基于PLC的穴盘苗移栽自动控制系统设计

蒋素琴 吴婷婷 谢宗楚 杨晨 朱燕

摘要：当今中国农业的主要播种方式还是传统的人工播种，人工播种耗费了大量的人力和时间，更重要的是可能还会延误播种的最佳时期，影响植物的生长。同时移栽技术可以促使蔬菜再生新根，提高产量和品质及土地利用率，在清除杂草、早期苗水施肥和病虫防治方面也有着重要的作用。育苗移栽过程复杂，且人工成功率小，成本高，引入PLC 系统的自动穴盘苗移栽技术，可以克服上述缺点。PLC 控制系统具有可靠性高、稳定性强的特点，在农业机械中发挥这越来越大的优势。本问采用可编程控制器来实现，完成整个全自动的移栽过程，PLC 是能够进行数字逻辑运算的电子装置，操作时将先前输入存储的指令通过数字式或者模拟式输出，进行机械运转或生产流程操作。工作时，摄像头采集，确定穴盘苗位置信息，并将采集的信息输送至PLC系统，经电脑端处理后，再输出相应的指令，PLC系统完成取送苗的任务，实现穴盘苗的全自动移栽。

关键词：PLC；图像采集；全自动移栽

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）07-0214-02

1 可编程控制器概述

可编程控制器（PLC）的定义是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它的组成包括中央处理单元（CPU），存储器，输入输出接口（I/O模块），通信接口，电源。数据存储器是用来存储PLC执行的程序的信息，其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等一系列操作的指令，输入模块将电信号转换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反，从而实现数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

2 设计原理

基于PLC系统的穴盘苗移栽技术自动控制系统由四部分组成，从末端至首端依次为取苗机构（送苗机构），植苗器， PLC 控制系统和计算机硬盘。在 PLC 控制系统中输入取苗、植苗和送苗的指令并存储在存储器中，通过PLC系统发布指令，机械手就会执行相应取苗、植苗和送苗的任务，完成任务后系统就会自动刷新，重复整个过程，从而实现穴盘苗自动移栽控制的技术。

基于PLC系统的穴盘苗移栽技术自动控制系统中取苗、送苗步骤是移栽机成功与否的关键，这也是我们区分全自动移栽机与半自动移栽机的很重要的一个因素。半自动穴盘苗移栽机准确性比较低，需要人工补苗，而且容易损坏穴苗基质。本文采用抓取式取苗，是通过坐标转换，实现机械手的X，Y，Z轴方向的操作，将苗体从穴盘取出；再根据事先计算出的运动轨迹，计算机系统精确地计算出移栽的正确位置，由此设置移动夹持苗体的机械手，完成送苗任务。细致地抓取穴苗以及准确地移植穴盘，从而能够成功实现穴盘苗移栽技术自动控制过程。

3 机构组成和取送苗定位控制

3.1操作机构

基于PLC穴盘苗移植自动控制系统配备的硬件设备有Delta并联机构的移栽补苗机器人，V2.4.7 20160223相机软件和信捷编程软件。PLC 系统中输入的指令主要有关于坐标转换时机械手的在X，Y，Z方向的变化指令，其中涵盖上升，下降，左右移动，前后进退；机械手取苗力度指令，防止过大损坏穴苗基质，过小无法抓取穴苗； 气缸的控制指令等。不过这些都是可以通过信捷PLC编程软件进行写入上传，下载，与电脑端进行同步控制，这样也方便了观察和操作。

3.2 Delta并联机构

我们可以通过建立Delta并联机构的单支链约束方程，计算出Delta并联机构的移栽补苗机器人的最大的工作范围； 根据Delta并联机构的移栽补苗机器人设备中不同规格穴盘之间的移栽、和补苗的作业要求，从而确定Delta并联机构的移栽补苗机器人的系统设计的工作空间； 在此基础上，我们进一步对Delta并联机构的移栽补苗机器人进行尺度综合，使得可达工作空间和设计工作空间尽可能的接近，并保证使用的时候具有良好的运动学性能，上升，下降，左右移动，前后进退都可以做到灵活自如。

基于Delta并联机构的移栽补苗机器人的尺度综合与轨迹规划，首先要根据机器人建立虚拟模型，选取机器人工作空间中距离相差最远的两条轨迹，进行虚拟仿真；那么就可以仿真出机器人移栽机械手的平均速度、平均加速度曲線，其变化规律符合移栽、补苗作业的运动要求，从而验证了轨迹规划的合理性。

模式选择：一般选用普通移栽模式，另外方便用户的选择，还有健康苗识别移栽和补苗作业模式。

3、3 视觉识别

图像采集：本文采用的是视觉图像捕获软件Microsoft Visual C++ 6.0软件平台下的Video for Windows（VWF）自开发的图像捕获控制界面。

图像处理环节是软件控制平台的核心之一，主要完成功能：穴盘与传输带背景分割、苗与背景分割、穴盘框架提取、特征参数提取、缺苗坏苗识别。其中需解决的主要问题是苗与穴盘背景分割、苗根茎坐标提取和自适应框架提取。

3.4取送苗定位控制

取送苗定位控制组成包括摄像头和 PLC 系统。工作时，通过摄像头采集图像，参数提取，识别位置， 向 PLC系统输送位置坐标；PLC 系统发送指令，控制机械手在正确的位置完成进行取苗和送苗任务。定位工作的进行可以借助摄像头和图形处理技术来完成，保证了取苗和送苗的准确性。

4 试验及结果

4.1试验条件

为了检测采用基于PLC系统的穴盘苗移栽的自动控制系统的有效性，采用“农博粉霸 30号”番茄苗进行移栽，Delta并联机构的移栽补苗机器人设备之后点击回零按钮，移栽机器人进行回零操作，回零完成后，在移栽速度输入框中输入移栽机器人加速度信息，一般输入30为佳，既可以相对快速地得到实验结果，而且能够清晰地看到实验结果。穴苗培育条件为 穴口直径为28mm，穴底直径为10mm，穴深为45mm的10×12规格的72穴的穴盘中， 育苗移栽期为45天。随机取5盘番茄苗，将72穴的穴盘苗自动移植到50穴（8×10）的穴盘中，记录10×12规格的整穴盘苗移植结束的时间、取苗成功率及送苗成功率。

4.2试验设计结果及分析

将PLC控制系统安装在穴盘苗移栽机械手上，按照要求设定好穴盘苗移植速度和模式等结构参数后，便可以进行穴盘苗的移栽试验，通过试验来验证系统的可行性和可靠性。

检测数据结果见表1、表2所示：

由检测结果可知：在其他条件不变的情况下，基于PLC的自动控制系统的穴盘苗移栽的Delta并联机构的移栽补苗机器人，平均移栽速度可以达30颗/min，取苗成功率位96.8%，送苗成功率位 97.4% ，具有非常高的存活率，取苗送苗操作程序均能达到实验的要求，实际生活也是满足的。

5 讨论

原本穴盘苗的移栽作业需要人工补苗的重复性，现在基于PLC穴盘苗自动移栽面临的环境的复杂性。所以在进一步研究中，我们还需要考虑到优化移栽装置的执行末端， 使该装置具有普遍适应能力，在实际农业生产中能够做到对强风大雨，温度湿度干扰下适应，以在实际自动化育苗作业生产中进行推广。

6 结论

基于PLC 系统的穴盘苗移栽的自动控制系统。试验结果表明： 采用 PLC 系统控制的自动控制系统的移栽机移栽番茄苗， 在苗期45天时移苗，取苗成功率和送苗成功率都很高，移栽速度也很快，完全可以满足农业生产实际需求。试验证明： 基于 PLC 系統的穴盘苗移栽的自动控制系统能够很大程度得提高农业生产效率，提高产量和品质及土地利用率，减少农业种植户的成本投入，在成片种植和养殖大户的大棚养殖中有非常大的应用价值。

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