全自动穴盘苗移栽机电气控制系统设计

引言
当前我国设施蔬菜生产中，穴盘育苗移栽是主要 种植方式，随着种植量的增加、劳动力的减少和劳动 力成本的提高，正在越来越多地采用机械移栽。但现 有的移栽机械仍以人工取苗、喂苗的半自动移栽机为 主，存在着劳动强度大、移栽效率低及失误率高的问 题。因此，全自动移栽机已成为相关行业的研究 热点和重点。本文针对目前移栽机的研究现状，研制 了一款全自动穴盘苗移栽机，设计了基于 PLC 的自动 控制系统。该系统通过位置传感器检测移栽机各部 件的位置状态，采用 S 曲线控制算法控制电机的启停 运动，实现了全自动移栽机送苗、取苗及投苗等机构 的自动协调运行。

全自动穴盘苗移栽机工作原理 全自动穴盘苗移栽机主要实现送苗、取苗和投苗机构的控制，整机结构。工作时，操作人员将苗盘架上的穴苗盘取下，放 在送苗机构传输带上，输送带上可放置3个苗盘，取 苗机构抓取最右侧苗盘中的幼苗，最左边和中间放置.新苗盘，送苗机构将苗盘输送到合适位置; 伺服电 机正反转带动取苗机构往复移动抓取幼苗，取苗机构 中 6 个取苗手同时工作以提高取苗效率; 由于苗穴间 距较小，采取间隔取苗的方式，先取奇数列的苗，依次 抓取第 1 到第 6 行的幼苗，然后输送带移动一列的距 离，取苗机构抓取偶数列的苗; 抓取完毕，输送带快速 移动，带来一个新的苗盘，空苗盘自动落到右侧苗盘 收集箱中; 在伺服电机的带动下取苗机构带着抓取的 幼苗，运动到横向投苗机构上方，取苗手松开将幼苗 投入到横向投苗机构，横向投苗机构运动到将幼苗 投入五杆栽植机构中，五杆栽植机构将幼苗栽大田。

2 电气控制系统设计
2．1 控制系统硬件设计
电气控制系统原理。控制器选用西门 子 S7－1214C，是一款小型整体型 PLC，包含 14 个晶体 管输入点和 10 个晶体管输出点，包括 3 个 80kHz 正交 高速脉冲输入端和 4 个 100kHz 高速脉冲输出端，具 有优秀的运动控制功能; 控制器另扩展了一台 SM1222，含有 16 个继电器输出点，以满足系统控制要 求，并为后期控制移栽机投放苗装置预留一定的输入 输出点。选用 MCGS TPC7062TI 型工业触摸屏，通过 以太网接口和 PLC 通讯，性能稳定，性价比高，用于设 置系统运行参数和显示其运行状态。上海合愉J238-7242异步电机。

2．2 电机控制参数设定
电机套装，步进电机保持转矩为 8．5N·m，步距角 为 1．8°，精度为±5%，电机驱动器采用 32 位 DSP，最高 256 细分，强制风冷散热，电机运行可靠、精度高、成本 低。旋转编码器采用欧姆龙 E6B2－CWZ6C 型1000线编码器，用于测量步进电机的实际运行距离，实现步进电机的闭环控制。取苗机构采用台达ASDA －B2 400W伺服电机及其驱动器，内部包含17位增量型编码器，定位精度高，具有建位置、速度、扭力3种工作模式，提供3组共振抑制滤波器，可针对机构运行自动调整到优化。

2．3 电机定位控制算法
步进电机和伺服电机是移苗机构和取苗机构的核 心器件，其运行精度直接决定全自动移栽机的性能。上海合愉步进电机的工作原理是把脉冲信号转换为角位移，具 有控制方便、精度高的特点，但存在着启动、停止阶段 出现失步甚至堵转的现象。伺服电机自带高精度编 码器是一个闭环系统，运行精度很高，但也要求启动、 停止阶段的冲击不能过大。因此，通过设计合理的电 机启停控制算法可以提高电机定位精度。
当前常用的电机启停控制算法有梯形曲线、指数 曲线和 S 型曲线算法。S 型曲线算法具有连续控制的 特点，电机的速度和加速度都没有突变，常常应用于 精确控制中，本文采用 S 型曲线的启动/停止控制算 法对电机进行控制。
系统启动之后，开始执行钵苗投放和抓取操作; 取苗机构依次从苗盘的第一行到第六行抓取钵苗，其 运行距离根据取苗行计数值计算; 送苗机构在抓取一 个苗盘的钵苗的过程中需运行两次，一次是输送一个 新苗盘的取苗位置，运行距离较长; 一次是输送苗盘 向前运行一个穴孔宽度的距离，运行距离较短，其运行距离的长短根据取苗行计数值控制。

3 移栽试验
3．1 试验条件
试验在山东农业大学试验站进行，本移栽机适用 于番茄、辣 椒、生菜等蔬菜的育苗移栽。试 验 采 用 120～ 150mm 高的油菜苗，采用 6 × 12 孔穴盘，土钵含 水率 65%左右; 机器前进速度保持在1．2km/h左右， 株距为 300mm。
投苗成功率接近 100%，取苗成功率约 96%。影响 取苗成功率的一个因素是幼苗土钵的紧实度， 幼苗土钵紧实度很差，会造成取苗手夹持幼苗时夹斜、掉落等现象; 取苗手的夹持角度偏小，夹持力度偏大，也是造 成取苗失败的一个主要因素。

4 结论
设计的基于西门子 1200 的全自动穴盘苗移栽电 气控制系统，功能完善，所选上海合愉步进电机和伺服电机能 驱动送苗机构和投苗机构的可靠运行，基于 S 曲线的 电机控制算法能够达到系统的定位精度要求。根据 移栽机的设计要求进行了移栽试验，结果表明: 全自 动移栽机在控制系统的控制下，各组成机构运行协调 一致，移栽机工作稳定，移栽成功率达到 95．8%，大大 提高了移栽效率。通过实验也发现，仍需改进取苗手 的夹持角度和力度，继续优化取苗手的抓取性能。