王臻卓，朱文琦，李 偉

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術學院，河南 南陽 473000；2.國家電網(wǎng)山東棲霞市供電公司，山東 棲霞 265300)

?

基于PLC的自動蔬菜穴盤缽機制缽和輸送裝置研究

王臻卓1，朱文琦1，李 偉2

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術學院，河南 南陽 473000；2.國家電網(wǎng)山東棲霞市供電公司，山東 棲霞 265300)

缽苗移栽技術是一項現(xiàn)代農業(yè)增產技術，在國內外得到了廣泛應用。在缽苗移栽作業(yè)過程中，大部分采用的是人工作業(yè)的方式，這種作業(yè)方式作業(yè)效率低，并且對苗的損害較大。為了提高缽苗移栽的自動化程度，設計了一種新的基于 PLC 的蔬菜缽苗移栽機自動制缽和輸送裝置。該裝置采用PLC控制系統(tǒng)，利用伺服電機和步進電機可以實現(xiàn)高精度秧苗的推出和準確定位，降低了秧苗的損失。利用帶傳動和齒輪傳動實現(xiàn)了轉筒和栽植器的同步。最后，在實驗大棚對穴盤缽苗自動輸送裝置的效果進行了測試，為了驗證試驗機的效果，將人工實驗結果和試驗機測試結果進行了對比。結果表明：采用基于PLC控制系統(tǒng)蔬菜穴盤缽苗機的移栽作業(yè)和人工方式相比，蔬菜苗損失率有所下降，成功投苗率提升，從而驗證了裝置的可靠性。

穴盤育苗；制缽機；輸送裝置；PLC控制系統(tǒng)

0 引言

為了提升蔬菜缽苗的移栽技術，我國從國外引進和自行研制過各種形式的蔬菜移栽機，包括鉗夾式、吊杯式及導苗管式。不同形式的移栽機各有特點，并且適應的作業(yè)環(huán)境也有所不同。為了提高移栽技術的自動化水平，我國從20世紀80年代開始研究自動化蔬菜苗移栽機，但在分缽和移栽投苗時大部分還是采用人工的作業(yè)方式，不僅費時費力，而且作業(yè)效率低，勞動強度大，秧苗的損失也較大。為了實現(xiàn)取苗、送苗和投苗的全自動化過程，需要利用控制系統(tǒng)對各個環(huán)節(jié)進行協(xié)調。目前，國內對于全自動的移栽機研究還不多，國外的全自動移栽機由于價格較高、結構復雜還沒有實現(xiàn)全面的推廣。基于PLC控制系統(tǒng)的自動穴盤缽苗移栽機不僅價格較低，而且結構簡單，可以實現(xiàn)缽苗取苗、送苗及投苗全過程自動化，對于蔬菜缽苗移栽技術的研究具有重要的現(xiàn)實意義。

1 蔬菜穴盤缽苗自動控制系統(tǒng)結構和原理

在設計蔬菜穴盤缽苗自動控制系統(tǒng)結構時，首先要考慮穴盤缽的大小和工藝流程，穴盤缽的大小首先要滿足基本的育苗要求，根據(jù)幼苗生長期所需要的營養(yǎng)，確定蔬菜穴盤缽的最小體積。根據(jù)設計經(jīng)驗，蔬菜穴盤缽的最小體積要大于20cm3，缽中的營養(yǎng)成分才能滿足幼苗的基本生產需求。穴盤制缽機的工藝流程如圖1所示。

圖1 蔬菜穴盤制缽機的工藝流程

其主要工藝流程包括營養(yǎng)缽的拌料和填料、營養(yǎng)缽成型、播種、覆土和沖出。為了設計穴盤缽苗的自動輸送裝置，首先需要了解秧缽育苗的具體流程，如圖2所示。首先是拌料和填料，在蔬菜秧缽里的土充分攪拌均勻，并將缽的入?？诠纹?；箱體內裝有攪拌叉，攪拌叉可以做連續(xù)的回轉運動，而制缽機依靠槽輪機構實行秧缽的旋轉，其機械結構如圖3所示。

圖2 秧缽育苗步驟

圖3 槽輪模盤機構

圖3中，轉盤上共有6個孔，功能分別為待填料、正式填料、秧缽成型、播種、覆土和沖出，轉盤和?？鬃鲩g歇運動。沖頭的運動形式為直線往復運動，其作用主要是在?？變葘⑼寥罃D壓成型并沖出缽體。成型沖頭往往要比沖出沖頭的行程長，其差值主要和缽體的尺寸和土壤的壓縮比例有關?；剞D機構結構示意圖如圖4所示。

圖4 回轉機構結構示意圖

在缽體的成型和沖出過程之間要有播種和覆土機構，可以參照蔬菜播種機的播種機構來設計；裝置由同步帶帶動結構轉動，將一定量的種子和土壤導入缽體，完成播種和覆土?；剞D機構通過下端回轉體進行回轉，利用上邊的凹坑來取營養(yǎng)土或者種子，凹坑的大小由土壤和種子的尺寸來調節(jié)。

圖5為蔬菜穴盤缽苗自動輸送系統(tǒng)示意圖。其中，電動機在帶傳動和齒輪傳動的作用下減速，然后在錐齒輪的作用下利用撥銷推動槽輪進行間歇轉動，使模盤也隨之轉動；滑塊在連桿的作用下做往復運動，帶動沖頭對穴盤進行沖壓，從而實現(xiàn)蔬菜穴盤缽苗的自動控制。

1.電動機 2.撥銷 3.槽輪 4.模盤 5.滑塊 6.沖頭

2 PLC控制系統(tǒng)

控制器是蔬菜穴盤缽苗自動輸送機的核心部件，其設計要求既有較高的控制精度，又有可靠性和穩(wěn)定性，以適應大面積的作業(yè)要求。為了解決這個問題，本研究采用PLC控制器，該種控制器物美價廉，并且裝有觸摸屏，可方便地進行現(xiàn)場各種穴盤缽苗參數(shù)的設定，同時對系統(tǒng)的硬件還進行了簡化。

PLC控制系統(tǒng)的硬件設計主要考慮輸入信號和輸出信號：輸入信號包括同步信號傳感器和光識別傳感器；輸出信號包括步進電機的橫縱向移動，從而可以使苗盤中的缽苗按需求取出。當遇到缺苗的情況時，PLC控制系統(tǒng)可以自動識別，并做出跳過或者報警提示。PLC和觸摸屏通過顯示器相連接，其硬件的設計框圖如圖6所示。

PLC和觸摸屏利用串口進行了連接，通過液晶顯示界面可實現(xiàn)控制的手動和自動操作切換，以及各種參數(shù)的設定，以使系統(tǒng)適應不同規(guī)格的缽苗盤。在手動操作時，可以對裝置的每一個動作單獨進行控制，從而可以作為輔助模式方便地對整個機器進行維護和調試。

圖7為軟件設計流程圖。根據(jù)蔬菜穴盤缽苗自動輸送裝置的要求和工序步驟，編制了相關的控制軟件，其編程控制的主要過程包括苗格入位、等待取苗、取苗完成、自動換位及自動換行。當全盤缽苗移動完成后，系統(tǒng)會自動發(fā)出提示，通過換新的缽苗盤，重新進行自動傳輸動作，完成輸出缽苗的自動移動。

圖6 硬件連接框圖

圖7 軟件設計流程圖

3 穴盤育苗制缽和輸送裝置實驗

為了驗證基于PLC控制系統(tǒng)的輸出穴盤育苗輸送裝置的有效性和可靠性，對裝置的作業(yè)效果進行了測試，在實驗大棚內制造了穴盤苗缽，其結構如圖8所示。

圖8 穴盤育苗缽

該苗缽共分為6行和6列，分別將蔬菜種子在苗缽內進行培育，待種子發(fā)芽長成苗時，利用自動輸送裝置進行移栽。其中，成苗后的穴盤育苗缽如圖9所示。

圖9 穴培模式下的蔬菜苗

圖9表示穴培模式下的蔬菜苗可以利用本次設計的PLC蔬菜穴盤缽苗自動輸送裝置對蔬菜苗進行自動移栽。為了驗證裝置的可靠性，采用手工移栽的方式和試驗機進行對比。手工移栽測試結果如表1所示。

表1 人工蔬菜穴盤取苗移栽實驗結果

由測試結果可以看出：采用人工穴盤缽苗移栽的蔬菜苗損失個數(shù)較大，其最大損失個數(shù)達到了68個，投苗成功的最大個數(shù)僅為1 139個。

表2為采用自動蔬菜穴盤移栽方式的測試實驗結果。由測試結果可以看出：當采用和人工方式相同的穴盤總數(shù)和取苗次數(shù)時，采用自動穴盤缽苗移栽的蔬菜苗損失個數(shù)較少，最大損失個數(shù)僅為31個；而成功投苗的個數(shù)較多，最多的成功投苗個數(shù)達到了1 236個。這說明，采用基于PLC控制系統(tǒng)的蔬菜穴盤缽苗自動裝置不僅可以有效地降低蔬菜苗的損失，而且可有效地提高投苗的成功率，從而驗證了裝置的可靠性。

表2 自動蔬菜穴盤取苗移栽實驗結果

4 結語

設計了一種基于 PLC 的蔬菜缽苗移栽機自動制缽和輸送裝置，其利用PLC對伺服電機和步進電機進行控制，實現(xiàn)了秧苗的準確推出和定位，有效地降低了秧苗的損失程度，提高了蔬菜缽苗移栽機的自動化水平。為了驗證裝置的可靠性，采用實驗樣機測試的方法對缽苗移栽效果進行了測試，并將測試結果和人工作業(yè)方式進行了對比。結果表明：該裝置可以有效地降低蔬菜苗的損失率，提高蔬菜缽苗投苗的成功率，從而驗證了裝置的可靠性。由于受時間和實驗條件的限制，僅對單一的蔬菜品種進行了測試，在今后的研究中還需要結合具體的作業(yè)環(huán)境，對不同種類的蔬菜缽苗進行大量驗證，使該種機型可以在蔬菜缽苗移栽技術中可以推廣。

[1] 韓長杰,楊宛章,張學軍,等.穴盤苗移栽機自動取喂系統(tǒng)的設計與試驗[J].農業(yè)工程學報,2013,29(8): 51-61.

[2] 金鑫,李樹君,楊學軍,等.蔬菜穴盤苗取苗機構分析與參數(shù)優(yōu)化[J].農業(yè)機械學報,2013,44(S1):1-6.

[3] 趙志國.稻板田油菜移栽機技術研究進展[J].安徽農業(yè)科學,2011,39(11):6364-6365.

[4] 張麗華,邱立春,田素博.穴盤苗自動移栽機的研究進展[J].農業(yè)科技與裝備,2009(10):28-31.

[5] 符美軍,全臘珍,熊耐新,等.棉花裸苗移栽機自動送苗機構的設計與仿真分析[J].湖南農業(yè)大學學報:自然科學版,2012,38(4):451-454.

[6] 顧文俊,曹衛(wèi)彬,李衛(wèi)敏,等.穴盤苗頂桿式取苗機構的自動化控制系統(tǒng)設計[J].農機化研究,2013，35(12): 108-111.

[7] 馮青春,王秀.穴盤缽苗智能移栽機關鍵技術研究現(xiàn)狀[J].農機化研究,2013，35(11):250-252.

[8] 劉凱,辜松.基于機器視覺的嫁接用苗識別研究[J].農機化研究,2009,31(11):46-48.

[9] 田素博,邱立春,張詩.基于PLC的穴盤苗移栽機械手控制系統(tǒng)設計[J].沈陽農業(yè)大學學報,2007,38(1): 122-124.

[10] 陳進,呂世杰,李耀明.基于PLC的聯(lián)合收獲機作業(yè)流程故障診斷方法研究[J].農業(yè)機械學報,2011,42(11): 113-116.

[11] 陳運鵬,龍慧,劉志杰.我國施肥技術與施肥機械的研究現(xiàn)狀及對策[J].農機化研究,2015，37(4):255-260.

[12] 姬江濤,鄭治華,杜蒙蒙.農業(yè)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].農機化研究,2014，36(12):1-4.

[13] 喬永亮,何東鍵,趙川源,等.基于多光譜圖像和SVM的玉米田間雜草識別[J].農機化研究,2013,35(8):30-34.

[14] 姬長英,周俊.農業(yè)機械導航技術發(fā)展分析[J].農業(yè)機械學報,2014,45(9):44-54.

[15] 孟慶寬,何潔,仇瑞承,等.基于機器視覺的自然環(huán)境下作物行識別與導航線提取[J].光學學報,2014, 34(7): 1-7.

[16] 劉金龍,鄭澤鋒,丁為民,等.對靶噴霧紅外探測器的設計與探測距離測試[J].江蘇農業(yè)科學,2013,41(7): 368-370.

[17] 高國琴,李明.基于K-means算法的溫室移動機器人導航路徑識別[J].農業(yè)工程學報,2014,30(7): 25-33.

[18] 方莉娜,楊必勝. 車載激光掃描數(shù)據(jù)的結構化道路自動提取方法[J]. 測繪報,2013,42(2):260-267.

[19] 熊愛武. 基于車載激光云點數(shù)據(jù)的道路模型重建[J].地理信息世界,2013,20(6):86-88.

[20] 魏澤鼎,賈俊國,王占永.基于視覺傳感器的棉花果實定位方法[J].農機化研究,2012,34(6):66-68.

[21] 王海青,姬長英,顧寶興,等.基于機器視覺和支持向量機的溫室黃瓜識別[J].農業(yè)機械學報,2012, 43(3):163-167.

[22] 王輝,毛文華,劉剛,等.基于視覺組合的蘋果作業(yè)機器人識別與定位[J].農業(yè)機械學報,2012,43(12):165-170.

[23] 李寒,王庫,曹倩,等.基于機器視覺的番茄多目標提取與匹配[J].農業(yè)工程學報,2012,28(5):168-172.

[24] 項榮,應義斌,蔣煥煜.田間環(huán)境下果蔬采摘快速識別與定位方法研究進展[J].農業(yè)機械學報,2013,44(11): 208-223.

[25] 付麗霞,李云樂.農業(yè)面源污染的現(xiàn)狀、問題及對策探析[J].食品安全質量檢測學報,2014,5(7):2285- 2289.

[26] 欒江,仇煥廣,井月,等.我國化肥施用量持續(xù)增長的原因分解及趨勢預測[J].自然資源學報,2013,28 (11):1869-1878.

[27] 沈德軍.農作物葉面施肥的意義、機理及技術要點[J].安徽農學通報,2012,18(12):111-112.

[28] 魚彩彥.葉面施肥技術在農業(yè)生產中的應用[J].農業(yè)與技術,2013,33(12):30.

[29] 裴文超,陳樹人,尹東富.基于DSP和單片機的實時對靶噴施除草系統(tǒng)[J].農機化研究,2012,34(1):149-153.

Research on the Making and Transporting Device of Automatic Vegetable Pot Machine Based on PLC

Wang Zhenzhuo1, Zhu Wenqi1, Li Wei2

(1.Henan Polytechnic Institute,Nanyang 473000,China;2.Qixia Power Supply Company of National Power Grid, Qixia 265300, China)

The seedling transplanting technology is a modern agricultural production technology, has been widely used at home and abroad. In the process of transplanting seedling transplanting, most of the methods used are manual work, which has low efficiency and great damage to the seedlings. In order to improve the automation degree of the pot seedling transplanting, a new type of automatic bowl and conveying device for the vegetable bowl seedling transplanting machine based on PLC was designed. The device adopts the PLC control system, the servo motor and step into motor can realize high precision seedling launched and accurate positioning, reducing the loss of rice seedlings. Using the belt drive and gear transmission to realize the synchronization of the drum and the planting device. Finally in an experimental greenhouse seedlings automatic conveying device were tested, in order to validate the experimental machine effect, the artificial experimental results and testing machine test results were compared, by the test results show that the based on PLC control system vegetable plug seedling machine transplanting operation and manual methods compared, vegetable seedling loss rate declined, dropping seedling rate increase, which verified the reliability of the device.

plug seedling; making machine; feeding device; PLC control system

2016-01-18

河南省科技攻關項目(152102110049)

王臻卓(1985-)，女，河南南陽人，講師，碩士。

李 偉(1983-)，女，山東煙臺人，講師，碩士，(E-mail)hwfcgh2015@sina.com。

S223.94;TP273

A

1003-188X(2017)04-0229-05