王洪稷，羅小林，宋 鵬，王 成,4，陳 泉，張 晗

(1.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京 100094；2.昆明理工大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，昆明 650504；3.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100094；4.國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，北京 100094)

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玉米自動(dòng)考種流水線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
—基于MCGS嵌入式組態(tài)軟件

王洪稷1,2，羅小林2，宋 鵬1,3，王 成1,3,4，陳 泉1,3，張 晗1

(1.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京 100094；2.昆明理工大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，昆明 650504；3.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100094；4.國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，北京 100094)

針對現(xiàn)有玉米考種技術(shù)考種對象單一、考種效率低下的現(xiàn)狀，研發(fā)出一種基于MCGS嵌入式組態(tài)軟件的玉米自動(dòng)考種流水線控制系統(tǒng)。整套控制系統(tǒng)由MCGS嵌入式組態(tài)軟件和FT-RS-0808繼電器控制模塊結(jié)合控制，通過RS485通訊串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。使用MCGS嵌入式組態(tài)軟件編寫循環(huán)控制策略程序，根據(jù)考種流水線中各傳感器實(shí)時(shí)檢測的感應(yīng)信號，判斷并控制考種線設(shè)備運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)從玉米果穗至玉米籽?？挤N性狀的自動(dòng)、有序采集。試驗(yàn)結(jié)果表明:該系統(tǒng)連續(xù)作業(yè)時(shí)考種效率可達(dá)5～6穗/min。

玉米考種；MCGS嵌入式組態(tài)軟件；控制系統(tǒng)；流水線

0 引言

玉米考種是玉米育種過程的重要環(huán)節(jié)之一[1]，考種的效率和精度制約了玉米優(yōu)良品種選育效率。在玉米考種過程中，需要同時(shí)進(jìn)行玉米果穗及籽?？挤N，主要包括果穗穗長、穗寬、穗行數(shù)、行粒數(shù)、籽粒粒長、粒寬、粒型及籽粒數(shù)量等大量性狀參數(shù)的采集、整理、統(tǒng)計(jì)、分析和儲(chǔ)存[2]。傳統(tǒng)玉米考種過程全部由操作人員手工完成，需要耗費(fèi)大量的人力物力且效率低下[3]。隨著現(xiàn)代玉米考種技術(shù)的不斷發(fā)展，各種考種系統(tǒng)及設(shè)備相繼出現(xiàn)，張晗等研發(fā)了針對單穗玉米籽粒的水分、質(zhì)量連續(xù)測量及封裝系統(tǒng)[4]。王傳宇等[5]、周金輝等[6]分別設(shè)計(jì)提出一種新的基于機(jī)器視覺的玉米果穗考種方法與配套裝置，針對玉米果穗進(jìn)行考種研究?，F(xiàn)有考種設(shè)備大多都只能單獨(dú)針對玉米果穗或玉米籽粒進(jìn)行考種，無法滿足現(xiàn)代化大批量快速考種的需求?？焖佟?zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)從玉米果穗到籽粒全過程考種信息的自動(dòng)獲取，可大大降低考種成本，提高提高育種效率[7]。

本文采用MCGS嵌入式組態(tài)軟件和輸入輸出繼電器控制模塊結(jié)合控制的方式，針對玉米考種流水線工作方式及控制需求，設(shè)計(jì)其控制系統(tǒng)，保證考種流水線連續(xù)、穩(wěn)定、自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，為實(shí)現(xiàn)從玉米果穗到籽粒大批量考種參數(shù)的高效獲取提供保障。

1 玉米自動(dòng)考種流水線的總體設(shè)計(jì)

1.1 玉米自動(dòng)考種流水線工作流程

單個(gè)玉米果穗上料進(jìn)入玉米自動(dòng)考種流水線后，對其進(jìn)行處理過程中經(jīng)過的功能模塊順序依次為果穗考種模塊、果穗脫粒模塊、籽粒考種模塊及籽粒封裝模塊，如圖1所示。

圖1 功能模塊運(yùn)行設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)通過對果穗上料機(jī)構(gòu)、稱重傳感器、脫粒電機(jī)、圖像采集相機(jī)和封裝電機(jī)等設(shè)備的控制，可實(shí)現(xiàn)對于玉米果穗形態(tài)信息、果穗質(zhì)量數(shù)據(jù)、籽粒形態(tài)信息數(shù)據(jù)等考種數(shù)據(jù)的快速、全方位采集。

1.2 玉米自動(dòng)考種流水線的總體設(shè)計(jì)

玉米自動(dòng)考種流水線需自動(dòng)實(shí)現(xiàn)果穗考種、果穗脫粒、籽粒考種及籽粒封裝流程，分別由果穗考種模塊、果穗脫粒模塊、籽粒考種模塊及籽粒封裝模塊組成。這4個(gè)功能模塊由TPC7062KX嵌入式一體化觸摸屏通過FT-RS-0808繼電器控制模塊進(jìn)行運(yùn)行控制，在每個(gè)分裝置上都分別安裝有感應(yīng)傳感器，通過實(shí)時(shí)采集檢測傳感器的感應(yīng)信號實(shí)現(xiàn)對整條考種流水線運(yùn)行情況的監(jiān)控。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

在整個(gè)控制系統(tǒng)各組成功能模塊中，安裝有多種執(zhí)行元件和感應(yīng)傳感器。果穗考種模塊實(shí)現(xiàn)玉米果穗的上料檢測、果穗卸料、果穗質(zhì)量及果穗圖像信息采集功能；果穗脫粒模塊采用玉米單穗脫粒機(jī)；籽?？挤N模塊進(jìn)行籽粒圖像信息采集后卸料；籽粒封裝模塊通過加熱電阻切割復(fù)合PE/PET薄膜實(shí)現(xiàn)對玉米籽粒封裝成袋處理。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)玉米自動(dòng)考種流水線控制系統(tǒng)需要對包括果穗上料傳感器及上料電機(jī)等在內(nèi)的5個(gè)感應(yīng)傳感器和9個(gè)設(shè)備元件進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和控制。為實(shí)現(xiàn)控制過程，共設(shè)置有51個(gè)控制變量，包括有20個(gè)開關(guān)型變量和31個(gè)數(shù)值型變量，如圖3所示。其中，開關(guān)型變量代表對應(yīng)感應(yīng)傳感器和執(zhí)行設(shè)備的觸發(fā)信號和控制信號，數(shù)值型變量作為控制過程的中間變量。

為保證自動(dòng)考種流水線高效、穩(wěn)定運(yùn)行，需對流水線中各傳感器信號進(jìn)行自動(dòng)檢測、信息處理和實(shí)時(shí)控制。整套控制系統(tǒng)采用分級式控制結(jié)構(gòu)，包括控制管理級、過程控制級和運(yùn)行管理級，如圖4所示?？刂朴|摸屏通過串口通訊方式連接并控制繼電器控制模塊，繼電器控制模塊在接收流水線中各傳感器感應(yīng)信號的同時(shí)，通過模塊內(nèi)部繼電器控制流水線設(shè)備的啟停動(dòng)作。

圖3 變量設(shè)置界面

圖4 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

繼電器控制模塊1通過檢測果穗上料、果穗入料和果穗出料傳感器的感應(yīng)信號，控制稱重模塊、上料電機(jī)、果穗采集光源和果穗圖像采集模塊動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)玉米果穗性狀數(shù)據(jù)采集；繼電器控制模塊2通過檢測脫粒機(jī)出口傳感器、卸料傳感器的感應(yīng)信號，控制脫粒電機(jī)、籽粒采集光源、籽粒圖像采集模塊、卸料電機(jī)和封裝電機(jī)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)玉米籽粒的形態(tài)信息數(shù)據(jù)采集。

2.2 控制方式設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用MCGS嵌入式組態(tài)軟件作為上位機(jī)軟件和輸入輸出繼電器控制模塊相結(jié)合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制。MCGS嵌入式組態(tài)軟件安裝在TPC7062KX嵌入式一體化觸摸屏中，TPC7062KX嵌入式一體化觸摸屏通過RS485串口通訊方式與輸入輸出繼電器模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。在系統(tǒng)啟動(dòng)后，當(dāng)流水線中各處傳感器在系統(tǒng)運(yùn)行過程中檢測到感應(yīng)信號后，會(huì)將感應(yīng)信號反饋到輸入輸出繼電器模塊，輸入輸出繼電器模塊再通過RS485通訊總線將感應(yīng)信號讀入TPC7062KX嵌入式一體化觸摸屏，MCGS嵌入式組態(tài)軟件將讀取到的數(shù)據(jù)信息；通過軟件自身的“運(yùn)行策略”控制程序編輯功能，對感應(yīng)信號進(jìn)行判斷和處理，識別在整套考種流水線控制系統(tǒng)中的運(yùn)行情況；再根據(jù)控制策略向繼電器控制模塊發(fā)送出控制指令，通過繼電器模塊輸出I/O口的內(nèi)部繼電器動(dòng)作控制外部流水線設(shè)備，使流水線快速穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.3.1 控制模塊

選用FT-RS-0808輸入輸出繼電器控制模塊作為系統(tǒng)控制模塊，它能通過RS485 串口從上位機(jī)、觸摸屏等接收數(shù)字量輸入信號，并轉(zhuǎn)換成開關(guān)量輸出信號，從而控制模塊內(nèi)部繼電器開關(guān)，并同時(shí)可將內(nèi)部繼電器開關(guān)狀態(tài)等開關(guān)量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號發(fā)送回觸摸屏。模塊采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus通訊協(xié)議與嵌入式觸摸屏統(tǒng)一通訊，便于策略程序的編寫。該模塊具有8路開關(guān)量輸入端口和8路開關(guān)量輸出端口，在其輸出端口內(nèi)部采用繼電器輸出控制模式，最大可承受250V交流電壓及5A電流。在8路開關(guān)量輸出端口中，根據(jù)內(nèi)部繼電器設(shè)置有兩種不同的狀態(tài)輸出端口。其中，4路處于常開狀態(tài)，4路有公共端、同時(shí)具有常閉和常開兩種狀態(tài)。在本文控制系統(tǒng)中可根據(jù)不同設(shè)備的控制需求選擇輸出端口。在控制系統(tǒng)中，主要輸入輸出I/O口分配如表1所示。

表1 主要輸入輸出I/O口分配

2.3.2 嵌入式一體化觸摸屏

選用型號為TPC7062KX的嵌入式一體化觸摸屏，它是一款以嵌入式低功耗CPU為核心的高性能嵌入式一體化觸摸屏。該嵌入式一體化觸摸屏采用7英寸高亮度TFT液晶顯示屏和四線電阻式觸摸屏，輸入電壓(24±20%)VDC，額定功率5W，CPU選用主頻能達(dá)到400MHz的ARM9處理器，內(nèi)存64M，系統(tǒng)存儲(chǔ)空間128M，外部接口具有串行接口、USB接口、以太網(wǎng)接口和CAN接口，具有體積小、抗干擾性強(qiáng)、通訊方便、耐用等優(yōu)點(diǎn)。TPC7062KX嵌入式一體化觸摸屏可安裝MCGS嵌入式組態(tài)軟件，兼容性強(qiáng)、串口通訊方式多，具備強(qiáng)大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能。

2.3.3 信號采集模塊

1)光電傳感器。為保證系統(tǒng)運(yùn)行的準(zhǔn)確、可靠性，要求采用的感應(yīng)傳感器對感應(yīng)信號具有較高的靈敏性。本系統(tǒng)選用型號為E18-D80NK的漫反射式紅外光電傳感器，它集紅外發(fā)射與接收功能于一體，當(dāng)有檢測物體從檢測端經(jīng)過時(shí)，通過接收檢測物體表面反射的紅外光會(huì)使傳感器的輸出信號狀態(tài)發(fā)生改變，響應(yīng)時(shí)間在2ms以內(nèi)。另外，在E18-D80NK上設(shè)有機(jī)械調(diào)節(jié)旋鈕，可以根據(jù)實(shí)際使用要求對檢測距離進(jìn)行調(diào)節(jié)，感應(yīng)距離能達(dá)到3～80cm。

2)行程開關(guān)。為保證考種參數(shù)的精確性，要求在流水線運(yùn)行過程中設(shè)備運(yùn)動(dòng)動(dòng)作具有精準(zhǔn)性，為此本系統(tǒng)選用型號為LXJM1-8180德力西電氣限位行程開關(guān)。該元件具有自動(dòng)復(fù)位可調(diào)滾子轉(zhuǎn)動(dòng)臂，觸點(diǎn)動(dòng)作形式為一開一閉，操作頻率在不通電的情況下可達(dá)到120次/min，在機(jī)械的自動(dòng)控制、限制運(yùn)動(dòng)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作和程序控制之間的開關(guān)方面具有良好的性能。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)通過MCGS嵌入式組態(tài)軟件中“運(yùn)行策略”功能實(shí)現(xiàn)控制邏輯程序的編輯，如圖5所示。為了保證流水線自動(dòng)運(yùn)行高效、穩(wěn)定，采用循環(huán)策略程序編寫方式。循環(huán)策略采用“順序掃描，周期循環(huán)”的工作方式，即在控制系統(tǒng)開始運(yùn)行后，軟件根據(jù)用戶按策略要求編寫好并存于用戶存儲(chǔ)器中的程序，按循環(huán)策略行編寫順序做周期性循環(huán)掃描。從策略行始端開始逐行依次執(zhí)行用戶策略程序，直到循環(huán)策略程序完全結(jié)束；然后重新從策略行始端開始新一輪程序循環(huán)掃描，在循環(huán)掃描的過程中，不斷接收外部輸入信號并發(fā)出相應(yīng)的控制指令。

圖5 MCGS軟件編輯界面

控制過程中，采用模塊化控制方式，流水線中的每個(gè)功能模塊既作為單獨(dú)的控制個(gè)體，模塊之間又相互聯(lián)系、制約，可有效地防止控制系統(tǒng)中控制策略漏洞的出現(xiàn)。

系統(tǒng)上電啟動(dòng)后，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，將所有設(shè)備的工作狀態(tài)都調(diào)試到初始位置，等待果穗上料。果穗上料傳感器通過檢測果穗上料時(shí)產(chǎn)生的跳變信號進(jìn)行果穗上料檢測判斷，如果上料傳感器檢測到觸發(fā)信號，進(jìn)行果穗性狀數(shù)據(jù)采集操作。設(shè)置延時(shí)計(jì)時(shí)器等待采集完成，延時(shí)結(jié)束后上料電機(jī)動(dòng)作果穗出料，果穗進(jìn)入脫粒機(jī)進(jìn)行脫粒操作。脫粒機(jī)出口傳感器檢測脫粒是否完成，啟動(dòng)并觸發(fā)延時(shí)計(jì)時(shí)器；延時(shí)結(jié)束后，對玉米籽粒形態(tài)參數(shù)進(jìn)行圖像采集；采集完成后，籽粒進(jìn)入封裝裝置封裝。MCGS控制系統(tǒng)程序流程圖如圖6所示。

圖6 MCGS控制系統(tǒng)程序流程圖

為保證自動(dòng)考種系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的靈活性，控制系統(tǒng)設(shè)置分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種運(yùn)行模式。①自動(dòng)運(yùn)行模式：將玉米果穗連續(xù)從流水線上料裝置放入，流水線通過感應(yīng)傳感器信號進(jìn)行流水式考種作業(yè)操作。流水線中各處傳感器將流水線運(yùn)行過程中感應(yīng)信號反饋到繼電器控制模塊，繼電器控制模塊再通過RS485串口將感應(yīng)信號讀入MCGS嵌入式組態(tài)屏；MCGS組態(tài)軟件將讀取到的數(shù)據(jù)信息，通過軟件自身的策略編輯功能，識別判斷整套考種流水線控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況，然后再根據(jù)控制策略向繼電器控制模塊發(fā)送出控制指令，使流水線快速穩(wěn)定運(yùn)行。②手動(dòng)操作模式：通過觸摸屏上的按鈕式開關(guān)可對流水線中各運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)的啟?？刂疲瓤稍谙到y(tǒng)運(yùn)行發(fā)生故障時(shí)方便故障的排查，也可通過觸摸屏上的設(shè)置輸入框手動(dòng)設(shè)置動(dòng)作時(shí)間等參數(shù)，對于控制系統(tǒng)整體運(yùn)行策略的調(diào)試具有重要作用。

4 考種試驗(yàn)及性能分析

1)手動(dòng)操作模式試驗(yàn)。將單個(gè)玉米果穗考種子料放入玉米自動(dòng)考種流水線，操作人員手動(dòng)通過觸摸屏上對應(yīng)控制按鈕依次啟動(dòng)考種流水線中各考種設(shè)備，完成考種過程?？刂聘骺挤N設(shè)備緊湊連接運(yùn)行，在最短時(shí)間內(nèi)完成單個(gè)玉米果穗考種過程。通過多組實(shí)驗(yàn)，單穗玉米考種平均用時(shí)15s左右。

2)自動(dòng)操作模式試驗(yàn)。將玉米果穗考種子料連續(xù)放入自動(dòng)考種流水線中，流水線根據(jù)各感應(yīng)傳感器的感應(yīng)信號自動(dòng)運(yùn)行，對考種子料依次考種。連續(xù)運(yùn)行3h，系統(tǒng)無故障發(fā)生，考種效率可達(dá)到300穗/h。在整個(gè)考種過程中，能夠快速、高效、全面地實(shí)現(xiàn)對從玉米果穗形態(tài)參數(shù)到籽粒形態(tài)信息的數(shù)據(jù)采集。

5 結(jié)論

采用MCGS嵌入式組態(tài)軟件和繼電器模塊組成的玉米自動(dòng)考種流水線控制系統(tǒng)，能夠在運(yùn)行過程中完成對考種數(shù)據(jù)和運(yùn)行設(shè)備的統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)高效、精確、連續(xù)的自動(dòng)化流水線玉米考種操作。運(yùn)行試驗(yàn)表明：該控制系統(tǒng)簡單易行、運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高。

[1] 周金輝,馬欽,朱德海,等. 基于機(jī)器視覺的玉米果穗產(chǎn)量組分性狀測量方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2015，31(3):221-227.

[2] 柳冠伊,楊小紅,白明,等.基于線陣掃描圖像的玉米果穗性狀檢測技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2013(11):276-280.

[3] 呂永春,馬欽,李紹明,等.基于背景板比例尺的玉米果穗圖像特征測量[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010,26(S2):43-47.

[4] 張晗,孫江宏,王成,等.單穗玉米水分、質(zhì)量連續(xù)測量及封裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2016,38(6):181-184.

[5] 王傳宇,郭新宇,吳升,等.采用全景技術(shù)的機(jī)器視覺測量玉米果穗考種指標(biāo)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013,29(24):155-162.

[6] 周金輝,馬欽,朱德海,等.基于計(jì)算機(jī)視覺的玉米穗粒重?zé)o損測量方法[J].農(nóng)機(jī)化研究,2015,37(12):222-226.

[7] 曹婧華,冉彥中,郭金城.玉米考種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 長春師范學(xué)院學(xué)報(bào),2011(8):38-41.Abstract ID:1003-188X(2017)02-0196-EA

The Control System Design of Automatic Pipeline for Maize Variety Test—Based on MCGS Configuration Software

Wang Hongji1,2, Luo Xiaolin2, Song Peng1,3, Wang Cheng1,3,4, Chen Quan1,3, Zhang Han1

(1.Beijing Agricultural Information Technology Research Center，Beijing 100094, China; 2.School of Kunming University of Science and Technology，Kunming 650504, China; 3.Beijing Research Center for Intelligent Agricultural Equipment，Beijing 100094, China;4.National Engineering Research Center for Information Technology in Agriculture，Beijing 100094, China)

Aiming at the situation of onefold research object and the low test efficiency in maize variety test, a control system of automatic pipeline for maize variety test based on MCGS configuration software was designed in this paper. The system is controlled by MCGS configuration software and FT-RS-0808 relay control module. The data is transmitted via RS485 serial port communication. Loop control strategy program is writed by using the MCGS configuration software. According to real-time detection of the sensor signals in the automatic pipelining for maize analysis, the control system can control the equipments operation to collect the characters data of maize ear and corn seeds. The experimental results show that the measurement speed is up to 5 to 6 per minute.

maize variety test; MCGS configuration software; control system; automatic pipeline

2016-02-29

北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目(D151100004215002)；中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2015M581019)

王洪稷(1990-)，男，黑龍江齊齊哈爾人，碩士研究生，(E-mail) wanghongji5657@163.com。

宋 鵬(1986-)，男，湖北黃岡人，博士，(E-mail)songp@nercita.org.cn。

S223.1

A

1003-188X(2017)02-0196-04