基于PLC的一種茄科整排自動嫁接機控制系統(tǒng)設計

基 于 PLC 的一種茄科整排自動嫁接機控制系統(tǒng)設計尹 權1， 張 鐵中1 ， 2， 李 軍1， 褚 佳1， 吳 長兵1， 劉 展1( 1 中 國農(nóng)業(yè)大學 工學院 ， 北京 100083; 2 農(nóng)業(yè)部 土壤 機器 植物系統(tǒng)技術重點實驗室 ， 北京 100083)摘 要 : 為滿足現(xiàn)代智能農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求 ， 提高蔬菜嫁接作業(yè)效率 、降低人工勞動力的投入與強度 ， 研究了高效 、可靠 、安全的茄科劈接式或貼接式自動整排嫁接機的控制系統(tǒng) 。采用歐姆龍 CP1H 系列的 PLC 作為中央控制單元 ， 以控制電磁閥 、繼電器 、伺服電機 、步進電機等執(zhí)行元件的工作 。依據(jù)嫁接機作業(yè)時的流程工藝和調(diào)試安裝時的需求 ， 采用 CX programmer 專業(yè)編程軟件 ， 編寫 T 形圖控制程序 ， 提供自動運行 、單步運行及功能單元獨立運行三種模式 。試驗表明 : 該茄科整排嫁接機在自動運行模式下 ， 單株程序運行時間 5 33s， 作業(yè)效率可達 1 015株 /h。關鍵詞 : 自動嫁接 ; PLC; 控制系統(tǒng) ; 信號識別 ; 調(diào)試運行中圖分類號 : S2231; TP273+2 文 獻標識碼 : A 文章編號 : 1003 188X( 2017) 05 0075 090 引 言蔬菜嫁接育苗 是有效克服連作病蟲害 、土壤污染及增質(zhì)增產(chǎn)的有效途徑 ; 但傳統(tǒng)人工嫁接作業(yè)存在效率低 、勞動強度大 、作業(yè)成本高和嫁接苗存活率低的問題 ， 已不能滿足現(xiàn)代智能化農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)需求 。自 20世紀 80 年代蔬菜自動嫁接技術問世以來 ， 嫁接技術在國內(nèi)外得到了不同程度的發(fā)展 1 4， 采 用自動化機械嫁接技術可以有效地解決人工嫁接中存在的問題 。此外 ， 將技術早已成熟的歐姆龍 CP1H XA 系列 PLC應用于蔬菜自動嫁接技術中 5 8， 相比采用微型單片機在性能和可操 作性上都得到了較大提升 ， 為廣泛推廣嫁接育苗技術提供了有力保障 8 12。目 前 ， 國內(nèi)茄科蔬菜嫁接機多為人工單株供苗 7、單株嫁接的半自動裝置 ， 具有代表性的是 中國農(nóng)業(yè)大學張鐵中研制的 2JSZ 600 型蔬菜自動嫁接機 ， 但在處理大批量作業(yè)時仍然存在生產(chǎn)率低 、勞動強度大等問題 3 7。國 外 ， 日本 、韓國等是率先出現(xiàn)自動嫁接技術的國家 ， 雖然有效率較高的茄科蔬菜全自動嫁接機 ; 但結(jié)構(gòu)復雜 、價格昂貴 ， 使得其在國內(nèi)推廣受到很大的限制 3 5。針對現(xiàn)有茄科 蔬菜嫁接機存在的問題 ， 本 文為茄收稿日期 : 2016 04 07基金項目 : 國家高技術研究發(fā)展計劃 ( 863 計劃 ) 項目 ( 2012AAA10A506 2) ; 公益性行業(yè) ( 農(nóng)業(yè) ) 科技專項 ( 201303014 09)作者簡介 : 尹 權 ( 1991 ) ， 男 ， 陜西漢中人 ， 碩士研究生 ，( E mail)15010823596 163 com。通訊作者 : 張鐵中 ( 1956 ) ， 男 ， 河北邢臺人 ， 教授 ， 博士生導師 ?？谱詣诱偶藿訖C設計了一套高效 、可靠 、便捷 、安全的控制系統(tǒng)及電氣驅(qū)動方式 ， 以實現(xiàn)茄科幼苗的嫁接的自動化作業(yè) 。1 嫁接機系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理簡介11 系統(tǒng)構(gòu)成該嫁接機可以實現(xiàn)對規(guī)格為 ( 5 × 10) 穴 ， 尺寸為570mm × 280mm × 41mm 的苗盤進行整排嫁接 ， 考慮到用戶需求 ， 采用劈接或貼接兩種方式 ， 選擇時只需更換切苗刀具 。機器本體除采用人工整盤供苗和卸苗外 ， 其余均自動完成 。該系統(tǒng)由砧木 、穗木的供苗系統(tǒng) 、攏苗系統(tǒng) 、取苗系統(tǒng) 、切苗系統(tǒng) 、供夾系統(tǒng) 、嫁接系統(tǒng)和嫁接苗輸送系統(tǒng)等 7 個子系統(tǒng)構(gòu)成 ， 如圖 1 所示 。因此 ， 建立 7 個子系統(tǒng)之間的有機統(tǒng)一與協(xié)調(diào)工作關系是實現(xiàn)該嫁接機高效 、可靠作業(yè)的保障 。其具體結(jié)構(gòu)可參考專利嫁接苗整排自動嫁接裝置 ( CN104871840 A) 。111 供苗攏苗系統(tǒng)供苗攏苗系統(tǒng)是嫁接作業(yè)的首要工作流程 ， 是保證后續(xù)連續(xù)作業(yè)的基礎 。實際工作中 ， 將穴盤苗運送到指定的工作位置 ， 然后觸發(fā)攏苗工作系統(tǒng) ， 攏苗桿推出 ， 將苗盤內(nèi)待嫁接位置的苗進行縱向扶正 ， 提高嫁接作業(yè)的成功率 。穴盤停留位置是否準確是砧木和穗木取苗機械爪夾取苗的關鍵 。為保證苗盤停位準確 ， 采用歐姆龍系列 E3FA TP11 的反射式光電開關作為該位置的定位檢測開關 。該種光電開關檢測靈敏度高 ， 不易受周圍工作環(huán)境的影響 ， 工作原理如圖 2 所示 。·57·2017 年 5 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 5 期DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2017.05.014( a) 主 視圖 ( b) 左視圖1 控制柜 2 砧木供苗系統(tǒng) 3 嫁接苗輸送系統(tǒng) 4 穗木供苗系統(tǒng) 5 供夾輸送系統(tǒng) 6 砧木 、穗木搬運系統(tǒng) 7 機體系統(tǒng)8 砧木 、穗木取苗系統(tǒng) 9 推夾系統(tǒng) 10 切苗系統(tǒng) 11 排夾輸送器圖 1 茄科自動嫁接機系統(tǒng)構(gòu)成Fig1 Solanaceae automatic grafting machine system圖 2 反射式光電開 關工作原理圖Fig2 The working principle of the reflection type of photoelectric switch112 取 苗系統(tǒng)基于本嫁接機是整排取苗作業(yè) ， 因此在供苗良好的前提下 ， 分別由取苗上夾持機構(gòu)和取苗下夾持機構(gòu)拔取穴盤內(nèi)的嫁接苗 ， 并且將苗由直線運動機構(gòu)送至下一切苗位置 。為實現(xiàn)嫁接苗的拔取和搬運過程機械爪需完成一系列動作 ， 包括砧木 、穗木上下夾持機構(gòu)的打開閉合 ， 夾持升降氣缸的上升 ， 需同時驅(qū)動兩個伺服電機工作將苗搬運至切苗工位 。為避免苗在搬運過程中受到拉力而損傷 ， 須實現(xiàn)兩個伺服電機的同步驅(qū)動 。兩個伺服電機在到達切苗工位后 ， 需要保證兩個位置的上下層次關系 ， 采用位置傳感器模塊 ， 能夠準確地檢測到到位信號 ， 其原理如圖 3 所示 。( a) 位 傳感器 ( b) 原理圖圖 3 穗木 、砧木定位模塊傳感器Fig3 Stock and scion position sensor module113 切苗及供夾系統(tǒng)當 苗運送至切苗位置時 ， 觸發(fā)切苗機構(gòu)動作 ， 將該工位的苗進行斜切或劈切 ， 使嫁接苗的莖稈切口形成傾斜度為 30°的斜切口或 V 形切口 。由于嫁接作業(yè)中穗木和砧木分別是嫁接苗的上部生長端和下部須根端 ， 因此需分別控制穗木取苗夾持機構(gòu)的下夾持機構(gòu)和砧木取苗上夾持機構(gòu) ， 將廢棄部分搬運至嫁接機兩側(cè)的廢棄框內(nèi) ， 并驅(qū)動步進電機將供夾系統(tǒng)移至嫁接工位 ， 使塑料夾推出 ， 將穗木和砧木切口貼合夾住 。114 輸送復位系統(tǒng)復位系統(tǒng)是保證整個系統(tǒng)安全 、可循環(huán)作業(yè)的基礎 ， 嫁接機開始工作前首先進行各機構(gòu)系統(tǒng)的復位操作 ， 使得各個機構(gòu)系統(tǒng)處于正確的工作狀態(tài) 。當穗木和砧木貼合后 ， 穗木取苗上夾持機構(gòu)和砧木取苗下夾持機構(gòu)需將苗栽插至固定位置的空穴盤中 ; 當完成一整盤苗的栽插后 ， 控制嫁接苗輸送系統(tǒng)帶將苗盤送出 ， 送至一定位置后由人工將苗盤取下 ，并將另一空穴盤放置指定位置 。以上步驟完成后 ， 需要將各部分工作部件恢復至初始狀態(tài) ， 等待下一工作步驟流程 。此外 ， 當嫁接機中途遇到突發(fā)狀況 ， 掉電后 ， 采取復位操作能使各工作系統(tǒng)回歸正確位置 ， 避免由于空間位置不當而損傷機器或發(fā)生危險 。整個控制系統(tǒng)中 ， 包括氣動元器件工作復位系統(tǒng)和電機工作復位系統(tǒng)兩部分組成 ， 目的是為了便捷地控制 、操縱 、調(diào)試嫁接機 。12 控制流程合理的嫁接工作流程是實現(xiàn)可靠 、高效嫁接的基礎 ， 正確的工作流程圖往往能使控制系統(tǒng)變得簡潔 、流暢 、易于調(diào)控 。為此 ， 編寫控制程序前對嫁接作業(yè)·67·2017 年 5 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 5 期圖 4 所示 。圖 4 控制系統(tǒng)流程圖Fig4 The flow chart of control system由 于本文針對的是該茄科自動嫁接機的控制系統(tǒng) ， 工作流程圖中的具體執(zhí)行機構(gòu)參考專利 ( CN 104871840 A) 。·77·2017 年 5 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 5 期進 行總體分析 ， 編制了如下自動嫁接工作流程圖 ， 如2 系統(tǒng)關鍵配置21 控制系統(tǒng)硬件配置本茄科全自動嫁接機控制系統(tǒng) ， 硬件設備包括中央控制單元 、外圍設備 、電路保護元件 3 部分 。中央控制單元主要由 CP1H XA 系列 PLC 及擴展模塊構(gòu)成 ; 外圍設備包括信號輸入和執(zhí)行輸出兩類 ， 信息采集的輸入設備主要為光電檢測開關 、磁性檢測開關及開關按鈕等 ; 輸出執(zhí)行部分包括工況指示燈 、電磁繼電器 、電磁閥 、伺服電機驅(qū)動器等 ; 電路保護元件主要為 24V 電源 、空氣開關 、熔斷器和線卡 。整個控制系統(tǒng) ， 除輸送帶驅(qū)動需 220V 交流電機外 ， 其余設備均為 0 24V 工作電壓 。211 中央控制單元中央控制器采用 CP1H XA40DT D 的 PLC 可編程控制邏輯單元 ， 其配置如圖 5 所示 。該控制單元輸入 24 點 ， 輸出 16 點 。根據(jù)實際要求 ， 完成整個嫁接作業(yè)的動作多且相互獨立 ， 而基于物理控制線路的連接器 I/O 分配是固定的 ， 因此需要對 I/O 口進行擴展 ， 而 PLC 擴展模塊與中央控制單元可通過通信口直接插線連接通信 ， 因此簡化了控制程序的編寫和系統(tǒng)的開發(fā)周期 12 14。1 電池蓋 2 工作指示 LED 3 外圍設備 USB 端口 47 段 LED 顯示 5 模擬電位器 6 外部模擬設定輸入連接器 7 撥動開關8 內(nèi)置模擬輸入輸出端子臺 /端子臺座 ×1 9 內(nèi)置模擬輸入切換開關 ×1 10 存儲盒槽位 11 DC24V 輸出 ×2·輸出段子 12 輸出指示燈 LED13 擴展 I/O 單元連接器 14 CJ 單元適配器用連接器 15 選件板槽位 16 電源 ·接地 ·輸入端子臺 17 輸入指示 LED圖 5 中央控制單元Fig5 Central control unit此外 ， 考慮到高速脈沖輸出端子應滿足實際需求 ， 還需留出一定的富余量以備不時之需 。212 外圍執(zhí)行設備實現(xiàn)自動控制所需的一切相關輸出信號 ， 以驅(qū)動電磁繼電器 、電磁閥 、伺服電機驅(qū)動器等直接與中央控制單元相關的設備 ， 即為外圍執(zhí)行設備 。其中 ， 繼電器用于電路中接入高壓且需要控制的場合 ， 通過PLC 輸出的 24V 電壓信號控制與之相連的高壓線路的工作狀態(tài) 。本嫁接機選用的電磁繼電器型號為 H C311SK 管腳接線圖如圖 6 所示 。實際接線時 ， 由于其工作電壓也是 24V， 而 PLC 為 NPN 型輸出 ， 因此管腳 13 直接與 PLC 輸出相接 、14 與電源 24( + ) 相接 ，即可以完對電磁繼電器的工作狀態(tài)控制 。而另外兩組 1、5、9 和 4、8、12 可以通過選擇連接不同管腳實現(xiàn)工作狀態(tài)的由常開到常閉或由常閉到常開的控制 ， 即可實現(xiàn)對外圍高電壓設備的控制目的 。本嫁接機采用的執(zhí)行部件除砧木 、穗木取苗搬運 ， 嫁接貼合機構(gòu)系統(tǒng)和供夾系統(tǒng)輸送采用私服電機 、步進電機驅(qū)動絲杠導軌外 ， 其余伸縮 、旋轉(zhuǎn)動作均由氣動元件完成 。( a) 電磁繼電器 ( b) 管腳接線原理圖 6 繼電器接線及原理Fig 6 elay wiring and principle伺服電機在其驅(qū)動器的內(nèi)部針對速度 、位置做了軟件閉環(huán)反饋控制 ， 位置環(huán)與速度環(huán)的比例積分增益系數(shù)可調(diào) 、操作簡便 、控制精確 。因此 ， 對本控制系統(tǒng)的研究方案中 ， 主要考慮到穗 、砧木在拔取搬運過程·87·2017 年 5 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 5 期中需要滿足速度和定位兩因素 ， 選用利時公司生產(chǎn)的MSE 系列的伺服驅(qū)動器 ， 以 32 數(shù)字處理芯片 ( DSP)為控制核心 ， 具備良好的魯棒性和自適性 10 12， 實現(xiàn)精準控制 。穗木 、砧木搬運過程中在滿足機構(gòu)快速運行的同時 ， 避免出現(xiàn)速度誤差和機構(gòu)的慣性作用及對苗莖干造成損傷 ， 并保證在嫁接位置上使穗木 、砧木的貼合口準確貼合 。其伺服電動機接線原理如圖 7 所示 。圖 7 伺服驅(qū)動器接線原理Fig7 Servo driver wiring principle213 系統(tǒng)保護主要包括 : 24V 電源 、空開 、熔斷器及線卡 。其中 ，24V 電源為控制系統(tǒng)及部分電子元件供電設備 ; 空氣開關與熔斷器安裝在 220V 主線路上起保護作用 ， 以避免當設備發(fā)生短路等導致主電路電流過高 ， 對設備造成損傷或引起火災 。熔斷器的選擇需根據(jù)設備主電路上的電流值 ， 因此與設備中所有電子元器件均有關系 ， 其熔斷額定電壓應該大于或等于主電路的額定電壓 ， 熔斷器電流需根據(jù)實際負載情況計算選型 。多臺電機共用一個熔斷器保護短路時 ， 有INP= ( 1 5 2 5) INMmax+ INM+ IF其中 ， INMmax為容量最大的電機額定電流 ; INM為其余各電動機的額定電流之和 ; IF為各電磁換向閥的額定電流之和 ， 各電機 、電磁閥在電路中為并聯(lián)關系 。對于輕載啟動及啟動時間較短時 ， 取式中系數(shù)為1 5， 重載啟動及啟動時間較長時 ， 系數(shù)取 2 5。22 I/O 分配本嫁接機整體機構(gòu)系統(tǒng)較為復雜 ， 為滿足機器整體操作的便捷性 、可控性 ， 采用 33 個輸入點 ， 包括預留檢測輸入點 4 個和點動控制按鈕 4 個輸入信號 ， 輸出部分預留兩個輸出端子點 。輸入和輸出端子分配如表 1 所示 。表 1 嫁接機 I/O 分配表Table 1 Grafting machine I/O allocation table輸入點分配序號 名稱 符號 地址輸出點分配序號 名稱 符號 地址1 啟動按鈕 SB0 0002 停止按鈕 SB1 0013 急停按鈕 SB2 0024 手 /自動選擇開關 SA0 0035 送夾子電機上電復位位置檢測 SQ1 0046 1 號電機上電復位位置檢測 SQ2 0057 2 號電機上電復位位置檢測 SQ3 0068 3 號電機上電復位位置檢測 SQ4 0079 4 號電機上電復位位置檢測 SQ5 00810 送夾 + 切刀防干涉 ( 1) SQ6 00911 送夾 + 切刀防干涉 ( 2) SQ7 01012 震動盤啟動 /停止 SA1 01113 送夾子計數(shù) SQ8 10014 送夾子到位檢測 SQ9 1011 1 號伺服電機脈沖 100002 1 號伺服電機方向 100013 2 號伺服電機脈沖 100024 2 號伺服電機方向 100035 3 號伺服電機脈沖 100046 3 號伺服電機方向 100057 4 號伺服電機脈沖 100068 4 號伺服電機方向 100079 運行指示燈 HL0 1010010 手動運行模式指示燈 HL1 1010111 推夾子氣缸 YV1 1010212 夾子夾緊氣爪 ( 10mm 行程 ) YV2 1010313 夾子夾緊氣缸 YV3 1010414 送夾子氣缸 YV4 10105·97·2017 年 5 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 5 期續(xù)表 1輸入點分配序號 名稱 符號 地址輸出點分配序號 名稱 符號 地址15 檢測預留 1 10216 檢測預留 2 10317 檢測預留 3 10418 檢測預留 4 10519 3 號電機穗木下降 10mm 位置檢測 SQ14 10620 點動按鈕預留 1 10721 點動按鈕預留 2 10822 點動按鈕預留 3 10923 點動按鈕預留 4 11024 1 號伺服電機正轉(zhuǎn)點動 SB3 20025 1 號伺服電機反轉(zhuǎn)點動 SB4 20126 2 號伺服電機正轉(zhuǎn)點動 SB5 20227 2 號伺服電機反轉(zhuǎn)點動 SB6 20328 3 號伺服電機正轉(zhuǎn)點動 SB7 20429 3 號伺服電機反轉(zhuǎn)點動 SB8 20530 4 號伺服電機正轉(zhuǎn)點動 SB9 20631 4 號伺服電機反轉(zhuǎn)點動 SB10 20732 送夾子步進電機正轉(zhuǎn)點動 SB11 20833 送夾子步進電機反轉(zhuǎn)點動 SB12 20915 切苗氣缸 YV5 1010616 垂直氣缸 ( 1 號 +3 號 ) YV6 1010717 垂直氣缸 ( 2 號 +4 號 ) YV7 1020018 夾苗氣缸 ( 1 號 +3 號 ) YV8 1020119 夾苗氣缸 ( 2 號 +4 號 ) YV9 1020220 提升 10mm 氣缸 YV10 1020321 攏苗推氣缸 YV11 1020422 攏苗夾氣缸 YV12 1020523 扶苗氣缸 YV13 1020624 皮帶西 KM5 1020725 自動運行模式指示燈 HL2 1030026 急停指示燈 HL3 1030127 皮帶東 KM6 1030228 皮帶中 KM7 1030329 振動盤 KM8 1030430 電磁鐵 1030531 輸出點預留 1 1030632 輸出點預留 2 1030733 步進電機脈沖 擴模塊脈沖 134 步進電機方向 擴模塊方向 13 嫁接機控制系統(tǒng)程序設計31 控制系統(tǒng)分析自動整排嫁接機的控制程序是基于 CP1H 系列的PLC 指令系統(tǒng) ， 采用 CX programmer 編程軟件匯編控制程序 ， 是保證嫁接機實現(xiàn)嫁接作業(yè)自動化的關鍵所在 ， 需要嚴禁 、細致地分析嫁接作業(yè)過程 ， 以程序驅(qū)動機械結(jié)構(gòu)執(zhí)行動作 ， 達到控制的目的 。實現(xiàn)自動控制的程序分為兩大子程序 : 復位程序段和自動運行程序段 。復位程序段是在開始作業(yè)前使各機構(gòu)獲得初始化位置的必要程序段 。同時 ， 在復位程序段中設置了自動復位和手動復位兩種模式 ， 意義在于手動復位模式能夠根據(jù)現(xiàn)場工況針對性地對每個機構(gòu)位置 、速度等進行點動調(diào)整 ， 避免因初始位置不確定 ， 誤操作對機器造成的干涉碰撞等危險發(fā)生 ; 而自動復位模式則是在確保各機構(gòu)處于安全狀態(tài)下 ， 進行復位操作 ， 使設備的各機構(gòu)運行到系統(tǒng)預設的位置 ， 等待工作 。自動運行程序段是整個嫁接機實現(xiàn)自動化運行的核心程序 ， 程序的運行不僅需要嚴格按照預設的時序執(zhí)行 ， 還應考慮到運行過程中出現(xiàn)的不利干涉及碰撞等問題 ， 都應該通過程序進行合理的消除 。此外 ， 為避免出現(xiàn)緊急情況 ， 設備運行出現(xiàn)干涉等影響機器安全 ， 還配備了腳踏開關 ， 能夠在緊急情況下及時踩下腳踏開關 ， 使整個設備停止運行 。32 關鍵指令分析為實現(xiàn)本嫁接機多功能 、多模式 、高效率的運行 ，選取恰當而又簡潔的程序指令是保證整個系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提 。在工業(yè)控制自動化生產(chǎn)中多使用順序控制 ， 即當前每個動作的發(fā)生都是以上一個動作的有效執(zhí)行及完成為前提 ， 否則當前動作就不會被觸發(fā) ，這種流水線式控制過程多使用指令系統(tǒng)中的 SFT 指·08·2017 年 5 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 5 期令完成 。因此 ， 深入理解和正確使用 SFT 指令 ， 使程序的設計過程事半功倍 ， 且能保證程序執(zhí)行結(jié)果可靠 、有效 。此外 ， 控制伺服電機的準確運行也是本設計中的關鍵 ， 基于 PLC 中的脈沖輸出控制指令 ， 采用脈沖和方向控制類型 ， 選用 PLS2( 887) 脈沖輸出定位指令 ， 能夠滿足本控制系統(tǒng)的需求 。321 SFT 移位指令SFT 指令 ( 見圖 8) 有兩個操作數(shù) ， W1、WX: 若 W1 WX， 則移位過程只在 W1中執(zhí)行 ; 若 W1 WX， 則 W1最低為 W1 00率先被置位 ， 然后逐次往高位移位 ， 直到移位達最高位 WX。該指令執(zhí)行過程如下 ， 當 SFT 指令的數(shù)據(jù)輸入有信號 ， 則 W 數(shù)據(jù)通道的最低位 W1 00=1， 并控制 W1 00= 1 對所制定輸出的端點作出響應動作 ; 然后 ， 當上一動作執(zhí)行完成且輸入端有信號輸入 ，則置位信號從當前位移至下一位 ， 即 W1 00=0、W1 01=1， 在輸入端信號響應之前該位的狀態(tài)會被一直保留 ，后續(xù)步驟按照上述方式循環(huán)執(zhí)行 。指令的復位信號端只要有信號輸入 ， 則不論當前 SFT 移位狀態(tài)如何 ，所有從 W1 00到 WX全部重置為 0 位 ， 即使機器狀態(tài)保持為原狀態(tài) 。( a) SFT 指令( b) 移位原理D1、D2需為同類數(shù)據(jù)通道 。圖 8 SFT 移位原理Fig 8 SFT shifting principle在實際操作中 ， 程序在執(zhí)行過程中往往需要實時暫停 ， 便于記錄 、調(diào)試和觀察 ， 而后又需要程序繼續(xù)運行 ， 而采用 SFC 指令則可以巧妙地設計暫停功能 。實現(xiàn)的方式如下 : 將暫停按鈕的常閉觸點串接在移位信號輸入端的主路上 ， 暫?；謴桶粹o和其他移位觸發(fā)點并聯(lián)在移位信號輸入端的主路上 ; 當暫停信號有效 ，則其對應的常閉觸點被斷開 ， 移位信號輸入端變?yōu)閿嚅_狀態(tài) ， 該指令不受任何移位信號觸發(fā) ， 設備暫停于當前狀態(tài) ; 將該狀態(tài)解除時按下暫停恢復按鈕 ， 則 SFT正常移位至下一位 ， 程序緊接當前狀態(tài)順序往下執(zhí)行 。322 脈沖輸出定位指令PLS2( 887) 脈沖輸出定位指令實現(xiàn)控制步進電機 、伺服電機及速度 、方向 、加速 、減速甚至能控制運轉(zhuǎn)角度 ， 極大地滿足本設計中的工作需求 ; 該指令包括 4 個控制通道 ， P、M、F1、F2。為能夠?qū)崿F(xiàn)準確控制電機的精準運行 ， 還需要采用 MOV( 021) 傳送指令配合 ， 將所需的運行參數(shù)通過該指令傳送至特定的數(shù)據(jù)通道 ， 使得 PLS2( 887) 能夠采集信息并執(zhí)行 。脈沖輸出定位指令執(zhí)行時需要設定以上 4 個通道數(shù)據(jù) ， 參數(shù)設置原理如圖 9 所示 。圖 9 脈沖輸出定位指令Fig9 Pulse output orientation instructions33 控制程序功能模塊自動整排茄科嫁接機的系統(tǒng)程序由各功能單元的子程序構(gòu)成 ， 包括 : 砧木 、穗木苗輸送程序 ， 苗拔取搬運程序 ， 切苗及剩余部分搬移程序 ， 嫁接貼合程序 ， 塑料夾推送程序及栽插 、嫁接苗輸出程序 。在整個系統(tǒng)程序的匯編中將嫁接程序的功能模塊化 、子程序化 、功能化是有效解決程序復雜性 、邏輯性 、調(diào)試便捷性的方法 ; 同時 ， 也增加了程序的可讀性 ， 避免由于程序過長使得程序不易被看懂理解 。通過以上子程序的有機 、協(xié)調(diào)配合 ， 完成整個嫁接系統(tǒng)的匯編 ， 實現(xiàn)機器的自動控制運行 。4 調(diào)試運行基于對程序的分析 ， 將程序?qū)懭肟删幊炭刂茊卧狿LC 中 ， 調(diào)試和檢測各功能單元運行狀況 ， 主要包括時間調(diào)節(jié)和邏輯順序調(diào)節(jié)兩大部分 。41 時間參數(shù)調(diào)節(jié)運行時間是保證整個運行系統(tǒng)的關鍵所在 ， 且整個程序中所包含的時間參數(shù)指令較多 ， 若時間控制不當就會嚴重影響整個系統(tǒng)的工作效率 : 如將各部分時間參數(shù)調(diào)整時間加長將會使嫁接機運行緩慢 ， 降低效率 ; 反之 ， 時間參數(shù)過小 ， 會使執(zhí)行元件動作執(zhí)行不到位 ， 或發(fā)生干涉引起碰撞的危險 。因此 ， 合理適當?shù)臅r間參數(shù)對于系統(tǒng)的運行性能指標至關重要 ， 經(jīng)過實·18·2017 年 5 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 5 期際調(diào)試和運行對時間參數(shù)進行優(yōu)化 ， 將該嫁接的各部分時間參數(shù)設置如表 2 所示 。表 2 主要電氣參數(shù)設定Table 2 The main electric parameter setting控制類型執(zhí)行類型參數(shù)時間/s頻率/Hz功率 其他伺服電動機啟 /停加減速頻率 60運行頻率 4 200模式設置 位置模式步進電機啟 /停加減速頻率 120運行頻率 7 500模式設置 無細分輸送系統(tǒng) 功率設置 20%氣動系統(tǒng)時間參數(shù)設置攏苗推送 20攏苗 08夾苗 08松苗 08攏苗下降 15取苗 20取苗機構(gòu)下降 14空拔苗 18切苗 12推夾 04送夾 10送夾 05攏苗退回 20切苗退回 1242 邏輯順序調(diào)節(jié)嫁接機在實際工作過程中可能會出現(xiàn)部分邏輯順序調(diào)整的情況 ， 為達到執(zhí)行效果最優(yōu)的目的 ， 如部分功能單元初始狀態(tài)距工作位置位置較遠 ， 則可以在初始狀態(tài)下 ， 將該部分功能部件率先移動或動作執(zhí)行到工作位置 。這樣既減少了工作距離 ， 又降低了工作等待時間 ， 是提高程序效率的有效途徑 。43 系統(tǒng)運行測試在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下 ， 進行了工作測試 ， 測試地點為中國農(nóng)業(yè)大學工學院 ， 測試樣本為西紅柿嫁接苗 。其中 ， 穗木 、砧木苗各 3 盤 ， 每盤 50 株 。人工上苗后 ， 進入自動運行 ， 從運行穩(wěn)定到進入循環(huán)開始計時完成嫁接并回到取苗位置等待下一循環(huán)結(jié)束 ， 共計用時 532s， 平均每株用時 3 55s， 完成整排嫁接一次循環(huán)約為 17 7s， 理論嫁接速度可達 1 015 株 /h。測試結(jié)果表明 : 該控制系統(tǒng)具有良好的實用性 ， 達到了高效 、穩(wěn)定的目的 。5 結(jié)論1) 設計了基于 PLC 的一種茄科整排自動嫁接機的控制系統(tǒng) ， 能夠?qū)崿F(xiàn)高效 、穩(wěn)定 、便捷的性能指標 ，達到了控制系統(tǒng)設計的目的 。2) 采用了合理的控制程序設計流程 ， 總結(jié)出一套控制程序設計的基本路線和方法 ， 上機運行調(diào)試 ， 滿足程序設計的要求 。3) 整個控制系統(tǒng)采用了合理的時間參數(shù)配置 ， 穩(wěn)定運行時 ， 嫁接速度理論值可達 1 015 株 /h， 滿足實際生產(chǎn)需求 。參考文獻 : 1 褚佳 ， 張鐵中 ， 張立博 ， 等 套管式蔬菜自動嫁接機出套裝置設計與試驗 J 農(nóng)業(yè)機械學報 ， 2016( 2) : 64 70 2 趙金英 ， 張鐵中 PLC 在自動嫁接機控制系統(tǒng)中的應用 J 中國農(nóng)業(yè)大學學報 ， 2004( 6) : 53 55 3 李中秋 蔬菜嫁接機的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 J 當代農(nóng)機 ，2007( 4) : 61 62 4 辜松 ， 江林斌 國內(nèi)外蔬菜嫁接機的發(fā)展現(xiàn)狀 J 東北農(nóng)業(yè)大學學報 ， 2007( 6) : 847 851 5 劉凱 ， 初麒 ， 辜松 ， 等 茄科蔬菜自動嫁接機的研究現(xiàn)狀 J 農(nóng)機化研究 ， 2011， 33( 2) : 230 233 6 李潔 淺談 PLC 控制系統(tǒng)設計應注意的幾個問題 J 西安航空技術高等?？茖W校學報 ， 2005( 1) : 22 24 7 建忠 ， 李建平 ， 朱盤安 ， 等 斜插式蔬菜嫁接機砧木夾持機構(gòu)研制與試驗 J 農(nóng)業(yè)工程學報 ， 2013( 7) : 30 35 8 辜松 2JC 350 型蔬菜插接式自動嫁接機的研究 J 農(nóng)業(yè)工程學報 ， 2006( 12) : 103 106 9 姜凱 ， 鄭文剛 ， 張騫 ， 等 蔬菜嫁接機器人研制與試驗 J 農(nóng)業(yè)工程學報 ， 2012( 4) : 8 14 10 郭成鎮(zhèn) 基于 CAN 總線的多 PLC 通信控制研究 D 上海 : 上海交通大學 ， 2012 11 江新 基于 CAN 總線的多臺 PLC 通信系統(tǒng)的設計 J 電氣時代 ， 2011( 9) : 104 105 12 楊麗 ， 張鐵中 西紅柿嫁接機控制系統(tǒng)的設計 J 農(nóng)機化研究 ， 2008( 12) : 79 82 13 周樺 電梯 PLC 控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) D 成都 : 電子科技大學 ， 2012·28·2017 年 5 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 5 期 14 馮青春 ， 鄭文剛 ， 吳瑩 ， 等 基于 PLC 自動嫁接機控制系統(tǒng)設計 J 中國農(nóng)機化 ， 2012( 1) : 159 161 15 楊同杰 基于 DSP 的直流伺服電機控制器設計與實現(xiàn) D 南京 : 南京理工大學 ， 2009 16 史孝文 基于 DSP 的直流伺服電機控制系統(tǒng)研究開發(fā) D 昆明 : 昆明理工大學 ， 2005PLC Control System Design for a Kind of Solanaceae whole ow ofAutomatic Grafting MachineYin Quan1， Zhang Tiezhong1， 2， Li Jun1， Chu Jia1， Wu Changbing1， Liu Zhan1( 1 College of Engineering， China Agricultural University， Beijing 100083， China; 2 Key Laboratory of Soil Machine Plant Systematic Technology， Ministry of Agriculture， Beijing 100083， China)Abstract: To meet the demand of modern intelligent agricultural production， improve the working efficiency of the vege-tables grafting and reduce manual labor input or intensity The purpose of this paper is to research an efficient， reliable，and safe solanaceae cleft and attached automatic control system for the whole row of grafting machine Using OMON CP1H series of PLC as the central unit to control the electromagnetic valve， relay， servo motor or stepping motor workingAccording to the process technology of machine operations and debugging installation requirements， applying the CX professional programmer programming software， writing T chat control program to provide automatic operation， single stepoperation and functional unit run independently three models Experiments show that the solanaceae whole row of graftingmachine under automatic model， running time is 5 33s per plant， the efficiency is up to 1050 plants per hourKey words: automatic grafting; PLC; control system; signal identification; debugging and running( 上接第 67 頁 )Abstract ID: 1003 188X( 2017) 05 0063 EAMotion Simulation and Orthogonal Experiment onPole teeth Plastic Film esidue CollectorXie Jianhua， Sun Chaowei， Yang Yelong， Cao Xiaoran( Department of Mechanical and Traffic， Xinjiang Agricultural University， U··r u··mqi 830052， China)Abstract: Pole teeth plastic film collector was designed in accordance with slide way pole teeth hay rake mecha-nism The pose of pole teeth was determined its collection ratio and unloading film performance when the machine isoperating To further investigate the pose variation of pole teeth collection and determine the optimal working condition，the motion simulation and the Orthogonal experiment were carried out Motion simulation was presented pole teeth endtrajectory in the motion of plastic film collector and pole teeth end acceleration curve in different speed ratio By usingthe soil bin trolley experiment， the orthogonal experiment with influence factors of machine operating speed， speed ratio( the ratio of the speed of machine operating and spring tooth axis speed) and the embedded depth of the pole teethfor lifting film was carried out The results was indicated that the variation of speed ratio have greater influence to ma-chine performance compared with that of machine operating speed and the embedded depth of the pole teeth Moreover，the collection ratio of mechanism could reach the optimal level when the machine operating speed was 0 85m/s， thespeed ratio was 1 5， and the embedded depth of the pole teeth for lifting film was 50mmKey words: plastic film residue collector; pick up residual plastic film mechanism; unloading residual plastic filmmechanism; orth