王臻卓，朱文琦，李 偉

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473000；2.國(guó)家電網(wǎng)山東棲霞市供電公司，山東 棲霞 265300)

?

基于PLC的自動(dòng)蔬菜穴盤缽機(jī)制缽和輸送裝置研究

王臻卓1，朱文琦1，李 偉2

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473000；2.國(guó)家電網(wǎng)山東棲霞市供電公司，山東 棲霞 265300)

缽苗移栽技術(shù)是一項(xiàng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)增產(chǎn)技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。在缽苗移栽作業(yè)過程中，大部分采用的是人工作業(yè)的方式，這種作業(yè)方式作業(yè)效率低，并且對(duì)苗的損害較大。為了提高缽苗移栽的自動(dòng)化程度，設(shè)計(jì)了一種新的基于 PLC 的蔬菜缽苗移栽機(jī)自動(dòng)制缽和輸送裝置。該裝置采用PLC控制系統(tǒng)，利用伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)高精度秧苗的推出和準(zhǔn)確定位，降低了秧苗的損失。利用帶傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)筒和栽植器的同步。最后，在實(shí)驗(yàn)大棚對(duì)穴盤缽苗自動(dòng)輸送裝置的效果進(jìn)行了測(cè)試，為了驗(yàn)證試驗(yàn)機(jī)的效果，將人工實(shí)驗(yàn)結(jié)果和試驗(yàn)機(jī)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明：采用基于PLC控制系統(tǒng)蔬菜穴盤缽苗機(jī)的移栽作業(yè)和人工方式相比，蔬菜苗損失率有所下降，成功投苗率提升，從而驗(yàn)證了裝置的可靠性。

穴盤育苗；制缽機(jī)；輸送裝置；PLC控制系統(tǒng)

0 引言

為了提升蔬菜缽苗的移栽技術(shù)，我國(guó)從國(guó)外引進(jìn)和自行研制過各種形式的蔬菜移栽機(jī)，包括鉗夾式、吊杯式及導(dǎo)苗管式。不同形式的移栽機(jī)各有特點(diǎn)，并且適應(yīng)的作業(yè)環(huán)境也有所不同。為了提高移栽技術(shù)的自動(dòng)化水平，我國(guó)從20世紀(jì)80年代開始研究自動(dòng)化蔬菜苗移栽機(jī)，但在分缽和移栽投苗時(shí)大部分還是采用人工的作業(yè)方式，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且作業(yè)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，秧苗的損失也較大。為了實(shí)現(xiàn)取苗、送苗和投苗的全自動(dòng)化過程，需要利用控制系統(tǒng)對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行協(xié)調(diào)。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于全自動(dòng)的移栽機(jī)研究還不多，國(guó)外的全自動(dòng)移栽機(jī)由于價(jià)格較高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜還沒有實(shí)現(xiàn)全面的推廣?；赑LC控制系統(tǒng)的自動(dòng)穴盤缽苗移栽機(jī)不僅價(jià)格較低，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)缽苗取苗、送苗及投苗全過程自動(dòng)化，對(duì)于蔬菜缽苗移栽技術(shù)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 蔬菜穴盤缽苗自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

在設(shè)計(jì)蔬菜穴盤缽苗自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)，首先要考慮穴盤缽的大小和工藝流程，穴盤缽的大小首先要滿足基本的育苗要求，根據(jù)幼苗生長(zhǎng)期所需要的營(yíng)養(yǎng)，確定蔬菜穴盤缽的最小體積。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，蔬菜穴盤缽的最小體積要大于20cm3，缽中的營(yíng)養(yǎng)成分才能滿足幼苗的基本生產(chǎn)需求。穴盤制缽機(jī)的工藝流程如圖1所示。

圖1 蔬菜穴盤制缽機(jī)的工藝流程

其主要工藝流程包括營(yíng)養(yǎng)缽的拌料和填料、營(yíng)養(yǎng)缽成型、播種、覆土和沖出。為了設(shè)計(jì)穴盤缽苗的自動(dòng)輸送裝置，首先需要了解秧缽育苗的具體流程，如圖2所示。首先是拌料和填料，在蔬菜秧缽里的土充分?jǐn)嚢杈鶆?，并將缽的入?？诠纹剑幌潴w內(nèi)裝有攪拌叉，攪拌叉可以做連續(xù)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而制缽機(jī)依靠槽輪機(jī)構(gòu)實(shí)行秧缽的旋轉(zhuǎn)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 秧缽育苗步驟

圖3 槽輪模盤機(jī)構(gòu)

圖3中，轉(zhuǎn)盤上共有6個(gè)孔，功能分別為待填料、正式填料、秧缽成型、播種、覆土和沖出，轉(zhuǎn)盤和模孔做間歇運(yùn)動(dòng)。沖頭的運(yùn)動(dòng)形式為直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其作用主要是在?？變?nèi)將土壤擠壓成型并沖出缽體。成型沖頭往往要比沖出沖頭的行程長(zhǎng)，其差值主要和缽體的尺寸和土壤的壓縮比例有關(guān)。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

在缽體的成型和沖出過程之間要有播種和覆土機(jī)構(gòu)，可以參照蔬菜播種機(jī)的播種機(jī)構(gòu)來設(shè)計(jì)；裝置由同步帶帶動(dòng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，將一定量的種子和土壤導(dǎo)入缽體，完成播種和覆土?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過下端回轉(zhuǎn)體進(jìn)行回轉(zhuǎn)，利用上邊的凹坑來取營(yíng)養(yǎng)土或者種子，凹坑的大小由土壤和種子的尺寸來調(diào)節(jié)。

圖5為蔬菜穴盤缽苗自動(dòng)輸送系統(tǒng)示意圖。其中，電動(dòng)機(jī)在帶傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)的作用下減速，然后在錐齒輪的作用下利用撥銷推動(dòng)槽輪進(jìn)行間歇轉(zhuǎn)動(dòng)，使模盤也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)；滑塊在連桿的作用下做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)沖頭對(duì)穴盤進(jìn)行沖壓，從而實(shí)現(xiàn)蔬菜穴盤缽苗的自動(dòng)控制。

1.電動(dòng)機(jī) 2.撥銷 3.槽輪 4.模盤 5.滑塊 6.沖頭

2 PLC控制系統(tǒng)

控制器是蔬菜穴盤缽苗自動(dòng)輸送機(jī)的核心部件，其設(shè)計(jì)要求既有較高的控制精度，又有可靠性和穩(wěn)定性，以適應(yīng)大面積的作業(yè)要求。為了解決這個(gè)問題，本研究采用PLC控制器，該種控制器物美價(jià)廉，并且裝有觸摸屏，可方便地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)各種穴盤缽苗參數(shù)的設(shè)定，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的硬件還進(jìn)行了簡(jiǎn)化。

PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要考慮輸入信號(hào)和輸出信號(hào)：輸入信號(hào)包括同步信號(hào)傳感器和光識(shí)別傳感器；輸出信號(hào)包括步進(jìn)電機(jī)的橫縱向移動(dòng)，從而可以使苗盤中的缽苗按需求取出。當(dāng)遇到缺苗的情況時(shí)，PLC控制系統(tǒng)可以自動(dòng)識(shí)別，并做出跳過或者報(bào)警提示。PLC和觸摸屏通過顯示器相連接，其硬件的設(shè)計(jì)框圖如圖6所示。

PLC和觸摸屏利用串口進(jìn)行了連接，通過液晶顯示界面可實(shí)現(xiàn)控制的手動(dòng)和自動(dòng)操作切換，以及各種參數(shù)的設(shè)定，以使系統(tǒng)適應(yīng)不同規(guī)格的缽苗盤。在手動(dòng)操作時(shí)，可以對(duì)裝置的每一個(gè)動(dòng)作單獨(dú)進(jìn)行控制，從而可以作為輔助模式方便地對(duì)整個(gè)機(jī)器進(jìn)行維護(hù)和調(diào)試。

圖7為軟件設(shè)計(jì)流程圖。根據(jù)蔬菜穴盤缽苗自動(dòng)輸送裝置的要求和工序步驟，編制了相關(guān)的控制軟件，其編程控制的主要過程包括苗格入位、等待取苗、取苗完成、自動(dòng)換位及自動(dòng)換行。當(dāng)全盤缽苗移動(dòng)完成后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出提示，通過換新的缽苗盤，重新進(jìn)行自動(dòng)傳輸動(dòng)作，完成輸出缽苗的自動(dòng)移動(dòng)。

圖6 硬件連接框圖

圖7 軟件設(shè)計(jì)流程圖

3 穴盤育苗制缽和輸送裝置實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于PLC控制系統(tǒng)的輸出穴盤育苗輸送裝置的有效性和可靠性，對(duì)裝置的作業(yè)效果進(jìn)行了測(cè)試，在實(shí)驗(yàn)大棚內(nèi)制造了穴盤苗缽，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 穴盤育苗缽

該苗缽共分為6行和6列，分別將蔬菜種子在苗缽內(nèi)進(jìn)行培育，待種子發(fā)芽長(zhǎng)成苗時(shí)，利用自動(dòng)輸送裝置進(jìn)行移栽。其中，成苗后的穴盤育苗缽如圖9所示。

圖9 穴培模式下的蔬菜苗

圖9表示穴培模式下的蔬菜苗可以利用本次設(shè)計(jì)的PLC蔬菜穴盤缽苗自動(dòng)輸送裝置對(duì)蔬菜苗進(jìn)行自動(dòng)移栽。為了驗(yàn)證裝置的可靠性，采用手工移栽的方式和試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行對(duì)比。手工移栽測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 人工蔬菜穴盤取苗移栽實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由測(cè)試結(jié)果可以看出：采用人工穴盤缽苗移栽的蔬菜苗損失個(gè)數(shù)較大，其最大損失個(gè)數(shù)達(dá)到了68個(gè)，投苗成功的最大個(gè)數(shù)僅為1 139個(gè)。

表2為采用自動(dòng)蔬菜穴盤移栽方式的測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由測(cè)試結(jié)果可以看出：當(dāng)采用和人工方式相同的穴盤總數(shù)和取苗次數(shù)時(shí)，采用自動(dòng)穴盤缽苗移栽的蔬菜苗損失個(gè)數(shù)較少，最大損失個(gè)數(shù)僅為31個(gè)；而成功投苗的個(gè)數(shù)較多，最多的成功投苗個(gè)數(shù)達(dá)到了1 236個(gè)。這說明，采用基于PLC控制系統(tǒng)的蔬菜穴盤缽苗自動(dòng)裝置不僅可以有效地降低蔬菜苗的損失，而且可有效地提高投苗的成功率，從而驗(yàn)證了裝置的可靠性。

表2 自動(dòng)蔬菜穴盤取苗移栽實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)了一種基于 PLC 的蔬菜缽苗移栽機(jī)自動(dòng)制缽和輸送裝置，其利用PLC對(duì)伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了秧苗的準(zhǔn)確推出和定位，有效地降低了秧苗的損失程度，提高了蔬菜缽苗移栽機(jī)的自動(dòng)化水平。為了驗(yàn)證裝置的可靠性，采用實(shí)驗(yàn)樣機(jī)測(cè)試的方法對(duì)缽苗移栽效果進(jìn)行了測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果和人工作業(yè)方式進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明：該裝置可以有效地降低蔬菜苗的損失率，提高蔬菜缽苗投苗的成功率，從而驗(yàn)證了裝置的可靠性。由于受時(shí)間和實(shí)驗(yàn)條件的限制，僅對(duì)單一的蔬菜品種進(jìn)行了測(cè)試，在今后的研究中還需要結(jié)合具體的作業(yè)環(huán)境，對(duì)不同種類的蔬菜缽苗進(jìn)行大量驗(yàn)證，使該種機(jī)型可以在蔬菜缽苗移栽技術(shù)中可以推廣。

[1] 韓長(zhǎng)杰,楊宛章,張學(xué)軍,等.穴盤苗移栽機(jī)自動(dòng)取喂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013,29(8): 51-61.

[2] 金鑫,李樹君,楊學(xué)軍,等.蔬菜穴盤苗取苗機(jī)構(gòu)分析與參數(shù)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2013,44(S1):1-6.

[3] 趙志國(guó).稻板田油菜移栽機(jī)技術(shù)研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,39(11):6364-6365.

[4] 張麗華,邱立春,田素博.穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)的研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備,2009(10):28-31.

[5] 符美軍,全臘珍,熊耐新,等.棉花裸苗移栽機(jī)自動(dòng)送苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真分析[J].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,38(4):451-454.

[6] 顧文俊,曹衛(wèi)彬,李衛(wèi)敏,等.穴盤苗頂桿式取苗機(jī)構(gòu)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2013，35(12): 108-111.

[7] 馮青春,王秀.穴盤缽苗智能移栽機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].農(nóng)機(jī)化研究,2013，35(11):250-252.

[8] 劉凱,辜松.基于機(jī)器視覺的嫁接用苗識(shí)別研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2009,31(11):46-48.

[9] 田素博,邱立春,張?jiān)?基于PLC的穴盤苗移栽機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,38(1): 122-124.

[10] 陳進(jìn),呂世杰,李耀明.基于PLC的聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)流程故障診斷方法研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2011,42(11): 113-116.

[11] 陳運(yùn)鵬,龍慧,劉志杰.我國(guó)施肥技術(shù)與施肥機(jī)械的研究現(xiàn)狀及對(duì)策[J].農(nóng)機(jī)化研究,2015，37(4):255-260.

[12] 姬江濤,鄭治華,杜蒙蒙.農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2014，36(12):1-4.

[13] 喬永亮,何東鍵,趙川源,等.基于多光譜圖像和SVM的玉米田間雜草識(shí)別[J].農(nóng)機(jī)化研究,2013,35(8):30-34.

[14] 姬長(zhǎng)英,周俊.農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2014,45(9):44-54.

[15] 孟慶寬,何潔,仇瑞承,等.基于機(jī)器視覺的自然環(huán)境下作物行識(shí)別與導(dǎo)航線提取[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2014, 34(7): 1-7.

[16] 劉金龍,鄭澤鋒,丁為民,等.對(duì)靶噴霧紅外探測(cè)器的設(shè)計(jì)與探測(cè)距離測(cè)試[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,41(7): 368-370.

[17] 高國(guó)琴,李明.基于K-means算法的溫室移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航路徑識(shí)別[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2014,30(7): 25-33.

[18] 方莉娜,楊必勝. 車載激光掃描數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化道路自動(dòng)提取方法[J]. 測(cè)繪報(bào),2013,42(2):260-267.

[19] 熊愛武. 基于車載激光云點(diǎn)數(shù)據(jù)的道路模型重建[J].地理信息世界,2013,20(6):86-88.

[20] 魏澤鼎,賈俊國(guó),王占永.基于視覺傳感器的棉花果實(shí)定位方法[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012,34(6):66-68.

[21] 王海青,姬長(zhǎng)英,顧寶興,等.基于機(jī)器視覺和支持向量機(jī)的溫室黃瓜識(shí)別[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2012, 43(3):163-167.

[22] 王輝,毛文華,劉剛,等.基于視覺組合的蘋果作業(yè)機(jī)器人識(shí)別與定位[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2012,43(12):165-170.

[23] 李寒,王庫,曹倩,等.基于機(jī)器視覺的番茄多目標(biāo)提取與匹配[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(5):168-172.

[24] 項(xiàng)榮,應(yīng)義斌,蔣煥煜.田間環(huán)境下果蔬采摘快速識(shí)別與定位方法研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2013,44(11): 208-223.

[25] 付麗霞,李云樂.農(nóng)業(yè)面源污染的現(xiàn)狀、問題及對(duì)策探析[J].食品安全質(zhì)量檢測(cè)學(xué)報(bào),2014,5(7):2285- 2289.

[26] 欒江,仇煥廣,井月,等.我國(guó)化肥施用量持續(xù)增長(zhǎng)的原因分解及趨勢(shì)預(yù)測(cè)[J].自然資源學(xué)報(bào),2013,28 (11):1869-1878.

[27] 沈德軍.農(nóng)作物葉面施肥的意義、機(jī)理及技術(shù)要點(diǎn)[J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào),2012,18(12):111-112.

[28] 魚彩彥.葉面施肥技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù),2013,33(12):30.

[29] 裴文超,陳樹人,尹東富.基于DSP和單片機(jī)的實(shí)時(shí)對(duì)靶噴施除草系統(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012,34(1):149-153.

Research on the Making and Transporting Device of Automatic Vegetable Pot Machine Based on PLC

Wang Zhenzhuo1, Zhu Wenqi1, Li Wei2

(1.Henan Polytechnic Institute,Nanyang 473000,China;2.Qixia Power Supply Company of National Power Grid, Qixia 265300, China)

The seedling transplanting technology is a modern agricultural production technology, has been widely used at home and abroad. In the process of transplanting seedling transplanting, most of the methods used are manual work, which has low efficiency and great damage to the seedlings. In order to improve the automation degree of the pot seedling transplanting, a new type of automatic bowl and conveying device for the vegetable bowl seedling transplanting machine based on PLC was designed. The device adopts the PLC control system, the servo motor and step into motor can realize high precision seedling launched and accurate positioning, reducing the loss of rice seedlings. Using the belt drive and gear transmission to realize the synchronization of the drum and the planting device. Finally in an experimental greenhouse seedlings automatic conveying device were tested, in order to validate the experimental machine effect, the artificial experimental results and testing machine test results were compared, by the test results show that the based on PLC control system vegetable plug seedling machine transplanting operation and manual methods compared, vegetable seedling loss rate declined, dropping seedling rate increase, which verified the reliability of the device.

plug seedling; making machine; feeding device; PLC control system

2016-01-18

河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(152102110049)

王臻卓(1985-)，女，河南南陽人，講師，碩士。

李 偉(1983-)，女，山東煙臺(tái)人，講師，碩士，(E-mail)hwfcgh2015@sina.com。

S223.94;TP273

A

1003-188X(2017)04-0229-05