牛萌

曹妃甸職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河北省唐山市 063200

科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，帶動(dòng)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的不斷更新，使得現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的機(jī)械化水平大幅度提高。特別是電氣自動(dòng)化、人工智能等技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中的有效應(yīng)用，使得具有自主作業(yè)能力的機(jī)械成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的主要力量，采摘機(jī)器人就是其中之一。但是，自動(dòng)化控制系統(tǒng)具有一定的局限性，而受到這種局限性的影響，傳統(tǒng)采摘機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用效果并不理想，主要表現(xiàn)為采摘效率較和智能代水平較低?；谶@一問(wèn)題，隨著PLC 控制系統(tǒng)的不斷成熟和完善，其實(shí)踐應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛，將PLC 控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)采摘機(jī)器人進(jìn)行有機(jī)融合，能夠有效提高采摘機(jī)械手的電氣自動(dòng)化技術(shù)水平，從而使采摘機(jī)器人的作業(yè)效率以及智能化、自動(dòng)化控制水平，都得到大幅度提升，對(duì)推動(dòng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的機(jī)械化發(fā)展，發(fā)揮了不可替代的重要作用。

1 PLC 控制系統(tǒng)概述

PLC 控制系統(tǒng)是以傳統(tǒng)順序控制器作為基礎(chǔ)，同時(shí)將微電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制以及通訊等先進(jìn)技術(shù)融入其中，從而形成了新型工業(yè)控制裝置，這就是PLC 控制系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，PLC 控制系統(tǒng)具有很多優(yōu)勢(shì)，如通用性強(qiáng)、適用范圍廣、操作方便、編程簡(jiǎn)單、性能可靠，而且還具有非常強(qiáng)的抗干擾能力。除此之外，PLC 的處理能力是非常強(qiáng)大的，將其應(yīng)用于采摘機(jī)械手之中，能夠有效實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)械手的自動(dòng)化控制，從而有效完成各種采摘作業(yè)任務(wù)，使采摘機(jī)器人的整體運(yùn)行效率，得到明顯提升。

2 基于PLC 的采摘機(jī)械手測(cè)控平臺(tái)概述

機(jī)械手是采摘機(jī)械器的重要組成部分，也是完成采摘工作的關(guān)鍵部件。因此，采摘機(jī)械手提自動(dòng)化和智能化水平，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的采摘活動(dòng)效率具有直接的影響，主要表現(xiàn)為采摘效率和質(zhì)量水平的高低。在實(shí)際開(kāi)展采摘活動(dòng)時(shí)，要求采摘機(jī)械手必須具有良好的性能，包括行動(dòng)迅速、靈活，而且對(duì)采摘的精確度要求較高，必須準(zhǔn)確可靠，只有這樣才能夠有效完成采摘任務(wù)，高質(zhì)量、高水平地完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)。而要達(dá)到這一目標(biāo)，就需要在采摘機(jī)械手中應(yīng)用電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)，有效提高對(duì)采摘機(jī)械手的控制水平，實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化控制，顯著提高控制精確度，優(yōu)化采摘機(jī)械手的整體性能質(zhì)量。

基于PLC 的電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)，具有能夠預(yù)定任務(wù)并根據(jù)預(yù)定條件完成任務(wù)的優(yōu)勢(shì)性能。其具體做法是，提前根據(jù)需要完成的任務(wù)進(jìn)行編程，設(shè)定好采摘作業(yè)任務(wù)要求，然后基于PLC 的電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)就會(huì)依照程序設(shè)定運(yùn)行，有效控制采摘機(jī)械手完成預(yù)定任務(wù)，保證采摘質(zhì)量和效率。

PLC 測(cè)控平臺(tái)是采摘機(jī)械手的重要組成部分，同時(shí)也是確保PLC 電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的關(guān)鍵零部件。在上位機(jī)以及信號(hào)采集過(guò)程中，PLC 測(cè)控平臺(tái)承擔(dān)著重要的樞紐作用，能夠?qū)鞲衅鞑杉男畔?，通過(guò)PLC 進(jìn)行放大、整形和比較，然后和A/D 轉(zhuǎn)換，進(jìn)而獲得準(zhǔn)確的采集位置信息，并與程序設(shè)定的信息進(jìn)行對(duì)林，從而準(zhǔn)確判斷機(jī)械手示端與待采摘作物之間的距離，最后根據(jù)得到的準(zhǔn)確信息，再驅(qū)動(dòng)電液比例方向閥，準(zhǔn)確控制采摘機(jī)械手，移動(dòng)到待采摘的作果所在位置，順利進(jìn)行采摘作業(yè)，完成采摘任務(wù)。

注意，在進(jìn)行采摘機(jī)械手設(shè)計(jì)工作中，可以根據(jù)采摘作業(yè)的實(shí)際需求，對(duì)外圍接口數(shù)量可以進(jìn)行合理調(diào)整，必要時(shí)可開(kāi)發(fā)更多的外圍接口。對(duì)于自動(dòng)化控制的方式，可采用電機(jī)控制中的增量式PI 控制方式，從而有效提高控制精確度，使控制誤差得到有效降低。

3 采摘機(jī)械手電氣自動(dòng)化控制軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采摘機(jī)械手自動(dòng)化控制的有效實(shí)現(xiàn)，是以計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)作為基礎(chǔ)的。因此，對(duì)于采摘機(jī)械手電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，是最為關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，也是決定采摘機(jī)械手智能化水平以及實(shí)際應(yīng)用效果的關(guān)鍵部分。所以，為了有效優(yōu)化采摘機(jī)械手的智能化、自動(dòng)化控制水平，提高采摘機(jī)器人的整體性能，必須對(duì)相關(guān)軟件系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)。以PLC 電液控制系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，充分利用傳感器實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)功能，確保采摘機(jī)械手在作業(yè)過(guò)程中，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)采摘區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以確?？刂葡到y(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)獲得采摘機(jī)械手位置、待采果實(shí)位置以及兩者之間的距離等相關(guān)信息，進(jìn)而對(duì)采摘機(jī)械手進(jìn)行精準(zhǔn)控制，有效保證采摘作業(yè)質(zhì)量。

采摘機(jī)器人的電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以分為五個(gè)部分，分別是傳感器組件、PLC 測(cè)控平臺(tái)、比例控制放大器、電液比例方向閥以及機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)。采摘機(jī)械手在進(jìn)行作業(yè)時(shí)，需要由傳感器進(jìn)行信息采集，然后將采集到的信息傳送到PLC 測(cè)控平臺(tái)中。PLC 測(cè)控平臺(tái)會(huì)對(duì)信息進(jìn)行處理，然后根據(jù)處理結(jié)合，再將控制信號(hào)發(fā)送至比例控制放大器中，根據(jù)控制信號(hào)的要求，對(duì)電液比例方向閥實(shí)施控制，從而通過(guò)聯(lián)動(dòng)作用使采摘機(jī)械手的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)控制信號(hào)的要求，執(zhí)行采摘作業(yè)。

在對(duì)采摘機(jī)械手電氣自動(dòng)化控制軟件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須明確控制的主要流程。在對(duì)采摘機(jī)械手進(jìn)行自動(dòng)化控制的過(guò)程中，主要流程如下：

首先，需要對(duì)采摘機(jī)器人及機(jī)械手的實(shí)如位置信息進(jìn)行輸入。其次，對(duì)于待作業(yè)區(qū)域以及待采摘的目標(biāo)，使用傳感器對(duì)其進(jìn)行信息采集，確定采摘機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)與待采目標(biāo)的距離。然后通過(guò)對(duì)比分析，對(duì)采摘機(jī)械手的位置進(jìn)行調(diào)整。最后，需要利用PID 控制程序，對(duì)子程序進(jìn)行控制，從而使比例閥能夠按照相關(guān)要求作出相應(yīng)的動(dòng)作，完成采摘任務(wù)。

注意，在使用電氣自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)采摘機(jī)械手進(jìn)行控制時(shí)，應(yīng)采用PID 算法中的PI 控制方式，對(duì)電機(jī)實(shí)施控制，從而確連控制的連續(xù)性。除此之外，在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)應(yīng)用增量式PI 控制，還能夠有效避免誤差累加現(xiàn)象的發(fā)生。這是因?yàn)樵隽渴娇刂婆c3次數(shù)據(jù)相關(guān)，能夠?qū)嵤┘訖?quán)處理，多而有效消除誤差造成的不良影響。因此，和其他控制方式相比，增量式PI 控制更適合采摘機(jī)械手的電要控制要求，對(duì)優(yōu)化采摘機(jī)械手的整體性能，具有積極的作用。

在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)用增量式PI 控制算法，需要對(duì)比例增益情況進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，還要計(jì)算出積分時(shí)間這一數(shù)據(jù)，然后設(shè)計(jì)允許的誤差范圍，利用相關(guān)計(jì)算公式進(jìn)行一系列計(jì)算工作，能夠準(zhǔn)確得到增量控制數(shù)值，從而為優(yōu)化采摘機(jī)械手的自動(dòng)化控制精確度水平，提供可靠的參數(shù)依據(jù)。

4 基于PLC 的采摘機(jī)械手控制系統(tǒng)研究

采摘機(jī)器人對(duì)采摘目標(biāo)具有自主識(shí)別功能，能夠有作業(yè)過(guò)程中自主識(shí)別作物果實(shí)。識(shí)別之后，通過(guò)控制系統(tǒng)傳達(dá)命令，準(zhǔn)確地將采摘機(jī)器人移動(dòng)到作業(yè)區(qū)域，并由采摘機(jī)械手執(zhí)行采摘命令，對(duì)果實(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，再固定機(jī)械手位置，然后由采摘機(jī)械手的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)完成采摘任務(wù)。在這過(guò)程中，控制系統(tǒng)的精度水平，會(huì)對(duì)采摘作業(yè)的結(jié)果產(chǎn)生直接影響。如果控制系統(tǒng)的精度水平較低，就會(huì)導(dǎo)致較高的果實(shí)漏采率以及破損率，不僅無(wú)法有效完成采摘任務(wù)，還會(huì)對(duì)果實(shí)造成不必要的損害，影響果實(shí)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，將PLC與PID控制系統(tǒng)與采摘機(jī)械手進(jìn)行有機(jī)融合，能夠全面優(yōu)化采摘機(jī)械手的電氣自動(dòng)化控制水平，使其控制精度大幅度提高，從而有效提高采摘效率和采摘質(zhì)真，真正實(shí)現(xiàn)提高生產(chǎn)效率的目的，既減輕了農(nóng)民的工作量，同時(shí)也能夠提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

所以，對(duì)基于PLC 的采摘機(jī)械手控制系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，是我國(guó)進(jìn)行現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)建設(shè)工作不可或缺的一項(xiàng)重要工作。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于采摘機(jī)械手電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其控制內(nèi)容主要分為輸入量和輸出量?jī)蓚€(gè)部分，而這兩部分，都可以利用PLC 程序?qū)ζ鋵?shí)施自動(dòng)化控制。而且，為了更好地應(yīng)用PLC 程序，使采摘機(jī)械手的電氣自動(dòng)化控制性能水平得到顯著提升，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中發(fā)揮出更高水平的應(yīng)用價(jià)值，還可以設(shè)計(jì)可視化界面窗口，使用MCGS 軟件中的近制器件庫(kù)、圖形控件等功能，對(duì)采摘機(jī)械手的電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行有效完善，使其不僅能夠?qū)Σ烧獧C(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高精度控制，還能夠建立狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采摘機(jī)械手系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、當(dāng)前值顯示以及故障報(bào)警等功能。除此之外，還可以建立對(duì)采摘機(jī)械手的遠(yuǎn)程控制功能，實(shí)施遠(yuǎn)程強(qiáng)制干預(yù)，在遇到突發(fā)情況時(shí)，確保采摘機(jī)械手能夠具有較好的急停功能。特別是在漏采或破損率較高時(shí)，能夠及時(shí)發(fā)出警報(bào)，這對(duì)保證采摘質(zhì)量，具有至關(guān)重要的影響。

通過(guò)實(shí)踐測(cè)試證明，基于PLC 的采摘機(jī)械手，其電氣自動(dòng)化控制水平大幅度提高。在采摘作業(yè)過(guò)程中，破損及漏采率非常低，控制精度高，能夠充分滿足采摘機(jī)械人的設(shè)計(jì)以及實(shí)踐作業(yè)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為了加強(qiáng)我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平，需要對(duì)采摘機(jī)械手電氣自動(dòng)化技術(shù)不斷進(jìn)行深入研究，通過(guò)更新技術(shù)，特別是將PLC 控制系統(tǒng)與采摘機(jī)械手電氣自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，能夠用提高采摘機(jī)械手的智能化和自動(dòng)化水平，使采摘機(jī)械手的控制精度得到大幅度提高，從而進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的機(jī)械化生產(chǎn)水平和生產(chǎn)質(zhì)量。