彭鳳麗

關(guān)鍵詞： PLC 技術(shù) 電氣自動(dòng)化 采摘機(jī)械手 技術(shù)探討

中圖分類(lèi)號(hào)： S225 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1672-3791（2024）01-0144-04

隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步，自動(dòng)化技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛?；诳删幊踢壿嬁刂破鳎≒rogrammableLogic Controller，PLC）的采摘機(jī)械手是一種重要的自動(dòng)化設(shè)備，能夠大大提高采摘效率，降低人工成本。本文將圍繞基于PLC 的采摘機(jī)械手的電氣自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行研究，旨在探討其工作原理、關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用效果及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1 PLC 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

PLC 技術(shù)是一種新興的技術(shù)形式，在我國(guó)農(nóng)業(yè)采摘領(lǐng)域具有下述優(yōu)勢(shì)。

（1）PLC 的結(jié)構(gòu)構(gòu)成并不復(fù)雜。因?yàn)槭褂昧颂幱谛袠I(yè)前列的信息通信技術(shù)，具有較高的可靠程度，很難被環(huán)境因素影響，所以可以保證采摘工作的質(zhì)量與效率。

（2）從編寫(xiě)和控制程序的角度來(lái)說(shuō)，PLC 的編程簡(jiǎn)單、靈活，適合一線(xiàn)農(nóng)業(yè)技術(shù)人員開(kāi)展和推廣，這為信息化農(nóng)業(yè)的應(yīng)用與推廣提供了便利。

（3）進(jìn)行人工采摘的時(shí)候，由于疲勞或視覺(jué)盲區(qū)等原因，采摘人員會(huì)出現(xiàn)果實(shí)漏采的問(wèn)題，而PLC 技術(shù)基于信息化手段，能夠?qū)麑?shí)進(jìn)行精準(zhǔn)定位，漏采率相對(duì)較小［1］。

（4）采取傳統(tǒng)的人工采摘方式，會(huì)讓種植戶(hù)付出大量的人工資金，從而減少其經(jīng)濟(jì)收益，而PLC 技術(shù)則讓采摘投入相對(duì)較低。種植戶(hù)可通過(guò)較低的價(jià)格，獲得高質(zhì)量的采摘結(jié)果［2］。

（5）在人工采摘的過(guò)程中，種種原因會(huì)對(duì)部分果實(shí)的外表造成損害，這對(duì)其儲(chǔ)存時(shí)間、產(chǎn)品賣(mài)相產(chǎn)生了負(fù)面影響，降低了種植戶(hù)群體的經(jīng)濟(jì)收益。而基于PLC技術(shù)的機(jī)械采摘手，采摘力度和方式都被預(yù)先設(shè)計(jì)好，這樣就能夠減少果實(shí)的損壞率［3］。

2 PLC 技術(shù)的機(jī)械采摘手的具體應(yīng)用

機(jī)械手（Manipulator）是采摘機(jī)械器（Picking machinery）不可或缺的重要組成部分，亦是實(shí)現(xiàn)采摘工作的重要部件［4］。采摘機(jī)械手的智能化與自動(dòng)化水平和采摘作業(yè)的效率與質(zhì)量有密不可分的關(guān)系［5］。在進(jìn)行農(nóng)業(yè)采摘活動(dòng)的過(guò)程中，采摘機(jī)械手應(yīng)當(dāng)具備優(yōu)異的性能，即行動(dòng)靈活、準(zhǔn)確可靠。為了達(dá)到這一根本性目的，必須要保證采摘手電子自動(dòng)化控制系統(tǒng)的性能，完成自動(dòng)化、智能化的機(jī)械控制，對(duì)采摘機(jī)械手的整體水準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)化與提升。以PLC 為基礎(chǔ)的電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)，擁有可以進(jìn)行任務(wù)預(yù)定，并且按照預(yù)定的條件進(jìn)行采摘任務(wù)的優(yōu)秀性能。在使用該設(shè)備的時(shí)候，工作人員圍繞即將進(jìn)行的任務(wù)編程，對(duì)采摘任務(wù)予以設(shè)置，然后自動(dòng)控制系統(tǒng)就可以按照程序的設(shè)置來(lái)操作，從而有效地控制采摘者完成指定的工作。而PLC 控制平臺(tái)則是進(jìn)行采摘操作的關(guān)鍵部分，能通過(guò)PLC 對(duì)傳感器采集到的信息予以分析、對(duì)比以及整合，然后經(jīng)過(guò)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，有效地獲得準(zhǔn)確的位置信息，并與編程的設(shè)置信息進(jìn)行比較，從而準(zhǔn)確地判斷出要采摘的對(duì)象與機(jī)械手顯示的距離，隨后驅(qū)動(dòng)電液比例方向閥完成采摘［6］。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于采摘機(jī)械手電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)而言，軟件部分的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)具有至關(guān)重要的作用。軟件部分的自動(dòng)化水平與機(jī)械手的智能化水平息息相關(guān)。為了切實(shí)提升機(jī)械的使用性能，我國(guó)采摘機(jī)械手使用的往往是基于PLC 的電液控制系統(tǒng)，并通過(guò)傳感器對(duì)附近的環(huán)境開(kāi)展監(jiān)測(cè)作業(yè)，對(duì)施工時(shí)的重點(diǎn)、要點(diǎn)進(jìn)行深入分析，從根本上完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。軟件系統(tǒng)的控制控件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

采摘機(jī)械手中的電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。為了深入理解這一系統(tǒng)的構(gòu)成及其在實(shí)際應(yīng)用中的運(yùn)作方式，將其分為以下幾個(gè)組成部分：電液比例方向閥、PLC 測(cè)控平臺(tái)、比例控制放大器、傳感器組件機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

控制過(guò)程的主要流程如下：輸入機(jī)械手（機(jī)器人）的初始位置信息，再通過(guò)傳感器對(duì)待采摘目標(biāo)距離與采集待作業(yè)區(qū)域的信息進(jìn)行采集。隨后通過(guò)PID 控制程序子程序?qū)Ρ壤y動(dòng)作進(jìn)行控制?？刂浦鞒绦蛄鞒虉D如圖2 所示。

由于增量型 PI 控制與三階數(shù)據(jù)緊密相關(guān)，因此可以消除累積誤差的問(wèn)題。因此，在對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，可以使用 PI 的增量方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

采用增量 PI 控制方法，首先要算出積分時(shí)間內(nèi)的比例增益，然后再設(shè)定誤差容許的范圍，經(jīng)過(guò)運(yùn)算之后，就可以獲得增量的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂的高品質(zhì)控制［7］。

4 基于PLC 的機(jī)械采摘手的控制研究

采摘機(jī)器人在進(jìn)行采摘作業(yè)的時(shí)候，能夠自動(dòng)化對(duì)作物的果實(shí)進(jìn)行識(shí)別。完善對(duì)果實(shí)的識(shí)別后，機(jī)器人移動(dòng)到作業(yè)區(qū)域，機(jī)械采摘手通過(guò)電氣化自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制信號(hào)，完成采摘任務(wù)。但值得重視的是，受現(xiàn)有技術(shù)水平的影響，采摘時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)果實(shí)破損與漏采的問(wèn)題，如果把PID 與PLC 控制融入系統(tǒng)，能夠行之有效地增加系統(tǒng)的控制精度，就能更好地為種植戶(hù)群體提供服務(wù)。

本文以可編程控制器為核心，圍繞PLC 采摘機(jī)械手自動(dòng)化控制系統(tǒng)開(kāi)展深入測(cè)試，控制系統(tǒng)的主要功能輸入輸出情況如下：X_о～X₅分別對(duì)應(yīng)固定位置繼電器、運(yùn)行繼電器、上限位開(kāi)關(guān)、下限位開(kāi)關(guān)、下極限開(kāi)關(guān)和移動(dòng)位開(kāi)關(guān)；Y_O～Y₅分別對(duì)應(yīng)上行電磁閥YAI、下行電磁閥YA2、漏采警示LC2、果實(shí)破損指示HI.3、電機(jī)主接觸器KM1 和Y 型接觸器KM2。

通過(guò)電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)，機(jī)械采摘手的主要輸入與輸出量都能夠通過(guò)PLC 程序進(jìn)行控制。為了展現(xiàn)測(cè)試結(jié)果，技術(shù)人員利用MCGS 軟件設(shè)計(jì)了一個(gè)可視化界面窗口。這個(gè)窗口將展示機(jī)械采摘手的工作狀態(tài)、輸入輸出量以及控制結(jié)果等信息。與此同時(shí)，機(jī)械手的控制系統(tǒng)可以對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)制干預(yù)操作，例如，機(jī)械手在進(jìn)行作業(yè)時(shí)，如果遇到了突發(fā)狀況，那就可以通過(guò)控制系統(tǒng)使其終止作業(yè)；如果在作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)了破損、漏采的問(wèn)題，那么系統(tǒng)則可以對(duì)種植戶(hù)進(jìn)行預(yù)警，避免問(wèn)題的進(jìn)一步嚴(yán)重化。

監(jiān)控狀態(tài)的項(xiàng)目主要是監(jiān)控果實(shí)的破損情況與果實(shí)的漏采情況。根據(jù)大量的測(cè)試與研究，得出下述結(jié)論：區(qū)域1 到區(qū)域5 的果實(shí)漏采率分別為1.33％、1.03％、1.22％、2.11％、2.13％；果實(shí)破損率為1.11％、2.14％、2.15％、1.24％、1.52％。從上述數(shù)據(jù)可以看出，使用基于PLC技術(shù)的機(jī)械采摘手，雖然具有較大的漏采率與果實(shí)破損率，但可以較好地完成采摘工作。

5 機(jī)械采摘手的發(fā)展概況

5.1 具體分類(lèi)

就目前的情況而言，如果按照機(jī)械采摘手的工作方式進(jìn)行區(qū)分，主要有3 種方式：撞擊式、切割式和陣搖式。所謂的撞擊式是通過(guò)機(jī)器自身的沖擊力，直接對(duì)果枝進(jìn)行沖擊，或者將果樹(shù)的果干撞折，從而使水果從枝頭處掉落。在這一過(guò)程中，果實(shí)會(huì)被種植戶(hù)預(yù)先設(shè)置的設(shè)備接收。這種方法簡(jiǎn)單高效，但與此同時(shí)，其缺陷也很明顯，即會(huì)對(duì)果枝的外觀形態(tài)與之后的果樹(shù)結(jié)果造成一定的負(fù)面影響。切割式在我國(guó)應(yīng)用廣泛，該方式切斷水果果柄或者枝條，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水果采摘。這種方式的缺陷是果樹(shù)會(huì)受到二次傷害。陣搖式則是利用機(jī)械的作用，讓果實(shí)因?yàn)榧铀俣鹊淖饔脧臉?shù)上脫落，這很容易對(duì)樹(shù)干造成一定的損壞。不難看出，上述3 種采摘方式各有優(yōu)劣，但都會(huì)對(duì)果樹(shù)造成一定的損害。這也表明目前我國(guó)采摘機(jī)械手技術(shù)尚未達(dá)到預(yù)期的水平，還有一定的發(fā)展空間。我國(guó)有關(guān)部門(mén)需要圍繞著問(wèn)題，制定相應(yīng)的解決策略，提升機(jī)械手運(yùn)行的效率與質(zhì)量。

5.2 機(jī)械手采摘發(fā)展趨勢(shì)

就目前技術(shù)水平而言，機(jī)械手的發(fā)揮依舊存在諸多問(wèn)題，在未來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)，尚且無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模運(yùn)行。從采摘裝置研發(fā)的視角來(lái)看，機(jī)械手采摘的未來(lái)發(fā)展方向必然是多功能發(fā)展。未來(lái)，采摘手不但可以對(duì)果實(shí)進(jìn)行采集，還可以完成多元化的農(nóng)業(yè)技術(shù)動(dòng)作，包括但不限于使用肥料、枝條修剪等，這會(huì)進(jìn)一步減少種植戶(hù)的勞動(dòng)投入。除此之外，機(jī)械采摘手還應(yīng)當(dāng)向低價(jià)化、大眾化的路線(xiàn)發(fā)展，盡可能地減少種植戶(hù)因?yàn)橘?gòu)買(mǎi)設(shè)備而支出的成本費(fèi)用，提高廣大種植戶(hù)的經(jīng)濟(jì)收益。同時(shí)，有農(nóng)業(yè)專(zhuān)家提出，機(jī)械采摘手在未來(lái)的發(fā)展渠道可以被分為兩部分，即運(yùn)輸與采摘。

我國(guó)大部分果園均處于山區(qū)丘陵地區(qū)，這些地區(qū)交通不便，很難向外運(yùn)輸水果。如果采用人工方式開(kāi)展運(yùn)輸作業(yè)，不但會(huì)增加生產(chǎn)成本，還會(huì)形成較大的工作強(qiáng)度。因此，研究和開(kāi)發(fā)一款省時(shí)省力的運(yùn)輸工具，是有關(guān)部門(mén)亟待解決的問(wèn)題。同時(shí)，機(jī)械手的結(jié)構(gòu)構(gòu)成與程序設(shè)置上也應(yīng)當(dāng)具備一定的靈活性，不但要讓種植戶(hù)輕松掌握，同時(shí)還要減少水果外觀的損害，保證水果的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。綜上所述，采摘機(jī)器人在未來(lái)很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，都會(huì)成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域?？蒲腥藛T應(yīng)當(dāng)在成熟水果定位與識(shí)別方面，進(jìn)行更大的投入與研究，從而讓自主采摘機(jī)器人能夠具備良好的識(shí)別能力，使采摘效率得到進(jìn)一步的提升。

5.3 對(duì)PLC 機(jī)械采摘手的發(fā)展建議

5.3.1 技術(shù)創(chuàng)新

有關(guān)單位應(yīng)當(dāng)持續(xù)進(jìn)行技術(shù)研發(fā)，引入新的技術(shù)和理念，如人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等，以提高采摘的準(zhǔn)確性和效率。與此同時(shí)，添加自主導(dǎo)航、故障診斷和自我維護(hù)等功能，減少人工干預(yù)，提高機(jī)械使用的可用性。

5.3.2 加強(qiáng)其適應(yīng)性

我國(guó)各地種植環(huán)境各有不同，在設(shè)計(jì)PLC 機(jī)械采摘手時(shí)，應(yīng)考慮其適應(yīng)不同作物和環(huán)境的能力。

5.3.3 制定標(biāo)準(zhǔn)

有關(guān)部單位應(yīng)當(dāng)推動(dòng)PLC 機(jī)械采摘手的標(biāo)準(zhǔn)制定和互操作性測(cè)試，以確保不同品牌和型號(hào)的設(shè)備能夠順暢地協(xié)同工作。

6 結(jié)語(yǔ)

總而言之，基于PLC 的采摘機(jī)械手是一種簡(jiǎn)單、實(shí)用、高效的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)設(shè)備，對(duì)其電氣自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行全方面、多維度的分析與研究，提高農(nóng)業(yè)采摘的效率與質(zhì)量，解放農(nóng)戶(hù)的勞動(dòng)力，為我國(guó)農(nóng)業(yè)的繁榮、發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的設(shè)備保障。