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)活動的機械化水平大幅度提高。特別是電氣自動化、人工智能等技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中的有效應(yīng)用，使得具有自主作業(yè)能力的機械成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的主要力量，采摘機器人就是其中之一。但是，自動化控制系統(tǒng)具有一定的局限性，而受到這種局限性的影響，傳統(tǒng)采摘機器人的實際應(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@一問題，隨著PLC 控制系統(tǒng)的不斷成熟和完善，其實踐應(yīng)用范圍也越來越廣泛，將PLC 控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)采摘機器人進行有機融合，能夠有效提高采摘機械手的電氣自動化技術(shù)水平，從而使采摘機器人的作業(yè)效率以及智能化、自動化控制水平，都得到大幅度提升，對推動現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的機械化發(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)，同時將微電子、計算機、自動控制以及通訊等先進技術(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)。在實際應(yīng)用中，PLC 控制系統(tǒng)具有很多優(yōu)勢，如通用性強、適用范圍廣、操作方便、編程簡單、性能可靠，而且還具有非常強的抗干擾能力。除此之外，PLC 的處理能力是非常強大的，將其應(yīng)用于采摘機械手之中，能夠有效實現(xiàn)采摘機械手的自動化控制，從而有效完成各種采摘作業(yè)任務(wù)，使采摘機器人的整體運行效率，得到明顯提升。

2 基于PLC 的采摘機械手測控平臺概述

機械手是采摘機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，采摘機械手提自動化和智能化水平，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的采摘活動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。在實際開展采摘活動時，要求采摘機械手必須具有良好的性能，包括行動迅速、靈活，而且對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。而要達到這一目標(biāo)，就需要在采摘機械手中應(yīng)用電氣自動化控制系統(tǒng)，有效提高對采摘機械手的控制水平，實現(xiàn)智能化、自動化控制，顯著提高控制精確度，優(yōu)化采摘機械手的整體性能質(zhì)量。

基于PLC 的電氣自動化控制系統(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)勢性能。其具體做法是，提前根據(jù)需要完成的任務(wù)進行編程，設(shè)定好采摘作業(yè)任務(wù)要求，然后基于PLC 的電氣自動化控制系統(tǒng)就會依照程序設(shè)定運行，有效控制采摘機械手完成預(yù)定任務(wù)，保證采摘質(zhì)量和效率。

PLC 測控平臺是采摘機械手的重要組成部分，同時也是確保PLC 電氣自動化控制系統(tǒng)能夠正常運行的關(guān)鍵零部件。在上位機以及信號采集過程中，PLC 測控平臺承擔(dān)著重要的樞紐作用，能夠?qū)鞲衅鞑杉男畔ⅲㄟ^PLC 進行放大、整形和比較，然后和A/D 轉(zhuǎn)換，進而獲得準(zhǔn)確的采集位置信息，并與程序設(shè)定的信息進行對林，從而準(zhǔn)確判斷機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)動電液比例方向閥，準(zhǔn)確控制采摘機械手，移動到待采摘的作果所在位置，順利進行采摘作業(yè)，完成采摘任務(wù)。

注意，在進行采摘機械手設(shè)計工作中，可以根據(jù)采摘作業(yè)的實際需求，對外圍接口數(shù)量可以進行合理調(diào)整，必要時可開發(fā)更多的外圍接口。對于自動化控制的方式，可采用電機控制中的增量式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 采摘機械手電氣自動化控制軟件系統(tǒng)設(shè)計

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

采摘機器人的電氣自動化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以分為五個部分，分別是傳感器組件、PLC 測控平臺、比例控制放大器、電液比例方向閥以及機械手執(zhí)行機構(gòu)。采摘機械手在進行作業(yè)時，需要由傳感器進行信息采集，然后將采集到的信息傳送到PLC 測控平臺中。PLC 測控平臺會對信息進行處理，然后根據(jù)處理結(jié)合，再將控制信號發(fā)送至比例控制放大器中，根據(jù)控制信號的要求，對電液比例方向閥實施控制，從而通過聯(lián)動作用使采摘機械手的末端執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)控制信號的要求，執(zhí)行采摘作業(yè)。

在對采摘機械手電氣自動化控制軟件進行系統(tǒng)設(shè)計時，必須明確控制的主要流程。在對采摘機械手進行自動化控制的過程中，主要流程如下：

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

注意，在使用電氣自動化系統(tǒng)對采摘機械手進行控制時，應(yīng)采用PID 算法中的PI 控制方式，對電機實施控制，從而確連控制的連續(xù)性。除此之外，在軟件設(shè)計過程中，通過應(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。這是因為增量式控制與3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 控制更適合采摘機械手的電要控制要求，對優(yōu)化采摘機械手的整體性能，具有積極的作用。

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

4 基于PLC 的采摘機械手控制系統(tǒng)研究

采摘機器人對采摘目標(biāo)具有自主識別功能，能夠有作業(yè)過程中自主識別作物果實。識別之后，通過控制系統(tǒng)傳達命令，準(zhǔn)確地將采摘機器人移動到作業(yè)區(qū)域，并由采摘機械手執(zhí)行采摘命令，對果實進行準(zhǔn)確定位，再固定機械手位置，然后由采摘機械手的末端執(zhí)行機構(gòu)來完成采摘任務(wù)。在這過程中，控制系統(tǒng)的精度水平，會對采摘作業(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，就會導(dǎo)致較高的果實漏采率以及破損率，不僅無法有效完成采摘任務(wù)，還會對果實造成不必要的損害，影響果實的經(jīng)濟價值，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的經(jīng)濟效益。因此，將PLC與PID控制系統(tǒng)與采摘機械手進行有機融合，能夠全面優(yōu)化采摘機械手的電氣自動化控制水平，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，同時也能夠提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟價值。

所以，對基于PLC 的采摘機械手控制系統(tǒng)進行深入研究，是我國進行現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)建設(shè)工作不可或缺的一項重要工作。通過研究發(fā)現(xiàn)，對于采摘機械手電氣自動化控制系統(tǒng)來說，其控制內(nèi)容主要分為輸入量和輸出量兩個部分，而這兩部分，都可以利用PLC 程序?qū)ζ鋵嵤┳詣踊刂?。而且，為了更好地?yīng)用PLC 程序，使采摘機械手的電氣自動化控制性能水平得到顯著提升，在實際應(yīng)用過程中發(fā)揮出更高水平的應(yīng)用價值，還可以設(shè)計可視化界面窗口，使用MCGS 軟件中的近制器件庫、圖形控件等功能，對采摘機械手的電氣自動化控制系統(tǒng)進行有效完善，使其不僅能夠?qū)Σ烧獧C械手末端執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)高精度控制，還能夠建立狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對采摘機械手系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)測、當(dāng)前值顯示以及故障報警等功能。除此之外，還可以建立對采摘機械手的遠程控制功能，實施遠程強制干預(yù)，在遇到突發(fā)情況時，確保采摘機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，能夠及時發(fā)出警報，這對保證采摘質(zhì)量，具有至關(guān)重要的影響。

通過實踐測試證明，基于PLC 的采摘機械手，其電氣自動化控制水平大幅度提高。在采摘作業(yè)過程中，破損及漏采率非常低，控制精度高，能夠充分滿足采摘機械人的設(shè)計以及實踐作業(yè)要求。

5 結(jié)語

綜上所述，為了加強我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)，提高農(nóng)業(yè)機械化水平，需要對采摘機械手電氣自動化技術(shù)不斷進行深入研究，通過更新技術(shù)，特別是將PLC 控制系統(tǒng)與采摘機械手電氣自動化技術(shù)進行有機結(jié)合，能夠用提高采摘機械手的智能化和自動化水平，使采摘機械手的控制精度得到大幅度提高，從而進一步優(yōu)化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的機械化生產(chǎn)水平和生產(chǎn)質(zhì)量。