基 于 PLC 的一種茄科整排自動(dòng)嫁接機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)尹 權(quán)1， 張 鐵中1 ， 2， 李 軍1， 褚 佳1， 吳 長兵1， 劉 展1( 1 中 國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院 ， 北京 100083; 2 農(nóng)業(yè)部 土壤 機(jī)器 植物系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 ， 北京 100083)摘 要 : 為滿足現(xiàn)代智能農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求 ， 提高蔬菜嫁接作業(yè)效率 、降低人工勞動(dòng)力的投入與強(qiáng)度 ， 研究了高效 、可靠 、安全的茄科劈接式或貼接式自動(dòng)整排嫁接機(jī)的控制系統(tǒng) 。采用歐姆龍 CP1H 系列的 PLC 作為中央控制單元 ， 以控制電磁閥 、繼電器 、伺服電機(jī) 、步進(jìn)電機(jī)等執(zhí)行元件的工作 。依據(jù)嫁接機(jī)作業(yè)時(shí)的流程工藝和調(diào)試安裝時(shí)的需求 ， 采用 CX programmer 專業(yè)編程軟件 ， 編寫 T 形圖控制程序 ， 提供自動(dòng)運(yùn)行 、單步運(yùn)行及功能單元獨(dú)立運(yùn)行三種模式 。試驗(yàn)表明 : 該茄科整排嫁接機(jī)在自動(dòng)運(yùn)行模式下 ， 單株程序運(yùn)行時(shí)間 5 33s， 作業(yè)效率可達(dá) 1 015株 /h。關(guān)鍵詞 : 自動(dòng)嫁接 ; PLC; 控制系統(tǒng) ; 信號(hào)識(shí)別 ; 調(diào)試運(yùn)行中圖分類號(hào) : S2231; TP273+2 文 獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 : A 文章編號(hào) : 1003 188X( 2017) 05 0075 090 引 言蔬菜嫁接育苗 是有效克服連作病蟲害 、土壤污染及增質(zhì)增產(chǎn)的有效途徑 ; 但傳統(tǒng)人工嫁接作業(yè)存在效率低 、勞動(dòng)強(qiáng)度大 、作業(yè)成本高和嫁接苗存活率低的問題 ， 已不能滿足現(xiàn)代智能化農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)需求 。自 20世紀(jì) 80 年代蔬菜自動(dòng)嫁接技術(shù)問世以來 ， 嫁接技術(shù)在國內(nèi)外得到了不同程度的發(fā)展 1 4， 采 用自動(dòng)化機(jī)械嫁接技術(shù)可以有效地解決人工嫁接中存在的問題 。此外 ， 將技術(shù)早已成熟的歐姆龍 CP1H XA 系列 PLC應(yīng)用于蔬菜自動(dòng)嫁接技術(shù)中 5 8， 相比采用微型單片機(jī)在性能和可操 作性上都得到了較大提升 ， 為廣泛推廣嫁接育苗技術(shù)提供了有力保障 8 12。目 前 ， 國內(nèi)茄科蔬菜嫁接機(jī)多為人工單株供苗 7、單株嫁接的半自動(dòng)裝置 ， 具有代表性的是 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)張鐵中研制的 2JSZ 600 型蔬菜自動(dòng)嫁接機(jī) ， 但在處理大批量作業(yè)時(shí)仍然存在生產(chǎn)率低 、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題 3 7。國 外 ， 日本 、韓國等是率先出現(xiàn)自動(dòng)嫁接技術(shù)的國家 ， 雖然有效率較高的茄科蔬菜全自動(dòng)嫁接機(jī) ; 但結(jié)構(gòu)復(fù)雜 、價(jià)格昂貴 ， 使得其在國內(nèi)推廣受到很大的限制 3 5。針對(duì)現(xiàn)有茄科 蔬菜嫁接機(jī)存在的問題 ， 本 文為茄收稿日期 : 2016 04 07基金項(xiàng)目 : 國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃 ( 863 計(jì)劃 ) 項(xiàng)目 ( 2012AAA10A506 2) ; 公益性行業(yè) ( 農(nóng)業(yè) ) 科技專項(xiàng) ( 201303014 09)作者簡介 : 尹 權(quán) ( 1991 ) ， 男 ， 陜西漢中人 ， 碩士研究生 ，( E mail)15010823596 163 com。通訊作者 : 張鐵中 ( 1956 ) ， 男 ， 河北邢臺(tái)人 ， 教授 ， 博士生導(dǎo)師 ?？谱詣?dòng)整排嫁接機(jī)設(shè)計(jì)了一套高效 、可靠 、便捷 、安全的控制系統(tǒng)及電氣驅(qū)動(dòng)方式 ， 以實(shí)現(xiàn)茄科幼苗的嫁接的自動(dòng)化作業(yè) 。1 嫁接機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理簡介11 系統(tǒng)構(gòu)成該嫁接機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)規(guī)格為 ( 5 × 10) 穴 ， 尺寸為570mm × 280mm × 41mm 的苗盤進(jìn)行整排嫁接 ， 考慮到用戶需求 ， 采用劈接或貼接兩種方式 ， 選擇時(shí)只需更換切苗刀具 。機(jī)器本體除采用人工整盤供苗和卸苗外 ， 其余均自動(dòng)完成 。該系統(tǒng)由砧木 、穗木的供苗系統(tǒng) 、攏苗系統(tǒng) 、取苗系統(tǒng) 、切苗系統(tǒng) 、供夾系統(tǒng) 、嫁接系統(tǒng)和嫁接苗輸送系統(tǒng)等 7 個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成 ， 如圖 1 所示 。因此 ， 建立 7 個(gè)子系統(tǒng)之間的有機(jī)統(tǒng)一與協(xié)調(diào)工作關(guān)系是實(shí)現(xiàn)該嫁接機(jī)高效 、可靠作業(yè)的保障 。其具體結(jié)構(gòu)可參考專利嫁接苗整排自動(dòng)嫁接裝置 ( CN104871840 A) 。111 供苗攏苗系統(tǒng)供苗攏苗系統(tǒng)是嫁接作業(yè)的首要工作流程 ， 是保證后續(xù)連續(xù)作業(yè)的基礎(chǔ) 。實(shí)際工作中 ， 將穴盤苗運(yùn)送到指定的工作位置 ， 然后觸發(fā)攏苗工作系統(tǒng) ， 攏苗桿推出 ， 將苗盤內(nèi)待嫁接位置的苗進(jìn)行縱向扶正 ， 提高嫁接作業(yè)的成功率 。穴盤停留位置是否準(zhǔn)確是砧木和穗木取苗機(jī)械爪夾取苗的關(guān)鍵 。為保證苗盤停位準(zhǔn)確 ， 采用歐姆龍系列 E3FA TP11 的反射式光電開關(guān)作為該位置的定位檢測開關(guān) 。該種光電開關(guān)檢測靈敏度高 ， 不易受周圍工作環(huán)境的影響 ， 工作原理如圖 2 所示 。·57·2017 年 5 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 5 期DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2017.05.014( a) 主 視圖 ( b) 左視圖1 控制柜 2 砧木供苗系統(tǒng) 3 嫁接苗輸送系統(tǒng) 4 穗木供苗系統(tǒng) 5 供夾輸送系統(tǒng) 6 砧木 、穗木搬運(yùn)系統(tǒng) 7 機(jī)體系統(tǒng)8 砧木 、穗木取苗系統(tǒng) 9 推夾系統(tǒng) 10 切苗系統(tǒng) 11 排夾輸送器圖 1 茄科自動(dòng)嫁接機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成Fig1 Solanaceae automatic grafting machine system圖 2 反射式光電開 關(guān)工作原理圖Fig2 The working principle of the reflection type of photoelectric switch112 取 苗系統(tǒng)基于本嫁接機(jī)是整排取苗作業(yè) ， 因此在供苗良好的前提下 ， 分別由取苗上夾持機(jī)構(gòu)和取苗下夾持機(jī)構(gòu)拔取穴盤內(nèi)的嫁接苗 ， 并且將苗由直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)送至下一切苗位置 。為實(shí)現(xiàn)嫁接苗的拔取和搬運(yùn)過程機(jī)械爪需完成一系列動(dòng)作 ， 包括砧木 、穗木上下夾持機(jī)構(gòu)的打開閉合 ， 夾持升降氣缸的上升 ， 需同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)伺服電機(jī)工作將苗搬運(yùn)至切苗工位 。為避免苗在搬運(yùn)過程中受到拉力而損傷 ， 須實(shí)現(xiàn)兩個(gè)伺服電機(jī)的同步驅(qū)動(dòng) 。兩個(gè)伺服電機(jī)在到達(dá)切苗工位后 ， 需要保證兩個(gè)位置的上下層次關(guān)系 ， 采用位置傳感器模塊 ， 能夠準(zhǔn)確地檢測到到位信號(hào) ， 其原理如圖 3 所示 。( a) 位 傳感器 ( b) 原理圖圖 3 穗木 、砧木定位模塊傳感器Fig3 Stock and scion position sensor module113 切苗及供夾系統(tǒng)當(dāng) 苗運(yùn)送至切苗位置時(shí) ， 觸發(fā)切苗機(jī)構(gòu)動(dòng)作 ， 將該工位的苗進(jìn)行斜切或劈切 ， 使嫁接苗的莖稈切口形成傾斜度為 30°的斜切口或 V 形切口 。由于嫁接作業(yè)中穗木和砧木分別是嫁接苗的上部生長端和下部須根端 ， 因此需分別控制穗木取苗夾持機(jī)構(gòu)的下夾持機(jī)構(gòu)和砧木取苗上夾持機(jī)構(gòu) ， 將廢棄部分搬運(yùn)至嫁接機(jī)兩側(cè)的廢棄框內(nèi) ， 并驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)將供夾系統(tǒng)移至嫁接工位 ， 使塑料夾推出 ， 將穗木和砧木切口貼合夾住 。114 輸送復(fù)位系統(tǒng)復(fù)位系統(tǒng)是保證整個(gè)系統(tǒng)安全 、可循環(huán)作業(yè)的基礎(chǔ) ， 嫁接機(jī)開始工作前首先進(jìn)行各機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的復(fù)位操作 ， 使得各個(gè)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)處于正確的工作狀態(tài) 。當(dāng)穗木和砧木貼合后 ， 穗木取苗上夾持機(jī)構(gòu)和砧木取苗下夾持機(jī)構(gòu)需將苗栽插至固定位置的空穴盤中 ; 當(dāng)完成一整盤苗的栽插后 ， 控制嫁接苗輸送系統(tǒng)帶將苗盤送出 ， 送至一定位置后由人工將苗盤取下 ，并將另一空穴盤放置指定位置 。以上步驟完成后 ， 需要將各部分工作部件恢復(fù)至初始狀態(tài) ， 等待下一工作步驟流程 。此外 ， 當(dāng)嫁接機(jī)中途遇到突發(fā)狀況 ， 掉電后 ， 采取復(fù)位操作能使各工作系統(tǒng)回歸正確位置 ， 避免由于空間位置不當(dāng)而損傷機(jī)器或發(fā)生危險(xiǎn) 。整個(gè)控制系統(tǒng)中 ， 包括氣動(dòng)元器件工作復(fù)位系統(tǒng)和電機(jī)工作復(fù)位系統(tǒng)兩部分組成 ， 目的是為了便捷地控制 、操縱 、調(diào)試嫁接機(jī) 。12 控制流程合理的嫁接工作流程是實(shí)現(xiàn)可靠 、高效嫁接的基礎(chǔ) ， 正確的工作流程圖往往能使控制系統(tǒng)變得簡潔 、流暢 、易于調(diào)控 。為此 ， 編寫控制程序前對(duì)嫁接作業(yè)·67·2017 年 5 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 5 期圖 4 所示 。圖 4 控制系統(tǒng)流程圖Fig4 The flow chart of control system由 于本文針對(duì)的是該茄科自動(dòng)嫁接機(jī)的控制系統(tǒng) ， 工作流程圖中的具體執(zhí)行機(jī)構(gòu)參考專利 ( CN 104871840 A) 。·77·2017 年 5 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 5 期進(jìn) 行總體分析 ， 編制了如下自動(dòng)嫁接工作流程圖 ， 如2 系統(tǒng)關(guān)鍵配置21 控制系統(tǒng)硬件配置本茄科全自動(dòng)嫁接機(jī)控制系統(tǒng) ， 硬件設(shè)備包括中央控制單元 、外圍設(shè)備 、電路保護(hù)元件 3 部分 。中央控制單元主要由 CP1H XA 系列 PLC 及擴(kuò)展模塊構(gòu)成 ; 外圍設(shè)備包括信號(hào)輸入和執(zhí)行輸出兩類 ， 信息采集的輸入設(shè)備主要為光電檢測開關(guān) 、磁性檢測開關(guān)及開關(guān)按鈕等 ; 輸出執(zhí)行部分包括工況指示燈 、電磁繼電器 、電磁閥 、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等 ; 電路保護(hù)元件主要為 24V 電源 、空氣開關(guān) 、熔斷器和線卡 。整個(gè)控制系統(tǒng) ， 除輸送帶驅(qū)動(dòng)需 220V 交流電機(jī)外 ， 其余設(shè)備均為 0 24V 工作電壓 。211 中央控制單元中央控制器采用 CP1H XA40DT D 的 PLC 可編程控制邏輯單元 ， 其配置如圖 5 所示 。該控制單元輸入 24 點(diǎn) ， 輸出 16 點(diǎn) 。根據(jù)實(shí)際要求 ， 完成整個(gè)嫁接作業(yè)的動(dòng)作多且相互獨(dú)立 ， 而基于物理控制線路的連接器 I/O 分配是固定的 ， 因此需要對(duì) I/O 口進(jìn)行擴(kuò)展 ， 而 PLC 擴(kuò)展模塊與中央控制單元可通過通信口直接插線連接通信 ， 因此簡化了控制程序的編寫和系統(tǒng)的開發(fā)周期 12 14。1 電池蓋 2 工作指示 LED 3 外圍設(shè)備 USB 端口 47 段 LED 顯示 5 模擬電位器 6 外部模擬設(shè)定輸入連接器 7 撥動(dòng)開關(guān)8 內(nèi)置模擬輸入輸出端子臺(tái) /端子臺(tái)座 ×1 9 內(nèi)置模擬輸入切換開關(guān) ×1 10 存儲(chǔ)盒槽位 11 DC24V 輸出 ×2·輸出段子 12 輸出指示燈 LED13 擴(kuò)展 I/O 單元連接器 14 CJ 單元適配器用連接器 15 選件板槽位 16 電源 ·接地 ·輸入端子臺(tái) 17 輸入指示 LED圖 5 中央控制單元Fig5 Central control unit此外 ， 考慮到高速脈沖輸出端子應(yīng)滿足實(shí)際需求 ， 還需留出一定的富余量以備不時(shí)之需 。212 外圍執(zhí)行設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制所需的一切相關(guān)輸出信號(hào) ， 以驅(qū)動(dòng)電磁繼電器 、電磁閥 、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等直接與中央控制單元相關(guān)的設(shè)備 ， 即為外圍執(zhí)行設(shè)備 。其中 ， 繼電器用于電路中接入高壓且需要控制的場合 ， 通過PLC 輸出的 24V 電壓信號(hào)控制與之相連的高壓線路的工作狀態(tài) 。本嫁接機(jī)選用的電磁繼電器型號(hào)為 H C311SK 管腳接線圖如圖 6 所示 。實(shí)際接線時(shí) ， 由于其工作電壓也是 24V， 而 PLC 為 NPN 型輸出 ， 因此管腳 13 直接與 PLC 輸出相接 、14 與電源 24( + ) 相接 ，即可以完對(duì)電磁繼電器的工作狀態(tài)控制 。而另外兩組 1、5、9 和 4、8、12 可以通過選擇連接不同管腳實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)的由常開到常閉或由常閉到常開的控制 ， 即可實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍高電壓設(shè)備的控制目的 。本嫁接機(jī)采用的執(zhí)行部件除砧木 、穗木取苗搬運(yùn) ， 嫁接貼合機(jī)構(gòu)系統(tǒng)和供夾系統(tǒng)輸送采用私服電機(jī) 、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠導(dǎo)軌外 ， 其余伸縮 、旋轉(zhuǎn)動(dòng)作均由氣動(dòng)元件完成 。( a) 電磁繼電器 ( b) 管腳接線原理圖 6 繼電器接線及原理Fig 6 elay wiring and principle伺服電機(jī)在其驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部針對(duì)速度 、位置做了軟件閉環(huán)反饋控制 ， 位置環(huán)與速度環(huán)的比例積分增益系數(shù)可調(diào) 、操作簡便 、控制精確 。因此 ， 對(duì)本控制系統(tǒng)的研究方案中 ， 主要考慮到穗 、砧木在拔取搬運(yùn)過程·87·2017 年 5 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 5 期中需要滿足速度和定位兩因素 ， 選用利時(shí)公司生產(chǎn)的MSE 系列的伺服驅(qū)動(dòng)器 ， 以 32 數(shù)字處理芯片 ( DSP)為控制核心 ， 具備良好的魯棒性和自適性 10 12， 實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制 。穗木 、砧木搬運(yùn)過程中在滿足機(jī)構(gòu)快速運(yùn)行的同時(shí) ， 避免出現(xiàn)速度誤差和機(jī)構(gòu)的慣性作用及對(duì)苗莖干造成損傷 ， 并保證在嫁接位置上使穗木 、砧木的貼合口準(zhǔn)確貼合 。其伺服電動(dòng)機(jī)接線原理如圖 7 所示 。圖 7 伺服驅(qū)動(dòng)器接線原理Fig7 Servo driver wiring principle213 系統(tǒng)保護(hù)主要包括 : 24V 電源 、空開 、熔斷器及線卡 。其中 ，24V 電源為控制系統(tǒng)及部分電子元件供電設(shè)備 ; 空氣開關(guān)與熔斷器安裝在 220V 主線路上起保護(hù)作用 ， 以避免當(dāng)設(shè)備發(fā)生短路等導(dǎo)致主電路電流過高 ， 對(duì)設(shè)備造成損傷或引起火災(zāi) 。熔斷器的選擇需根據(jù)設(shè)備主電路上的電流值 ， 因此與設(shè)備中所有電子元器件均有關(guān)系 ， 其熔斷額定電壓應(yīng)該大于或等于主電路的額定電壓 ， 熔斷器電流需根據(jù)實(shí)際負(fù)載情況計(jì)算選型 。多臺(tái)電機(jī)共用一個(gè)熔斷器保護(hù)短路時(shí) ， 有INP= ( 1 5 2 5) INMmax+ INM+ IF其中 ， INMmax為容量最大的電機(jī)額定電流 ; INM為其余各電動(dòng)機(jī)的額定電流之和 ; IF為各電磁換向閥的額定電流之和 ， 各電機(jī) 、電磁閥在電路中為并聯(lián)關(guān)系 。對(duì)于輕載啟動(dòng)及啟動(dòng)時(shí)間較短時(shí) ， 取式中系數(shù)為1 5， 重載啟動(dòng)及啟動(dòng)時(shí)間較長時(shí) ， 系數(shù)取 2 5。22 I/O 分配本嫁接機(jī)整體機(jī)構(gòu)系統(tǒng)較為復(fù)雜 ， 為滿足機(jī)器整體操作的便捷性 、可控性 ， 采用 33 個(gè)輸入點(diǎn) ， 包括預(yù)留檢測輸入點(diǎn) 4 個(gè)和點(diǎn)動(dòng)控制按鈕 4 個(gè)輸入信號(hào) ， 輸出部分預(yù)留兩個(gè)輸出端子點(diǎn) 。輸入和輸出端子分配如表 1 所示 。表 1 嫁接機(jī) I/O 分配表Table 1 Grafting machine I/O allocation table輸入點(diǎn)分配序號(hào) 名稱 符號(hào) 地址輸出點(diǎn)分配序號(hào) 名稱 符號(hào) 地址1 啟動(dòng)按鈕 SB0 0002 停止按鈕 SB1 0013 急停按鈕 SB2 0024 手 /自動(dòng)選擇開關(guān) SA0 0035 送夾子電機(jī)上電復(fù)位位置檢測 SQ1 0046 1 號(hào)電機(jī)上電復(fù)位位置檢測 SQ2 0057 2 號(hào)電機(jī)上電復(fù)位位置檢測 SQ3 0068 3 號(hào)電機(jī)上電復(fù)位位置檢測 SQ4 0079 4 號(hào)電機(jī)上電復(fù)位位置檢測 SQ5 00810 送夾 + 切刀防干涉 ( 1) SQ6 00911 送夾 + 切刀防干涉 ( 2) SQ7 01012 震動(dòng)盤啟動(dòng) /停止 SA1 01113 送夾子計(jì)數(shù) SQ8 10014 送夾子到位檢測 SQ9 1011 1 號(hào)伺服電機(jī)脈沖 100002 1 號(hào)伺服電機(jī)方向 100013 2 號(hào)伺服電機(jī)脈沖 100024 2 號(hào)伺服電機(jī)方向 100035 3 號(hào)伺服電機(jī)脈沖 100046 3 號(hào)伺服電機(jī)方向 100057 4 號(hào)伺服電機(jī)脈沖 100068 4 號(hào)伺服電機(jī)方向 100079 運(yùn)行指示燈 HL0 1010010 手動(dòng)運(yùn)行模式指示燈 HL1 1010111 推夾子氣缸 YV1 1010212 夾子夾緊氣爪 ( 10mm 行程 ) YV2 1010313 夾子夾緊氣缸 YV3 1010414 送夾子氣缸 YV4 10105·97·2017 年 5 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 5 期續(xù)表 1輸入點(diǎn)分配序號(hào) 名稱 符號(hào) 地址輸出點(diǎn)分配序號(hào) 名稱 符號(hào) 地址15 檢測預(yù)留 1 10216 檢測預(yù)留 2 10317 檢測預(yù)留 3 10418 檢測預(yù)留 4 10519 3 號(hào)電機(jī)穗木下降 10mm 位置檢測 SQ14 10620 點(diǎn)動(dòng)按鈕預(yù)留 1 10721 點(diǎn)動(dòng)按鈕預(yù)留 2 10822 點(diǎn)動(dòng)按鈕預(yù)留 3 10923 點(diǎn)動(dòng)按鈕預(yù)留 4 11024 1 號(hào)伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng) SB3 20025 1 號(hào)伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng) SB4 20126 2 號(hào)伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng) SB5 20227 2 號(hào)伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng) SB6 20328 3 號(hào)伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng) SB7 20429 3 號(hào)伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng) SB8 20530 4 號(hào)伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng) SB9 20631 4 號(hào)伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng) SB10 20732 送夾子步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng) SB11 20833 送夾子步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng) SB12 20915 切苗氣缸 YV5 1010616 垂直氣缸 ( 1 號(hào) +3 號(hào) ) YV6 1010717 垂直氣缸 ( 2 號(hào) +4 號(hào) ) YV7 1020018 夾苗氣缸 ( 1 號(hào) +3 號(hào) ) YV8 1020119 夾苗氣缸 ( 2 號(hào) +4 號(hào) ) YV9 1020220 提升 10mm 氣缸 YV10 1020321 攏苗推氣缸 YV11 1020422 攏苗夾氣缸 YV12 1020523 扶苗氣缸 YV13 1020624 皮帶西 KM5 1020725 自動(dòng)運(yùn)行模式指示燈 HL2 1030026 急停指示燈 HL3 1030127 皮帶東 KM6 1030228 皮帶中 KM7 1030329 振動(dòng)盤 KM8 1030430 電磁鐵 1030531 輸出點(diǎn)預(yù)留 1 1030632 輸出點(diǎn)預(yù)留 2 1030733 步進(jìn)電機(jī)脈沖 擴(kuò)模塊脈沖 134 步進(jìn)電機(jī)方向 擴(kuò)模塊方向 13 嫁接機(jī)控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)31 控制系統(tǒng)分析自動(dòng)整排嫁接機(jī)的控制程序是基于 CP1H 系列的PLC 指令系統(tǒng) ， 采用 CX programmer 編程軟件匯編控制程序 ， 是保證嫁接機(jī)實(shí)現(xiàn)嫁接作業(yè)自動(dòng)化的關(guān)鍵所在 ， 需要嚴(yán)禁 、細(xì)致地分析嫁接作業(yè)過程 ， 以程序驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)執(zhí)行動(dòng)作 ， 達(dá)到控制的目的 。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的程序分為兩大子程序 : 復(fù)位程序段和自動(dòng)運(yùn)行程序段 。復(fù)位程序段是在開始作業(yè)前使各機(jī)構(gòu)獲得初始化位置的必要程序段 。同時(shí) ， 在復(fù)位程序段中設(shè)置了自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種模式 ， 意義在于手動(dòng)復(fù)位模式能夠根據(jù)現(xiàn)場工況針對(duì)性地對(duì)每個(gè)機(jī)構(gòu)位置 、速度等進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)調(diào)整 ， 避免因初始位置不確定 ， 誤操作對(duì)機(jī)器造成的干涉碰撞等危險(xiǎn)發(fā)生 ; 而自動(dòng)復(fù)位模式則是在確保各機(jī)構(gòu)處于安全狀態(tài)下 ， 進(jìn)行復(fù)位操作 ， 使設(shè)備的各機(jī)構(gòu)運(yùn)行到系統(tǒng)預(yù)設(shè)的位置 ， 等待工作 。自動(dòng)運(yùn)行程序段是整個(gè)嫁接機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行的核心程序 ， 程序的運(yùn)行不僅需要嚴(yán)格按照預(yù)設(shè)的時(shí)序執(zhí)行 ， 還應(yīng)考慮到運(yùn)行過程中出現(xiàn)的不利干涉及碰撞等問題 ， 都應(yīng)該通過程序進(jìn)行合理的消除 。此外 ， 為避免出現(xiàn)緊急情況 ， 設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)干涉等影響機(jī)器安全 ， 還配備了腳踏開關(guān) ， 能夠在緊急情況下及時(shí)踩下腳踏開關(guān) ， 使整個(gè)設(shè)備停止運(yùn)行 。32 關(guān)鍵指令分析為實(shí)現(xiàn)本嫁接機(jī)多功能 、多模式 、高效率的運(yùn)行 ，選取恰當(dāng)而又簡潔的程序指令是保證整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提 。在工業(yè)控制自動(dòng)化生產(chǎn)中多使用順序控制 ， 即當(dāng)前每個(gè)動(dòng)作的發(fā)生都是以上一個(gè)動(dòng)作的有效執(zhí)行及完成為前提 ， 否則當(dāng)前動(dòng)作就不會(huì)被觸發(fā) ，這種流水線式控制過程多使用指令系統(tǒng)中的 SFT 指·08·2017 年 5 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 5 期令完成 。因此 ， 深入理解和正確使用 SFT 指令 ， 使程序的設(shè)計(jì)過程事半功倍 ， 且能保證程序執(zhí)行結(jié)果可靠 、有效 。此外 ， 控制伺服電機(jī)的準(zhǔn)確運(yùn)行也是本設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵 ， 基于 PLC 中的脈沖輸出控制指令 ， 采用脈沖和方向控制類型 ， 選用 PLS2( 887) 脈沖輸出定位指令 ， 能夠滿足本控制系統(tǒng)的需求 。321 SFT 移位指令SFT 指令 ( 見圖 8) 有兩個(gè)操作數(shù) ， W1、WX: 若 W1 WX， 則移位過程只在 W1中執(zhí)行 ; 若 W1 WX， 則 W1最低為 W1 00率先被置位 ， 然后逐次往高位移位 ， 直到移位達(dá)最高位 WX。該指令執(zhí)行過程如下 ， 當(dāng) SFT 指令的數(shù)據(jù)輸入有信號(hào) ， 則 W 數(shù)據(jù)通道的最低位 W1 00=1， 并控制 W1 00= 1 對(duì)所制定輸出的端點(diǎn)作出響應(yīng)動(dòng)作 ; 然后 ， 當(dāng)上一動(dòng)作執(zhí)行完成且輸入端有信號(hào)輸入 ，則置位信號(hào)從當(dāng)前位移至下一位 ， 即 W1 00=0、W1 01=1， 在輸入端信號(hào)響應(yīng)之前該位的狀態(tài)會(huì)被一直保留 ，后續(xù)步驟按照上述方式循環(huán)執(zhí)行 。指令的復(fù)位信號(hào)端只要有信號(hào)輸入 ， 則不論當(dāng)前 SFT 移位狀態(tài)如何 ，所有從 W1 00到 WX全部重置為 0 位 ， 即使機(jī)器狀態(tài)保持為原狀態(tài) 。( a) SFT 指令( b) 移位原理D1、D2需為同類數(shù)據(jù)通道 。圖 8 SFT 移位原理Fig 8 SFT shifting principle在實(shí)際操作中 ， 程序在執(zhí)行過程中往往需要實(shí)時(shí)暫停 ， 便于記錄 、調(diào)試和觀察 ， 而后又需要程序繼續(xù)運(yùn)行 ， 而采用 SFC 指令則可以巧妙地設(shè)計(jì)暫停功能 。實(shí)現(xiàn)的方式如下 : 將暫停按鈕的常閉觸點(diǎn)串接在移位信號(hào)輸入端的主路上 ， 暫?；謴?fù)按鈕和其他移位觸發(fā)點(diǎn)并聯(lián)在移位信號(hào)輸入端的主路上 ; 當(dāng)暫停信號(hào)有效 ，則其對(duì)應(yīng)的常閉觸點(diǎn)被斷開 ， 移位信號(hào)輸入端變?yōu)閿嚅_狀態(tài) ， 該指令不受任何移位信號(hào)觸發(fā) ， 設(shè)備暫停于當(dāng)前狀態(tài) ; 將該狀態(tài)解除時(shí)按下暫停恢復(fù)按鈕 ， 則 SFT正常移位至下一位 ， 程序緊接當(dāng)前狀態(tài)順序往下執(zhí)行 。322 脈沖輸出定位指令PLS2( 887) 脈沖輸出定位指令實(shí)現(xiàn)控制步進(jìn)電機(jī) 、伺服電機(jī)及速度 、方向 、加速 、減速甚至能控制運(yùn)轉(zhuǎn)角度 ， 極大地滿足本設(shè)計(jì)中的工作需求 ; 該指令包括 4 個(gè)控制通道 ， P、M、F1、F2。為能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確控制電機(jī)的精準(zhǔn)運(yùn)行 ， 還需要采用 MOV( 021) 傳送指令配合 ， 將所需的運(yùn)行參數(shù)通過該指令傳送至特定的數(shù)據(jù)通道 ， 使得 PLS2( 887) 能夠采集信息并執(zhí)行 。脈沖輸出定位指令執(zhí)行時(shí)需要設(shè)定以上 4 個(gè)通道數(shù)據(jù) ， 參數(shù)設(shè)置原理如圖 9 所示 。圖 9 脈沖輸出定位指令Fig9 Pulse output orientation instructions33 控制程序功能模塊自動(dòng)整排茄科嫁接機(jī)的系統(tǒng)程序由各功能單元的子程序構(gòu)成 ， 包括 : 砧木 、穗木苗輸送程序 ， 苗拔取搬運(yùn)程序 ， 切苗及剩余部分搬移程序 ， 嫁接貼合程序 ， 塑料夾推送程序及栽插 、嫁接苗輸出程序 。在整個(gè)系統(tǒng)程序的匯編中將嫁接程序的功能模塊化 、子程序化 、功能化是有效解決程序復(fù)雜性 、邏輯性 、調(diào)試便捷性的方法 ; 同時(shí) ， 也增加了程序的可讀性 ， 避免由于程序過長使得程序不易被看懂理解 。通過以上子程序的有機(jī) 、協(xié)調(diào)配合 ， 完成整個(gè)嫁接系統(tǒng)的匯編 ， 實(shí)現(xiàn)機(jī)器的自動(dòng)控制運(yùn)行 。4 調(diào)試運(yùn)行基于對(duì)程序的分析 ， 將程序?qū)懭肟删幊炭刂茊卧狿LC 中 ， 調(diào)試和檢測各功能單元運(yùn)行狀況 ， 主要包括時(shí)間調(diào)節(jié)和邏輯順序調(diào)節(jié)兩大部分 。41 時(shí)間參數(shù)調(diào)節(jié)運(yùn)行時(shí)間是保證整個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)的關(guān)鍵所在 ， 且整個(gè)程序中所包含的時(shí)間參數(shù)指令較多 ， 若時(shí)間控制不當(dāng)就會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的工作效率 : 如將各部分時(shí)間參數(shù)調(diào)整時(shí)間加長將會(huì)使嫁接機(jī)運(yùn)行緩慢 ， 降低效率 ; 反之 ， 時(shí)間參數(shù)過小 ， 會(huì)使執(zhí)行元件動(dòng)作執(zhí)行不到位 ， 或發(fā)生干涉引起碰撞的危險(xiǎn) 。因此 ， 合理適當(dāng)?shù)臅r(shí)間參數(shù)對(duì)于系統(tǒng)的運(yùn)行性能指標(biāo)至關(guān)重要 ， 經(jīng)過實(shí)·18·2017 年 5 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 5 期際調(diào)試和運(yùn)行對(duì)時(shí)間參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化 ， 將該嫁接的各部分時(shí)間參數(shù)設(shè)置如表 2 所示 。表 2 主要電氣參數(shù)設(shè)定Table 2 The main electric parameter setting控制類型執(zhí)行類型參數(shù)時(shí)間/s頻率/Hz功率 其他伺服電動(dòng)機(jī)啟 /停加減速頻率 60運(yùn)行頻率 4 200模式設(shè)置 位置模式步進(jìn)電機(jī)啟 /停加減速頻率 120運(yùn)行頻率 7 500模式設(shè)置 無細(xì)分輸送系統(tǒng) 功率設(shè)置 20%氣動(dòng)系統(tǒng)時(shí)間參數(shù)設(shè)置攏苗推送 20攏苗 08夾苗 08松苗 08攏苗下降 15取苗 20取苗機(jī)構(gòu)下降 14空拔苗 18切苗 12推夾 04送夾 10送夾 05攏苗退回 20切苗退回 1242 邏輯順序調(diào)節(jié)嫁接機(jī)在實(shí)際工作過程中可能會(huì)出現(xiàn)部分邏輯順序調(diào)整的情況 ， 為達(dá)到執(zhí)行效果最優(yōu)的目的 ， 如部分功能單元初始狀態(tài)距工作位置位置較遠(yuǎn) ， 則可以在初始狀態(tài)下 ， 將該部分功能部件率先移動(dòng)或動(dòng)作執(zhí)行到工作位置 。這樣既減少了工作距離 ， 又降低了工作等待時(shí)間 ， 是提高程序效率的有效途徑 。43 系統(tǒng)運(yùn)行測試在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下 ， 進(jìn)行了工作測試 ， 測試地點(diǎn)為中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 ， 測試樣本為西紅柿嫁接苗 。其中 ， 穗木 、砧木苗各 3 盤 ， 每盤 50 株 。人工上苗后 ， 進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行 ， 從運(yùn)行穩(wěn)定到進(jìn)入循環(huán)開始計(jì)時(shí)完成嫁接并回到取苗位置等待下一循環(huán)結(jié)束 ， 共計(jì)用時(shí) 532s， 平均每株用時(shí) 3 55s， 完成整排嫁接一次循環(huán)約為 17 7s， 理論嫁接速度可達(dá) 1 015 株 /h。測試結(jié)果表明 : 該控制系統(tǒng)具有良好的實(shí)用性 ， 達(dá)到了高效 、穩(wěn)定的目的 。5 結(jié)論1) 設(shè)計(jì)了基于 PLC 的一種茄科整排自動(dòng)嫁接機(jī)的控制系統(tǒng) ， 能夠?qū)崿F(xiàn)高效 、穩(wěn)定 、便捷的性能指標(biāo) ，達(dá)到了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的 。2) 采用了合理的控制程序設(shè)計(jì)流程 ， 總結(jié)出一套控制程序設(shè)計(jì)的基本路線和方法 ， 上機(jī)運(yùn)行調(diào)試 ， 滿足程序設(shè)計(jì)的要求 。3) 整個(gè)控制系統(tǒng)采用了合理的時(shí)間參數(shù)配置 ， 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí) ， 嫁接速度理論值可達(dá) 1 015 株 /h， 滿足實(shí)際生產(chǎn)需求 。參考文獻(xiàn) : 1 褚佳 ， 張鐵中 ， 張立博 ， 等 套管式蔬菜自動(dòng)嫁接機(jī)出套裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) ， 2016( 2) : 64 70 2 趙金英 ， 張鐵中 PLC 在自動(dòng)嫁接機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 J 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) ， 2004( 6) : 53 55 3 李中秋 蔬菜嫁接機(jī)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 J 當(dāng)代農(nóng)機(jī) ，2007( 4) : 61 62 4 辜松 ， 江林斌 國內(nèi)外蔬菜嫁接機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 J 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) ， 2007( 6) : 847 851 5 劉凱 ， 初麒 ， 辜松 ， 等 茄科蔬菜自動(dòng)嫁接機(jī)的研究現(xiàn)狀 J 農(nóng)機(jī)化研究 ， 2011， 33( 2) : 230 233 6 李潔 淺談 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的幾個(gè)問題 J 西安航空技術(shù)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào) ， 2005( 1) : 22 24 7 建忠 ， 李建平 ， 朱盤安 ， 等 斜插式蔬菜嫁接機(jī)砧木夾持機(jī)構(gòu)研制與試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) ， 2013( 7) : 30 35 8 辜松 2JC 350 型蔬菜插接式自動(dòng)嫁接機(jī)的研究 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) ， 2006( 12) : 103 106 9 姜?jiǎng)P ， 鄭文剛 ， 張騫 ， 等 蔬菜嫁接機(jī)器人研制與試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) ， 2012( 4) : 8 14 10 郭成鎮(zhèn) 基于 CAN 總線的多 PLC 通信控制研究 D 上海 : 上海交通大學(xué) ， 2012 11 江新 基于 CAN 總線的多臺(tái) PLC 通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì) J 電氣時(shí)代 ， 2011( 9) : 104 105 12 楊麗 ， 張鐵中 西紅柿嫁接機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) J 農(nóng)機(jī)化研究 ， 2008( 12) : 79 82 13 周樺 電梯 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) D 成都 : 電子科技大學(xué) ， 2012·28·2017 年 5 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 5 期 14 馮青春 ， 鄭文剛 ， 吳瑩 ， 等 基于 PLC 自動(dòng)嫁接機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 中國農(nóng)機(jī)化 ， 2012( 1) : 159 161 15 楊同杰 基于 DSP 的直流伺服電機(jī)控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) D 南京 : 南京理工大學(xué) ， 2009 16 史孝文 基于 DSP 的直流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)研究開發(fā) D 昆明 : 昆明理工大學(xué) ， 2005PLC Control System Design for a Kind of Solanaceae whole ow ofAutomatic Grafting MachineYin Quan1， Zhang Tiezhong1， 2， Li Jun1， Chu Jia1， Wu Changbing1， Liu Zhan1( 1 College of Engineering， China Agricultural University， Beijing 100083， China; 2 Key Laboratory of Soil Machine Plant Systematic Technology， Ministry of Agriculture， Beijing 100083， China)Abstract: To meet the demand of modern intelligent agricultural production， improve the working efficiency of the vege-tables grafting and reduce manual labor input or intensity The purpose of this paper is to research an efficient， reliable，and safe solanaceae cleft and attached automatic control system for the whole row of grafting machine Using OMON CP1H series of PLC as the central unit to control the electromagnetic valve， relay， servo motor or stepping motor workingAccording to the process technology of machine operations and debugging installation requirements， applying the CX professional programmer programming software， writing T chat control program to provide automatic operation， single stepoperation and functional unit run independently three models Experiments show that the solanaceae whole row of graftingmachine under automatic model， running time is 5 33s per plant， the efficiency is up to 1050 plants per hourKey words: automatic grafting; PLC; control system; signal identification; debugging and running( 上接第 67 頁 )Abstract ID: 1003 188X( 2017) 05 0063 EAMotion Simulation and Orthogonal Experiment onPole teeth Plastic Film esidue CollectorXie Jianhua， Sun Chaowei， Yang Yelong， Cao Xiaoran( Department of Mechanical and Traffic， Xinjiang Agricultural University， U··r u··mqi 830052， China)Abstract: Pole teeth plastic film collector was designed in accordance with slide way pole teeth hay rake mecha-nism The pose of pole teeth was determined its collection ratio and unloading film performance when the machine isoperating To further investigate the pose variation of pole teeth collection and determine the optimal working condition，the motion simulation and the Orthogonal experiment were carried out Motion simulation was presented pole teeth endtrajectory in the motion of plastic film collector and pole teeth end acceleration curve in different speed ratio By usingthe soil bin trolley experiment， the orthogonal experiment with influence factors of machine operating speed， speed ratio( the ratio of the speed of machine operating and spring tooth axis speed) and the embedded depth of the pole teethfor lifting film was carried out The results was indicated that the variation of speed ratio have greater influence to ma-chine performance compared with that of machine operating speed and the embedded depth of the pole teeth Moreover，the collection ratio of mechanism could reach the optimal level when the machine operating speed was 0 85m/s， thespeed ratio was 1 5， and the embedded depth of the pole teeth for lifting film was 50mmKey words: plastic film residue collector; pick up residual plastic film mechanism; unloading residual plastic filmmechanism; orth