伯艷廣

(赤峰工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024005)

?

基于PLC的穴盤苗移栽自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

伯艷廣

(赤峰工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024005)

移栽技術(shù)可以促使蔬菜再生新根，提高產(chǎn)量和品質(zhì)及土地利用率，在清除雜草、苗期澆水施肥和病蟲(chóng)防治方面也有著重要的作用。育苗移栽工作量大，效率低，增加了種植戶的成本，也影響植株的生長(zhǎng)發(fā)育，在移栽育苗中引入采用PLC系統(tǒng)的自動(dòng)穴盤苗移栽技術(shù)，則可以克服這些缺點(diǎn)。為此，基于PLC技術(shù)設(shè)計(jì)了穴盤移栽控制系統(tǒng)。移栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：該系統(tǒng)協(xié)調(diào)性好，可以進(jìn)行自動(dòng)取苗和送苗，取苗成功率98.2%，植苗成功率98.8%，移栽時(shí)間短，能夠達(dá)到育苗移栽的標(biāo)準(zhǔn)。

穴盤苗；自動(dòng)移栽技術(shù)；機(jī)械手；PLC

0 引言

目前，傳統(tǒng)的播種方法已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足蔬菜產(chǎn)量的需要和種植要求，而移栽能夠避開(kāi)幼苗的冷凍、干燥時(shí)期，可對(duì)氣候進(jìn)行補(bǔ)償，提早農(nóng)作物成熟時(shí)間及增加產(chǎn)量，在提高種植戶的收益和產(chǎn)量方面有著非常重要的意義[1-3]。穴盤育苗技術(shù)在20世紀(jì)就已經(jīng)大面積地運(yùn)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，能夠節(jié)約土地，且沒(méi)有緩苗期，幼苗易于成活，有益于工業(yè)化農(nóng)業(yè)的發(fā)展。因此，集中育苗和規(guī)?；a(chǎn)使穴盤育苗代替?zhèn)鹘y(tǒng)育苗方式，育苗商品化已形成趨勢(shì)[4-5]。目前，大多采用的育苗種植移栽方法以人工方式為主，存在耗時(shí)長(zhǎng)、勞動(dòng)力多、效率低等缺點(diǎn)。自動(dòng)育苗移栽機(jī)的運(yùn)用提高了幼苗移栽效率，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的有效方法。移栽機(jī)可分為半自動(dòng)和全自動(dòng)兩種，半自動(dòng)穴盤苗移栽機(jī)[6-7]準(zhǔn)確性比較低，需要人工補(bǔ)苗，所需人力多且工作量大，且容易出現(xiàn)安全問(wèn)題。因此，全自動(dòng)穴盤苗移栽機(jī)的研發(fā)可提高穴盤苗移栽的工作效率，進(jìn)一步提升蔬菜生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。在20世紀(jì)末，K.C.Ting[8]等人設(shè)計(jì)了一款安裝機(jī)械手的育苗移栽機(jī)器人，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)：該設(shè)計(jì)移栽1棵苗耗時(shí)僅為2.6～3.25s，移栽的正確率在50%～95%。K.H.Ryu 等人借助笛卡爾坐標(biāo)系研究改進(jìn)了移栽機(jī)，由氣缸、卡盤和夾指組成，很大程度上提高了育苗移栽的效率和正確率[9]。目前，國(guó)內(nèi)使用的穴盤苗移栽機(jī)大部分是半自動(dòng)的，發(fā)展比較成熟，但從穴盤中取苗分苗需要人工輔助，重要使成本增加。研究基于PLC系統(tǒng)的穴盤苗移栽技術(shù)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中采用了PLC控制系統(tǒng)(Programmable Logic Controller)，可存儲(chǔ)指令程序，并執(zhí)行指令控制機(jī)械或生產(chǎn)操作[10]。

1 實(shí)驗(yàn)研究設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原理

基于PLC系統(tǒng)的穴盤苗移栽技術(shù)自動(dòng)化控制系統(tǒng)由取苗機(jī)構(gòu)、送苗機(jī)構(gòu)、植苗器和PLC控制系統(tǒng)組成，在PLC控制系統(tǒng)中輸入取苗、送苗、植苗的指令并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，然后通過(guò)PLC系統(tǒng)發(fā)布指令，機(jī)械手執(zhí)行取苗、送苗、植苗任務(wù)，完成任務(wù)后系統(tǒng)自動(dòng)刷新，重復(fù)整個(gè)過(guò)程。

1.2 總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用PLC系統(tǒng)控制整個(gè)移栽過(guò)程，PLC經(jīng)過(guò)數(shù)字運(yùn)算,將存儲(chǔ)的指令通過(guò)數(shù)字式輸出，控制機(jī)械或生產(chǎn)操作。PLC控制系統(tǒng)具有可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此機(jī)械控制中越來(lái)越多采用PLC來(lái)控制。工作時(shí)，PLC控制的穴盤苗移栽機(jī)由攝像頭采集確認(rèn)位置信息，輸送至PLC系統(tǒng)，經(jīng)PLC系統(tǒng)控制操作, 完成從穴盤苗中取苗、送苗和植苗的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)穴盤苗的全自動(dòng)移栽。

穴盤苗移栽中取苗、送苗步驟是移栽機(jī)成功與否的關(guān)鍵，是與半自動(dòng)移栽機(jī)區(qū)分的決定性因素。本文采用插入式取苗，是將取苗針插入并夾住苗體，然后將苗體從穴盤取出；根據(jù)事先計(jì)算出的運(yùn)動(dòng)軌跡，移動(dòng)夾持苗體的機(jī)械手，由定位裝置確定正確位置，送苗任務(wù)完成。植苗任務(wù)采用植苗器完成，將苗體定位送至植苗器中，完成整個(gè)移栽穴盤苗任務(wù)。

2 機(jī)構(gòu)組成和取送苗定位控制

2.1 機(jī)構(gòu)組成

穴盤苗移栽機(jī)主要由取苗裝置、送苗裝置、定位裝置、移栽裝置及PLC系統(tǒng)組成。PLC系統(tǒng)中輸入指令包括機(jī)械手的取苗力度、上升、下降、移動(dòng)，以及氣缸的控制指令等。取、送苗機(jī)構(gòu)主要由行星輪系驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)、凸輪、夾持取苗臂機(jī)構(gòu)，以及柔性鏈輸送曲線滑道組成。植苗機(jī)構(gòu)采用與連桿綁定的植苗器。

2.2 取送、苗定位控制

取送苗定位主要由攝像頭和PLC系統(tǒng)組成。工作時(shí)，通過(guò)攝像頭采集圖像，識(shí)別位置，向PLC輸送位置坐標(biāo)；PLC系統(tǒng)發(fā)出指令，進(jìn)行取苗和送苗，控制機(jī)械手在正確的位置完成任務(wù)。定位工作的進(jìn)行可以借助攝像頭和圖形處理技術(shù)來(lái)完成，保證了取苗送苗的準(zhǔn)確性。

3 試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)條件

穴盤苗移栽試驗(yàn)采用“農(nóng)博粉霸15號(hào)”番茄苗，培育在10×12規(guī)格的60穴的穴盤中，穴口大小為26 mm×26mm，穴底尺寸為10mm×10 mm，穴深為45 mm，育苗移栽期為45天，育苗基質(zhì)含水率35%左右。試驗(yàn)時(shí)，測(cè)得番茄苗平均高度為125.5 mm，隨機(jī)選取5盤番茄苗進(jìn)行移栽試驗(yàn)，并測(cè)定該裝置的移栽時(shí)間、取苗成功率及送苗成功率。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果及分析

為了檢測(cè)采用基于PLC系統(tǒng)的穴盤苗移栽技術(shù)自動(dòng)化控制與系統(tǒng)的有效性，以“農(nóng)博粉霸15號(hào)”番茄苗進(jìn)行移栽，隨機(jī)取5盤番茄苗，在每盤番茄苗中隨機(jī)移栽30顆幼苗，共150顆番茄苗，獲取每盤苗整個(gè)移栽過(guò)程的移栽時(shí)間、每盤取苗成功率及送苗成功率，以檢測(cè)幼苗損傷率、成活率，確定移栽的有效性。檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表1～表3所示。

表1 整個(gè)移栽過(guò)程時(shí)間

表2 取苗送苗成功率 %

表3 幼苗成活率檢測(cè) %

由檢測(cè)結(jié)果可知：采用基于PLC系統(tǒng)的穴盤苗移栽技術(shù)自動(dòng)化控制的移栽機(jī)，移栽時(shí)間可以達(dá)到31顆/min，取苗成功率位98.2%，送苗成功率位98.8%，取苗送苗操作程序均達(dá)到要求。

4 結(jié)論

基于PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)了穴盤苗移栽自動(dòng)控制系統(tǒng)。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明：采用PLC系統(tǒng)控制的自動(dòng)移栽機(jī)移栽番茄苗，在苗期45天時(shí)移苗，移苗時(shí)間在1.9s/株左右，取苗成功率位98.2%，送苗成功率位98.8%，完全可以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求。

試驗(yàn)證明：基于PLC系統(tǒng)的穴盤苗移栽系統(tǒng)能夠提高生產(chǎn)效率，減少種植戶的成本投入，在連片種植中有非常大的應(yīng)用價(jià)值。

[1] 陳達(dá)，周麗萍，楊學(xué)軍.移栽機(jī)自動(dòng)分缽式栽植器機(jī)構(gòu)分析與運(yùn)動(dòng)仿真[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42(8)：54-57．

[2] 陳風(fēng)，陳永成，王維新．旱地移栽機(jī)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2005(3)：24-26．

[3] 劉效亮,李其昀.育苗移栽機(jī)械化發(fā)展方向[J]．山東理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2003，17(3)：108-110.

[4] 毛樹(shù)春,韓迎春,王國(guó)平,等.棉花工廠化育苗和機(jī)械化移栽技術(shù)研究進(jìn)展[J]．中國(guó)棉花，2007，34(1)：6-7．

[5] 陳振德.蔬菜穴盤育苗技術(shù)[M].青島:青島出版社，1999.

[6] 司亞平，何偉明.蔬菜穴盤育苗技術(shù)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,1999.

[7] 崔巍，方憲法，趙亮，等．齒輪．五桿取苗裝置機(jī)構(gòu)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44(8)：74-77．

[8] Visser,Anthony.Apparatus for gripping balls containing plants.United States Patent:US,5121955[P].1992-06-16.

[9] Ryu K H,Kim G Y. Development of a gripper for robotic transplanter and evaluation of its transplanting performance[J].Korean Society for Agricultural Machinery,1998,23(3):271-276.

[10] 周虹. 氣動(dòng)與PLC技術(shù)相結(jié)合在機(jī)械手設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 液壓與氣動(dòng),2004(3):38-39.

Plug Seedling Transplanting Technology and System Design Automation Control System Based on PLC

Bo Yanguang

(Chifeng College of Industrial Technology，Inner Mongolia，Chifeng 024005, China)

Transplanting technology can promote the regeneration of new roots, improve the yield and quality of vegetables, improve land utilization, most vegetable seedling growth slow, seedling age longer available up to 2 months old. Transplanting technique in removing weeds and watering seedling fertilization, pest control and also has an important significance. Seedling transplanting heavy workload, low efficiency, increases the cost of farmers, will also affect the growth of plants, the introduction of an automatic system using PLC technology in Plug Seedling transplanting transplanting seedlings, we can overcome these drawbacks, PLC three step system: input, issue commands and refresh procedures, repeated transplanting work can be fully utilized. The technology is also due to take the vaccine, vaccine delivery accuracy been widely used. PLC systems using automatic control system Plug Seedling Transplanting Transplant experiment found that: the system of coordination, and can automatically take and send Miao Miao Miao take the success rate of 98.2%, 98.8% success rate of planting, transplanting less time to reach the standard seedling transplanting.

plug seedlings; automatic transfer of technology; manipulator; PLC system

2016-06-07

內(nèi)蒙古自治區(qū)科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2014GNC110026)

伯艷廣(1966-)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，高級(jí)講師，(E-mail)boyanguang0602@163.com。

S223.91+1;S24

A

1003-188X(2017)08-0234-03