在采摘作業中自主的識別作物果實。通過自主識別果實之后，再利用移動機器人及時到達作業區域，同時有效借助電氣自動化控制系統，使采摘機械手能夠對果實準確定位后，將機械手進行固定，采摘末端進行采摘作業。但由于控制系統精度存在一定的誤差，導致采摘機械手在進行采摘時出現漏采或破損的情況較多，因而將PLC和PID控制引入到系統中則能夠有效的提高系統的整體控制準確程度。同時，采摘機械手電氣自動化控制系統的輸入與輸出量都能借助PLC程序有效的進行控制工作，可以利用MCGS軟件設計可視化界面窗口的方式，保證整個過程能夠顯示出測試的結果。MCGS軟件中擁有較多的控制器件庫與圖形控件，因而能夠保障顯示系統能夠完整的顯示整體運行的狀態、故障報警等。在PLC采摘機械手的控制系統界面主要由采摘機械手基本控制系統、狀態監測系統組成。其中，基本控制系統能夠實現對采摘機械手的遠程強制干預工作，當發生突發情況時，能夠及時暫停采摘機械手。而狀態監測則能夠實現在機械手作業中對機械的整體作業情況進行全方位的監測，當機械手發生漏采、果實破損率較高時能夠及時發出警報。通過整體的測驗表明，通過利用采摘機械手進行采摘時，果實的漏采率與破損率都相對較低，進而使采摘機器的采摘精度符合標準要求。

結論：綜上所述，為保證采摘機器人的采摘作業質量與效率，基于PLC電氣自動化控制系統的同時，積極融入PID控制算法進行設計新采摘機械手的方式，能夠有效的通過PLC控制系統實現采摘工作的自主定位。通過不斷的對采摘環境進行模擬實驗，使采摘工作在PLC電氣自動化控制系統的幫助下，實現采摘機器人的自動化與智能化的水平，為推動采摘的精準程度提供有價值的參考。

參考文獻：

[1]苑葵，李素靜.基于PLC的采摘機器人作業路徑避障系統設計[J].農機化研究，2020，42（10）：247-250.

[2]邵長友，劉鵬厚.基于PLC和MCGS的采摘機械手控制系統設計[J].廣西農業機械化，2019（02）：43-44.