韓長杰，劉 云，郭 輝，周艷生，夏廣寶

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機械交通學(xué)院，烏魯木齊 830052)

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自動移栽機檢測系統(tǒng)的設(shè)計

韓長杰，劉 云，郭 輝，周艷生，夏廣寶

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機械交通學(xué)院，烏魯木齊 830052)

針對自動移栽機存在工作狀態(tài)難以了解，且出現(xiàn)故障時，難以準(zhǔn)確找到故障點的問題，設(shè)計了一種基于PLC和觸摸屏的檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以PLC為主控制器，傳感器采集自動移栽機的機械手、柔性輸送苗筒、吊籃的取苗及喂苗狀態(tài)等信息，通過PLC集成與處理。采用觸摸屏作為人機交互界面,將采集的自動移栽機的栽植信息、報警信息、故障位置及自動移栽機上各運動部件的運動狀態(tài)等顯示。試驗表明：該系統(tǒng)能夠?qū)⒆詣右圃詸C的工作狀態(tài)在觸摸屏上顯示，對于移栽過程中出現(xiàn)的問題能夠及時通知操作人員，滿足了操作者對所要了解信息的需求。

自動移栽機；檢測；PLC；觸摸屏

0 引言

國外許多農(nóng)業(yè)機械(如噴藥機、播種機、施肥機等)都裝有智能化的檢測系統(tǒng)，極大地提高了機械自動化、智能化的水平，滿足了操作者對信息了解的需求。國內(nèi)也有部分農(nóng)業(yè)機械開始使用具有自動化裝備的檢測系統(tǒng)，如小麥聯(lián)合收割機，方便操作者了解機械的工作狀態(tài)。

目前，移栽機多為非自走形式，還沒有將信息進行檢測與顯示的裝置，因此作業(yè)時，駕駛員無法了解移栽機的工作情況。為了能夠獲知移栽機的工作狀態(tài)，需要對移栽機的實時狀態(tài)信息進行檢測，借助觸摸屏將移栽機的動作狀態(tài)信息進行顯示，從而直觀地了解到移栽機的實時工作狀態(tài)，并將取苗、輸苗數(shù)量等信息統(tǒng)計后顯示出來。當(dāng)移栽機發(fā)生故障時，對應(yīng)的報警器發(fā)生報警，在觸摸屏上顯示故障位置點，便于操作人員排除故障，降低排障難度。

1 技術(shù)原理

該設(shè)計是在韓長杰等人設(shè)計的吊籃式自動移栽機的基礎(chǔ)上加裝的檢測系統(tǒng)。其中，氣缸上的磁性開關(guān)檢測部件的動作狀態(tài)；機械手放苗位置后下方的穴盤苗檢測傳感器，用于機械手取苗檢測；柔性輸送苗筒導(dǎo)苗筒側(cè)壁的穴盤苗檢測傳感器，用于喂苗檢測；在鎮(zhèn)壓輪支撐架上的栽苗檢測傳感器，用于栽苗檢測；PLC將傳感器采集的移栽機工作狀態(tài)信息集成處理，最終在觸摸屏上顯示。圖1為檢測原件分布圖。

1.磁性開關(guān)傳感器 2.機械手取苗檢測傳感器

1)穴盤苗的檢測與統(tǒng)計。該系統(tǒng)使用漫反射式光電開關(guān)傳感器,對移栽機的機械手、柔性輸送苗筒等部件的穴盤苗進行檢測，經(jīng)PLC集成、處理后顯示，操作人員可以通過觸摸屏了解到各部件穴盤苗的喂取情況、作業(yè)量及行進速度等信息。該系統(tǒng)還支持?jǐn)?shù)據(jù)的存儲，存儲移栽機有用的信息。

2)動作狀態(tài)檢測。該系統(tǒng)通過磁性開關(guān)傳感器來采集移栽機運動部件的動作信息，對移栽機運動部件的工作狀態(tài)采用動畫形式在觸摸屏上顯示，操作人員可以隨時了解到各部件的動作狀態(tài)。

3)報警與故障診斷。判斷移栽機在田間作業(yè)期間是否發(fā)生漏苗嚴(yán)重等問題，當(dāng)出現(xiàn)異常時在觸摸屏上顯示故障點，通過聲光報警器發(fā)出報警信號，提醒操作人員及時處理。

2 系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計

移栽機檢測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。系統(tǒng)采用PLC 作為控制器和觸摸屏作為顯示裝置，傳感器采用漫反射式光電開關(guān)、電感式接近開關(guān)及磁性開關(guān)等，主要用來采集機械手、柔性輸送苗筒的穴盤苗取喂數(shù)量信息，以及各部件的位置信息和報警信息，PLC和觸摸屏之間連接通信。移栽機狀態(tài)信息通過PLC轉(zhuǎn)換與傳遞，處理后的信息傳到觸摸屏上實現(xiàn)動畫顯示、數(shù)據(jù)報表及實時報警等功能。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 功能模塊

1)信息采集模塊。采用漫反射式光電開關(guān)、電感式接近開關(guān)、磁性開關(guān)等傳感器，將移栽機的實時工作狀態(tài)信息進行采集。

2)控制模塊。S7-200SMART PLC(SR40) CPU支持PPI、MPI、PROFIBUS等多種通信協(xié)議，支持6路高速數(shù)字量輸入和2路數(shù)字量輸出。系統(tǒng)采用該系列PLC作為控制器，控制移栽機的動作、信息處理和系統(tǒng)通信。

3)顯示模塊。系統(tǒng)使用昆侖通態(tài)TPC7062-Hi型觸摸屏作為顯示裝置，滿足了系統(tǒng)安裝和工作環(huán)境的需求。該系統(tǒng)使用通過RS-485串口通信將TPC觸摸屏和PLC之間進行連接通信。

4)AC-DC電源轉(zhuǎn)換模塊。檢測裝置需要24V的電壓供電，PLC提供的24V輸出電壓不能滿足觸摸屏和大量傳感器的安裝，T-50D開關(guān)電源可以提供24、12、5V電壓，為系統(tǒng)提供所需要的直流電壓需求。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.2.1 PLC程序設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)有I0.0～I2.1共17個輸入和Q0.1～Q1.4共12個輸出，系統(tǒng)PLC的I/O接口配置如表1所示。I0.0接通，系統(tǒng)開機，PLC通過磁性開關(guān)判斷機械手的位置，并控制機械手的取喂苗動作，用于隨動計數(shù)的接近開關(guān)將接收到的信號傳給PLC，PLC將計數(shù)輸出以此判斷柔性輸送苗筒的接苗、轉(zhuǎn)動等動作狀態(tài)。

以上說法頗多抵牾之處。實際上，金門詔本人及友人的說法最為可信。金門詔纂修的《休寧金氏族譜》(乾隆十三年活字本)卷八自述“生康熙癸丑”，可推知其生于康熙十二年。張廷玉《休寧金氏族譜·序》言金門詔“欽點翰林，年已六十四歲”。據(jù)《鶴征后錄》載，金門詔乾隆元年欽點進士，改翰林院庶吉士，張廷玉所言當(dāng)為虛歲計。顧惇量《金東山文集·序》謂金門詔“出知壽陽歸，年八十卒”。

表1 PLC的I/O端口分配表

機械手苗爪對應(yīng)的8個光電傳感器接收到機械手取苗信號時接通，信號傳到PLC，PLC通過邏輯運算關(guān)系計算出機械手總抓苗數(shù)量后輸出。柔性輸送苗筒導(dǎo)苗筒處的紅外漫反射式光電開關(guān)接收到喂苗信號時接通，信號傳送到PLC， PLC使用內(nèi)部計數(shù)器對喂苗數(shù)量進行統(tǒng)計后輸出。當(dāng)有苗栽植成功時，栽植器上安裝的光電開關(guān)接通，信號經(jīng)PLC傳輸、轉(zhuǎn)換后輸出。同時，PLC對穴盤苗的漏取、漏喂、漏栽數(shù)量設(shè)定極限值，當(dāng)達到極限時，PLC控制報警輸出。PLC通過磁性開關(guān)來控制和判斷各部件的位置狀態(tài)并輸出。

2.2.2 系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計

觸摸屏采用MCGS(Monitor and Control Generated System，監(jiān)視與控制通用系統(tǒng))軟件進行界面設(shè)計，通過對界面的設(shè)計完成對傳輸信息的界面顯示和參數(shù)配置，將PLC收集的信號，以圖表、指示燈、動畫等組態(tài)方式將移栽機的工作狀態(tài)直觀顯示，并將顯示界面設(shè)計為數(shù)據(jù)顯示界面、動作畫面和報警信息3部分。

1)數(shù)據(jù)顯示界面：對移栽機的取喂苗數(shù)量、栽植株距、工作量及工作時間等顯示。通過該界面了解移栽機的工作情況。行進速度和栽植株距是可輸入的變量，觸摸屏對數(shù)值輸入的設(shè)置可間接修改PLC內(nèi)部寄存器值，從而改變移栽機的工作信息值。

2)動畫顯示界面：用來顯示移栽機各部件實時的動作狀態(tài)，包括機械手、柔性輸送苗筒和栽植器的實時動畫，同時顯示實時的栽植狀態(tài)。PLC控制運動部件的動作，并將信息輸出，觸摸屏與PLC建立連接，PLC處理后的信息可直接在觸摸屏上顯示。

3)報警顯示界面：該界面主要由指示燈和報警條組成。當(dāng)出現(xiàn)取苗、喂苗或漏苗異常的問題時，對應(yīng)的指示燈亮，發(fā)出報警信號。操作人員可根據(jù)指示燈的提示查找故障位置。

界面設(shè)置完成后需要對界面中的內(nèi)容設(shè)置變量連接，在設(shè)備通道增加變量，且地址與PLC地址對應(yīng)，觸摸屏和PLC通過RS485串行通信，將外部信息通過PLC處理，在觸摸屏上顯示。組態(tài)軟件中設(shè)備通道的變量設(shè)置將觸摸屏組態(tài)功能與PLC中的存儲單元、I/O接點之間建立對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)觸摸屏對PLC參數(shù)的輸入、當(dāng)前值及故障點的顯示。

3 試驗

3.1 試驗條件

為了驗證該系統(tǒng)的可靠性，于2016年3月20日在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機械實驗室進行驗證試驗。試驗設(shè)備有穴盤苗移栽的取喂試驗裝置樣機1臺；空氣壓縮機1臺；24V供電電源；VFD0-15M43B型變頻器；直尺(精度為0.1mm)；游標(biāo)卡尺(精度為0.02mm)；苗齡為61天，真葉為6片，苗高在149.6～179.7mm之間的“早熟一號”辣椒穴盤苗。

3.2 試驗方法

將設(shè)計好的程序和組態(tài)界面分別導(dǎo)入到PLC和觸摸屏，安裝好傳感器，按照接線標(biāo)準(zhǔn)和I/O端口分配設(shè)置接線，以田間作業(yè)行駛速度1.2km/h的標(biāo)準(zhǔn)，將樣機置于運行狀態(tài)，供電后系統(tǒng)開機。觀察各部件的實際運行狀態(tài)與觸摸屏上顯示的運行狀態(tài)是否一致；當(dāng)出現(xiàn)栽苗異常時是否能夠及時通知報警；測定顯示準(zhǔn)確率，包括對機械手取苗數(shù)顯示檢測和柔性輸送苗筒喂苗數(shù)顯示檢測兩種，且分別用5組數(shù)據(jù)說明，結(jié)果如表2、表3所示。

表2 機械手取苗數(shù)顯示檢測

表3 柔性輸送苗筒喂苗數(shù)顯示檢測

3.3 結(jié)果與分析

在試驗過程中，通過觀察和檢測可知：樣機各部件的運行狀態(tài)和觸摸屏顯示的運行狀態(tài)一致；機械手取苗數(shù)顯示檢測的準(zhǔn)確率為99.2%，柔性輸送苗筒喂苗數(shù)顯示檢測準(zhǔn)確率為99.6%；當(dāng)傳感器檢測到有苗栽植的信號時，在觸摸屏上指示燈閃爍顯示；當(dāng)氣缸氣壓不足0.6MPa時，報警提示氣壓不足；當(dāng)檢測到機械手單個苗爪連續(xù)漏取苗數(shù)達到10株時，顯示機械手取苗異常報警；當(dāng)檢測到柔性輸送苗筒連續(xù)漏喂苗數(shù)達到20株時，顯示柔性輸送苗筒喂苗異常報警；當(dāng)檢測到連續(xù)未栽苗數(shù)達到20株時，顯示栽苗異常報警，報警信息同時在歷史報警表格中記錄。圖3為試驗驗證圖，圖4為試驗中的實時報警顯示界面。

4 結(jié)論

試驗表明：該設(shè)計基本達到了預(yù)期的要求，滿足了操作者對所需信息了解的需求。在移栽機上安裝檢測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r采集、顯示移栽機的工作狀態(tài)信息。其人性化的人機界面設(shè)計，方便了操作人員實時了解移栽機的工作狀態(tài)，提高了移栽機的智能化及自動化水平。

圖3 試驗驗證

圖4 試驗中的實時報警顯示

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Design of Detecting System for Automatic Transplanter

Han Changjie, Liu Yun, Guo Hui, Zhou Yansheng, Xia Guangbao

The detecting system was designed, PLC and touch screen were used in the system. It is easy to know the real-time working status of automatic transplanter, and when the malfunctions happened we can find location of the fault quickly. PLC is the controller in the system. Sensors were contacted to PLC which used to collect the key parts position of automatic transplanting, such as manipulator, nycelles and following seedling-cylinders, TPC7062-Hi is one type of human machine Interaction (HMI), it is used to display planting information, alarm signal, fault location and automatic transpalnter working state. According to the tests, the system can be working stabilized, all the detected information of automatic transplanting showed on the touch screen, and give operators warning at the right time, so the operators are easy to got automatic transpalnter working information.

automatic transplanter; detection; PLC; touch screen

2016-05-28

國家自然科學(xué)基金項目(50905153；51565059)

韓長杰(1980-)，男，河南遂平人，副教授，博士，(E-mail)hcj_627@163.com。

S223.9；S24

A

1003-188X(2017)07-0058-04