田 磊，邢鵬康，張 莉

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473000;2.武漢晴川學(xué)院，武漢 430064)

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基于PLC和光電傳感控制的穴盤苗自動(dòng)移栽裝置設(shè)計(jì)

田 磊1，邢鵬康1，張 莉2

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473000;2.武漢晴川學(xué)院，武漢 430064)

移栽機(jī)械化設(shè)備作為育苗工廠化生產(chǎn)的重要設(shè)備，在提高育苗工作效率上有著重要意義。為了提高穴盤苗移栽的效率和自動(dòng)化程度，設(shè)計(jì)了一種基于光電傳感器和PLC編程的自動(dòng)移栽裝置，并在PLC控制器中嵌入了模糊控制算法，有效地提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和自動(dòng)化程度。該設(shè)備利用光電傳感器對(duì)穴盤特征參數(shù)進(jìn)行掃描，可以發(fā)現(xiàn)空穴盤和無(wú)穴盤的情況，并能夠?qū)ρūP苗進(jìn)行定位。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了試驗(yàn)樣機(jī)，并開(kāi)發(fā)了上位機(jī)和下位機(jī)控制平臺(tái)，利用PLC控制器和模糊控制軟件框架，實(shí)現(xiàn)了移栽設(shè)備的自動(dòng)化移栽。試驗(yàn)表明：采用模糊PLC控制器，穴盤苗準(zhǔn)確識(shí)別率和移栽成功率平均值為98.9%和99.5%，作業(yè)精度較高，可以滿足現(xiàn)代化溫室種植的需要。

光電傳感器；移栽設(shè)備；PLC控制器；模糊控制；穴盤苗

0 引言

機(jī)械化的穴盤育苗技術(shù)是采用育苗機(jī)械化方法，利用草灰、蛙石、珍珠巖等輕基質(zhì)材料作育苗基質(zhì)，一穴一粒、一次性成苗的一種現(xiàn)代化的育苗方法。該方法出苗整齊、病蟲(chóng)害少，可縮短育苗周期，提高了苗移栽的效率和自動(dòng)化程度。大部分蔬菜都是以育苗移栽的方式種植，從勞動(dòng)強(qiáng)度來(lái)看，手工移栽是僅次于收獲作業(yè)的一項(xiàng)勞動(dòng)強(qiáng)度較大的作業(yè)活動(dòng)，約占蔬菜從移栽到收獲作業(yè)20%的勞動(dòng)量。如果想擴(kuò)大溫室移栽規(guī)模，提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率，必須使用自動(dòng)化程度較高的移栽機(jī)械化設(shè)備。而基于光電傳感器和PLC控制的移栽機(jī)器人，對(duì)于提高穴盤苗移栽的作業(yè)效率和自動(dòng)化程度，真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化工廠育苗具有重要的意義。

1 蔬菜穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)

目前，自動(dòng)化作業(yè)的機(jī)器人主要分為兩種：一種是應(yīng)用于大面積作業(yè)的土地利用型機(jī)器人，即行走系列機(jī)器人；一種是應(yīng)用于溫室內(nèi)作業(yè)的機(jī)器人，即機(jī)械手系列機(jī)器人。前者的研究主要集中在自主導(dǎo)航和無(wú)人駕駛上，其側(cè)重點(diǎn)為信息的采集和處理及自動(dòng)化控制；后者主要研究目標(biāo)的自動(dòng)化識(shí)別、機(jī)械手的自主定位及機(jī)械手執(zhí)行末端的優(yōu)化。

荷蘭在進(jìn)行花卉種植時(shí)使用了大量的溫室穴盤苗機(jī)器人，圖1為荷蘭飛梭貿(mào)易與工程公司研發(fā)的自動(dòng)移栽機(jī)。該機(jī)型可以同時(shí)傳輸多盤秧苗，執(zhí)行末端的數(shù)目也可以調(diào)整，且設(shè)計(jì)了專門的視覺(jué)識(shí)別裝置，可利用CCD來(lái)識(shí)別空穴，適應(yīng)能力較強(qiáng)，可以適合不同用戶需求，具有較好的發(fā)展前景。

圖1 飛梭貿(mào)易與工程公司系列移栽機(jī)

圖2為美國(guó)RAPIDAutomated Systems公司研發(fā)的一款RTW-500S2+移栽機(jī)。該機(jī)型采用了片狀末端夾持工具，利用氣力驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)穴盤苗的夾持，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性和自動(dòng)化程度較高。

光電傳感器具有響應(yīng)快速、定位能力強(qiáng)等特點(diǎn)；而PLC具有自動(dòng)化控制功能，將其應(yīng)用在穴盤苗自動(dòng)移栽系統(tǒng)中，可有效地提高自動(dòng)移栽系統(tǒng)的作業(yè)效率和自動(dòng)化程度。本次研究設(shè)計(jì)的基于光電傳感器和PLC的穴盤苗自動(dòng)移栽系統(tǒng)主要采用PLC編程對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，控制步進(jìn)電機(jī)在三維空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)光電傳感器對(duì)穴盤位置和空穴進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)穴盤苗的自動(dòng)化移栽過(guò)程，如圖3所示。

圖2 RTW-500S2+移栽機(jī)的片狀?yuàn)A持具

圖3 基于光電傳感器和PLC的穴盤苗自動(dòng)移栽系統(tǒng)

2 步進(jìn)電機(jī)定位控制算法

在蔬菜穴盤苗自動(dòng)移栽裝置進(jìn)行自動(dòng)化移栽控制時(shí)，簡(jiǎn)單的閉環(huán)反饋系統(tǒng)不能夠完全克服栽種環(huán)境的非線性因素的影響，需要在PID控制中引入控制算法來(lái)提高系統(tǒng)的控制精度。采用模糊PID控制算法可以保證系統(tǒng)定位的準(zhǔn)確性和運(yùn)行的穩(wěn)定性，從而滿足自動(dòng)移栽機(jī)對(duì)苗盤輸送的基本要求，改善了移栽機(jī)在各種復(fù)雜環(huán)境作業(yè)時(shí)對(duì)環(huán)境干擾的克服能力。常規(guī)的PID控制算法可以表示為

(1)

圖4 模糊控制器設(shè)計(jì)原理圖

該控制器由PID控制器和模糊控制器組成，利用自動(dòng)移栽機(jī)控制系統(tǒng)的e(k)誤差和Δe(k)誤差變化率，對(duì)模糊控制規(guī)則進(jìn)行推理，對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線整定。其中，Kp、KI、KD3個(gè)參數(shù)的在線整定公式為

(2)

其中，Kp′、KI′、KD′分別表示PID控制器整定好的參數(shù)；ΔKp、ΔKI、ΔKD表示Kp、KI、KD的在線修正值。利用光電傳感器采集得到的脈沖數(shù)作為控制器的實(shí)際值r(k)，則控制位置的誤差和誤差變化率分布為

(3)

苗盤輸送位移的控制量為u(k)，輸送裝置步進(jìn)電機(jī)的模糊控制的設(shè)計(jì)框架如圖5所示。

圖5 苗盤輸送模糊PID控制系統(tǒng)框圖

控制量通過(guò)模糊PID處理后，將控制傳遞給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，然后利用調(diào)速裝置控制苗盤輸送機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。

將位置誤差和變化率作為模糊控制器的輸入，其對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言分量分別為E和EC，將ΔKp、ΔKI、ΔKD作為模糊控制器的輸出變量，其變量值設(shè)置為7個(gè)等級(jí)，分別為{負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大}，分別記為{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}。將輸入e(k)誤差和Δe(k)誤差變化率和輸出ΔKp、ΔKI、ΔKD基本論域設(shè)置為[-6000,6000]、[-3000,3000]、[-10,10]、[-5,5]、[-0.6,0.6]，將語(yǔ)言變量E和EC的論域設(shè)置為[-3,3]，輸出變量對(duì)應(yīng)[-1,1]，則e(k)、Δe(k)、ΔKp、ΔKI、ΔKD的量化因子Ke、Kec、K1、K2、K3分別為

(4)

根據(jù)以上控制規(guī)則，將論域E和EC分別映射到的Kp、KI、KD模糊關(guān)系為

(5)

其中，i和j表示E和EC模糊子集的個(gè)數(shù)。模糊推理的方法主要有Zadeh推理、Mamdani推理，本次采用Mamdani的極小推理法，根據(jù)模糊規(guī)則可以獲得模糊輸出的集合為

(6)

解模糊的方法主要有重心法、最大隸屬度法及系數(shù)加權(quán)平均法等，本次選用重心平均法，其計(jì)算公式為

(7)

其中，u(k)為模糊輸出集合對(duì)應(yīng)的隸屬度，通過(guò)U1、U2、U3可以得到Kp、KI、KD的準(zhǔn)確值，然后可以利用比例因子反推得到PID3個(gè)參數(shù)的修正值ΔKp、ΔKI、ΔKD，從而提高系統(tǒng)的控制精度。

3 穴盤苗移栽機(jī)試驗(yàn)研究

將PLC控制系統(tǒng)和光電傳感器安裝在穴盤苗移栽機(jī)上，確定移栽裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)后，便可以進(jìn)行穴盤苗的移栽試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性和可靠性，本次使用的試驗(yàn)樣機(jī)如圖6所示。

圖6 穴盤苗移栽機(jī)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

為了滿足系統(tǒng)模糊控制的要求，僅僅有硬件電路還是不夠的，必須進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。圖7為控制程序流程圖，其功能主要包括穴盤苗的定位功能、空穴的檢測(cè)和計(jì)數(shù)。

圖7 系統(tǒng)軟件流程

在無(wú)穴盤時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)退出；當(dāng)有穴盤時(shí)，光電傳感器開(kāi)始對(duì)穴盤進(jìn)行定位；當(dāng)發(fā)現(xiàn)孔穴盤時(shí)，系統(tǒng)可以返回初始狀態(tài)對(duì)穴盤進(jìn)行重新定位，并對(duì)空穴盤進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)穴盤為非空穴盤時(shí)，利用光電傳感器采集的信息對(duì)穴盤進(jìn)行定位，并利用PLC編程對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，在PLC控制時(shí)可以采用嵌入式編程方法加入模糊控制方法，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。階躍信號(hào)和擾動(dòng)信號(hào)如圖8所示。

圖8 階躍信號(hào)和擾動(dòng)信號(hào)

在進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試時(shí)，為了驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，給系統(tǒng)t=0時(shí)添加源信號(hào)后，在t=0.5時(shí)加入擾動(dòng)信號(hào)，擾動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的幅值為0.5；在t=1.0s時(shí)撤除系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)試得到了如圖9所示的PID和模糊PID控制響應(yīng)曲線。

圖9 PID和模糊PID控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線

由圖9可以看出：自適應(yīng)模糊PI控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定所用的時(shí)間約為參數(shù)固定PID控制系統(tǒng)所用時(shí)間的53.5%。其響應(yīng)速度更快，且對(duì)系統(tǒng)干擾的抑制效果較好，擾動(dòng)超調(diào)量要明顯小于PID控制，系統(tǒng)的穩(wěn)定性更好。

表1表示穴盤識(shí)別的準(zhǔn)確率和成功移栽率的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。由表1的測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)：模糊PID控制算法相對(duì)于固定PID算法具有更高的識(shí)別率，且移栽成功率明顯偏高，從而驗(yàn)證了模糊控制算法在PLC控制中優(yōu)勢(shì)，也驗(yàn)證了基于PLC和光電傳感器的自動(dòng)移栽裝置系統(tǒng)的可行性和可靠性。

表1 穴盤苗準(zhǔn)確識(shí)別率和成功移栽率測(cè)試

4 結(jié)論與討論

為了提高穴盤苗移栽設(shè)備的作業(yè)效率和自動(dòng)化程度，設(shè)計(jì)了一種基于光電傳感器和PLC編程的自動(dòng)移栽裝置，并嵌入了模糊控制器，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了驗(yàn)證自動(dòng)化移栽裝置的可行性，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)樣機(jī)，并開(kāi)發(fā)了PLC控制的上位機(jī)和下位機(jī)控制平臺(tái)及模糊控制系統(tǒng)，最后對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：模糊PID控制算法相對(duì)于固定PID算法具有更高的識(shí)別率，且移栽成功率也明顯偏高，從而驗(yàn)證了模糊控制算法在系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性。由于穴盤苗移栽作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性，在今后的進(jìn)一步研究中，還需要對(duì)設(shè)備做進(jìn)一步的改進(jìn)，優(yōu)化移栽裝置的執(zhí)行末端，使該裝置具有普遍適應(yīng)能力，以在實(shí)際自動(dòng)化育苗作業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行推廣。

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Design of Automatic Transplanting Device for Plug Seedlings Based on PLC and Photoelectric Sensing Control

Tian Lei1, Xing Pengkang1, Zhang Li2

(1.Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China;2.Wuhan Qingchuan University, Wuhan 430064,China)

As an important equipment in the production of nursery, transplanting mechanization equipment is of great significance in improving the efficiency of the work. In order to improve the tray seedling transplanting efficiency and automation, it designed a kind of automatic transplanting device based on photoelectric sensor and PLC programming, and it effectively improved the system anti-interference ability and the degree of automation in the embedded PLC controller based on fuzzy control algorithm. The device uses photoelectric sensor to scan the characteristic parameters of the hole, which can find the situation of the hole and the hole, and locate the hole plate seedling. It designed and developed the experimental prototype, the upper computer and the lower computer control platform. The PLC controller and the fuzzy control software frame were used to realize the automatic transplanting of the transplanting equipment. The experiments indicated that the accuracy of identification rate and transplanting success rate is 98.9% and 99.5%, with the average of and, which can meet the needs of modern greenhouse cultivation.

photoelectric sensor; transplanting equipment; PLC controller; fuzzy control; plug seedling

2016-05-18

河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(152102110161)

田 磊(1983-)，男，河南南陽(yáng)人，講師，碩士。

張 莉(1978-)，女，武漢人，講師，碩士，(E-mail)gqh0591@163.com。

S223.9

A

1003-188X(2017)07-0125-05