摘要:高架草莓移栽機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、動(dòng)作精確度要求高，整機(jī)采用9軸獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制，完成對(duì)草莓苗坨的夾取與移栽及高架間的自主行走，并可對(duì)高架設(shè)施誤差實(shí)現(xiàn)仿形作業(yè)。為此，設(shè)計(jì)一種全新的基于信捷XDM-64T10-E系列PLC的移栽機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)控制器發(fā)出的脈沖信號(hào)，精確控制移栽系統(tǒng)中的伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)的速度和位移，進(jìn)而達(dá)到速度與位移的精確控制。移栽機(jī)中包含有氣缸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，PLC通過(guò)控制電磁閥通斷控制氣缸的伸縮或旋轉(zhuǎn)，與伺服電機(jī)的控制協(xié)調(diào)同步完成，實(shí)現(xiàn)了多機(jī)構(gòu)的并行動(dòng)作，大大提高了移栽效率。仿真苗的試驗(yàn)結(jié)果表明:移栽機(jī)可以完成993株/h，移栽成功率超過(guò)90%。

　　關(guān)鍵詞:高架栽培;移栽機(jī);仿形作業(yè);信捷PLC

　　0引言

　　草莓作為一種經(jīng)濟(jì)效益極高的農(nóng)產(chǎn)品，種植面積逐年增大[1-3]，隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，草莓的栽培方式也有了新的發(fā)展—由地面種植轉(zhuǎn)向高架栽培[4]。草莓的高架基質(zhì)栽培，減少了污染，有效降低了土壤因素帶來(lái)的不良后果。高架栽培將栽培床的高度提高到作業(yè)者舒適的管理高度，省力，降低勞動(dòng)強(qiáng)度[5-8]。

　　因此，為了進(jìn)一步節(jié)省人力，提高管理效率，草莓苗實(shí)現(xiàn)機(jī)械化移栽非常必要。目前，草莓移栽主要是由人工完成[5]，國(guó)內(nèi)外未見到草莓移栽機(jī)相關(guān)報(bào)道。人工移栽效率低，勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度大，根據(jù)果農(nóng)描述，單人移栽草莓苗約為300株/h。目前，市場(chǎng)上的移栽機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性較低，研制高級(jí)的控制系統(tǒng)具有重要意義。

　　1高架草莓移栽機(jī)結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)需求

　　1.1整機(jī)結(jié)構(gòu)及作業(yè)原理

　　高架草莓移栽機(jī)主要由自主行走底盤、取苗與變距換向機(jī)構(gòu)、穴盤苗間歇輸送機(jī)構(gòu)、豎直運(yùn)動(dòng)單元、打孔單元、水平移送及讓位單元、控制系統(tǒng)，以及框架組成[5-6]。高架草莓苗移栽采用穴盤苗育苗，育苗盤規(guī)格為32孔(4行8列)，單孔為四棱臺(tái)型，上下表面尺寸分別為6.3cm×6.3cm和2.0cm×2.0cm，穴孔深度為11cm。利用育苗穴盤的規(guī)格特點(diǎn)，該移栽機(jī)實(shí)現(xiàn)整排同取雙側(cè)高架栽培槽的對(duì)稱移栽。1)遙控移栽機(jī)行走至高架栽培槽中間，按下遙控器上“作業(yè)”按鍵;2)取苗爪移送到穴盤苗上方，同時(shí)打孔錘運(yùn)動(dòng)至高架槽上方，打孔器依據(jù)高架高度仿形打孔，取苗指刺入草莓苗坨[7];3)豎直運(yùn)動(dòng)單元帶動(dòng)水平機(jī)構(gòu)上移拔苗，同時(shí)打孔器從栽培槽基質(zhì)中拔出成孔;4)打孔器讓位，取苗爪移送到所打孔上方;5)豎直運(yùn)動(dòng)單元帶動(dòng)水平機(jī)構(gòu)下移放苗，同時(shí)穴盤苗間歇輸送機(jī)構(gòu)間歇送苗。

　　1.2控制系統(tǒng)需求分析

　　根據(jù)高架草莓移栽機(jī)結(jié)構(gòu)，并結(jié)合其作業(yè)原理分析。

　　2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　高架草莓穴盤苗全自動(dòng)移栽機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)少量人工干預(yù)的自動(dòng)化移栽技術(shù)，本文設(shè)計(jì)遙控和自動(dòng)作業(yè)兩種嵌套控制方式，目的是實(shí)現(xiàn)遙控底盤行走進(jìn)入高架環(huán)境及高架間自動(dòng)仿形作業(yè)的功能[8]。

　　2.1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　高架草莓移栽機(jī)控制系統(tǒng)涉及到6個(gè)伺服電機(jī)、3個(gè)步進(jìn)電機(jī)、7個(gè)光電測(cè)距開關(guān)[9]、8個(gè)光電限位開關(guān)、2個(gè)稱重傳感器、兩類氣缸(2個(gè)電磁閥)，以及遙控器與接收裝置。

　　2.2基于PLC的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.2.1PLC控制器

　　PLC是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心[11]，主要負(fù)責(zé)給伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，采集光電開關(guān)信號(hào)、稱重傳感器信號(hào)、遙控器接收信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)高架草莓移栽機(jī)的自動(dòng)仿形精確作業(yè)。移栽機(jī)控制系統(tǒng)采用無(wú)錫信捷公司針對(duì)運(yùn)動(dòng)控制開發(fā)的10軸獨(dú)立脈沖控制PLC-XDM-60T10-E，并擴(kuò)展兩路壓力測(cè)量模塊XD-E2WT-A。與其他PLC相比，信捷XDM-60T10-E系列PLC，具有更多的脈沖輸出接口，單機(jī)就能獨(dú)立控制10個(gè)伺服或步進(jìn)電機(jī)，且價(jià)格較為合理，是開發(fā)高架草莓移栽機(jī)的最佳選擇之一。

　　2.2.2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

　　信捷PLC端輸出的是“負(fù)”脈沖信號(hào)，因此伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器一側(cè)選擇共陽(yáng)極連接，即將驅(qū)動(dòng)器一側(cè)的“PLS+”“DIR+”與“電源+”相連，“PLS-”“DIR-”分別接PLC一側(cè)的脈沖輸出端，與電機(jī)轉(zhuǎn)向控制端。

　　3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　根據(jù)移栽機(jī)作業(yè)原理，在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，圍繞高架高度差自適應(yīng)方法，水平移送機(jī)構(gòu)讓位協(xié)調(diào)控制，分析移栽機(jī)各運(yùn)動(dòng)單元的先后動(dòng)作順序，并結(jié)合移栽機(jī)尺寸參數(shù)完成軟件設(shè)計(jì)。

　　3.1軟降方案設(shè)計(jì)

　　由于高架草莓移栽機(jī)的作業(yè)過(guò)程復(fù)雜，因此軟件采取模塊化設(shè)計(jì)方案，即將軟件按照作業(yè)原理分為遙控子程序和自動(dòng)作業(yè)子程序。其中，自動(dòng)作業(yè)子程序包含有底盤前進(jìn)、間歇送苗、仿形打孔、仿形放苗及取苗換向等子程序。根據(jù)移栽作業(yè)流程得出移栽動(dòng)作完成過(guò)程中各電機(jī)的先后動(dòng)作順序和動(dòng)作距離，即完成草莓移栽機(jī)的多個(gè)電機(jī)聯(lián)動(dòng)控制。軟件編寫基于梯形圖語(yǔ)言完成，信捷PLC集成運(yùn)動(dòng)控制模塊，PLSF、PLSR等指令均為運(yùn)動(dòng)控制開發(fā)，可以發(fā)送可變頻的脈沖、多段不同頻率的脈沖控制信號(hào)，完成伺服/步進(jìn)電機(jī)的控制。

　　3.2基于PLC的控制系統(tǒng)梯形圖程序

　　移栽機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用信捷PLC編輯工具軟件。

　　4移栽機(jī)控制系統(tǒng)接線與試驗(yàn)

　　4.1移栽機(jī)控制系統(tǒng)搭建

　　本文將草莓移栽機(jī)控制系統(tǒng)部件分別安裝在底盤內(nèi)部和移栽機(jī)框架兩個(gè)位置。控制器、遙控單元、底盤行走單元及系統(tǒng)供電單元安裝在底盤行走內(nèi)部，移栽機(jī)控制子單元安裝在移栽機(jī)的框架上，控制器控制信號(hào)通過(guò)50芯的屏蔽線連接控制系統(tǒng)的不同位置部件。

　　4.2移栽機(jī)控制系統(tǒng)試驗(yàn)

　　4.2.1試驗(yàn)背景與方法

　　根據(jù)田間實(shí)際情況在實(shí)驗(yàn)室搭建模擬的高架栽培環(huán)境，利用圓形鋼管和無(wú)紡布制成高架栽培槽，栽培槽高度可調(diào)，長(zhǎng)度為4m，栽培槽中所用基質(zhì)為草炭、蛭石、珍珠巖，按照體積比3∶1∶1均勻混合而成。移栽用苗為利用花泥裁剪而成的仿真苗，苗坨為四棱臺(tái)形，仿真苗坨上表面尺寸為60mm×60mm，下表面尺寸為20mm×20mm，高度為100mm。由于高架草莓移栽機(jī)設(shè)計(jì)為雙側(cè)對(duì)稱移栽，因此試驗(yàn)驗(yàn)證單邊移栽效果。

　　整排取苗完成后，穴盤苗間歇輸送機(jī)構(gòu)間歇送苗，測(cè)量每次間歇送苗的實(shí)際距離。試驗(yàn)由遙控器控制開始，整排苗移栽后，移栽機(jī)間歇前進(jìn)20cm到下一個(gè)移栽工位。試驗(yàn)總共完成5盤仿真苗坨的移栽，每盤苗移栽完成后測(cè)量仿真苗坨的株距，行距與栽苗的深度。

　　5結(jié)論

　　1)根據(jù)高架草莓移栽機(jī)的結(jié)構(gòu)和作業(yè)原理，分析實(shí)現(xiàn)自動(dòng)作業(yè)控制系統(tǒng)的需求，完成了移栽機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

　　2)針對(duì)移栽機(jī)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，提出了模塊化的軟件設(shè)計(jì)原理，將軟件按照作業(yè)功能模塊拆分，并獨(dú)立完成各子塊的軟件編寫。

　　3)移栽機(jī)的仿真苗試驗(yàn)表明:所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠很好實(shí)現(xiàn)高架草莓移栽機(jī)的自動(dòng)控制作業(yè)，移栽成功率超過(guò)90%，移栽效率為993株/h。

　　4)研究雖然只針對(duì)高架草莓移栽機(jī)，但是對(duì)其模塊化的編程以及對(duì)伺服電機(jī)的精確控制方法同樣適用于其他復(fù)雜的農(nóng)業(yè)機(jī)械的控制軟件。

　　參考文獻(xiàn):

　　[1]農(nóng)業(yè)部.2014年全國(guó)各地蔬菜、西瓜、甜瓜、草莓、馬鈴薯播種面積和產(chǎn)量[J].中國(guó)蔬菜，2016(1):56.

　　[2]農(nóng)業(yè)部.2015年全國(guó)各地蔬菜、西瓜、甜瓜、草莓、馬鈴薯播種面積和產(chǎn)量[J].中國(guó)蔬菜，2017(1):18.

　　[3]農(nóng)業(yè)部.2016年全國(guó)各地蔬菜、西瓜、甜瓜、草莓、馬鈴薯播種面積和產(chǎn)量[J].中國(guó)蔬菜，2018(1):18.

　　[4]霍恒志，糜林，李金鳳，等.草莓架式基質(zhì)栽培與地面栽培適應(yīng)性比較試驗(yàn)[J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2010，22(11):48-49.

　　[5]李茂.面向高架栽培的草莓穴盤苗自動(dòng)移栽系統(tǒng)開發(fā)[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué)，2016.

　　相關(guān)刊物推薦：江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(月刊)創(chuàng)刊于1989年，是由江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院和江西省農(nóng)學(xué)會(huì)共同主辦的學(xué)術(shù)類期刊。本刊既刊登栽培育種、植物保護(hù)、土壤肥料、園藝園林、蠶桑茶葉、畜牧水產(chǎn)、生物技術(shù)、資源環(huán)境等方面的研究報(bào)告、綜述、研究簡(jiǎn)報(bào)和實(shí)用技術(shù)，也發(fā)表農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)、區(qū)域經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)科技管理、農(nóng)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略、農(nóng)產(chǎn)品加工及農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化等方面的研究論文、調(diào)查報(bào)告和對(duì)策性文章。