探討自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式

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1取苗機(jī)構(gòu)的主要部分動(dòng)作控制過(guò)程

1．1苗盤輸送的控制過(guò)程

苗盤輸送機(jī)構(gòu)的主要功能是把苗盤固定在上面，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)，每隔一固定時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)1次，每次只轉(zhuǎn)動(dòng)1個(gè)固定距離(即為穴盤的格子間距)，將1排穴盤苗送到指定的位置，通過(guò)液壓頂苗桿將秧苗頂出。當(dāng)整盤苗全部被頂出后，輸送裝置會(huì)將穴盤輸送走，進(jìn)行回收，并且將下一盤苗送到指定位置，從而實(shí)現(xiàn)穴盤苗均勻、連續(xù)地輸送到位。

1．2液壓頂苗桿的控制過(guò)程

液壓頂苗桿的動(dòng)作過(guò)程是間歇往復(fù)伸縮運(yùn)動(dòng)，目的是將到達(dá)指定位置的穴盤苗從苗盤中頂出。當(dāng)輸送定位傳感器檢測(cè)到苗盤到達(dá)指定位置時(shí)，就驅(qū)動(dòng)液壓缸反復(fù)伸縮運(yùn)動(dòng)。根據(jù)實(shí)際需要，確定其頂出的距離，即可將整排秧苗頂出，然后頂桿縮回。

1．3放苗輸送機(jī)構(gòu)的控制過(guò)程

當(dāng)穴盤苗被頂桿頂出，落入到下方的曲線導(dǎo)苗管由于穴盤苗根部重力大，穴盤苗將直立著落到放苗輸送帶上的每個(gè)隔板之間。放苗輸送帶由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可根據(jù)實(shí)際作業(yè)要求設(shè)定其轉(zhuǎn)動(dòng)速度，將秧苗喂入到投苗機(jī)構(gòu)中，由投苗裝置再將秧苗進(jìn)行栽植。當(dāng)落入到放苗輸送帶上的一排苗全部喂完后，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，輸送帶等待下一排的穴盤苗的落入。通過(guò)上述各機(jī)構(gòu)之間的運(yùn)動(dòng)控制配合，可將穴盤苗從穴盤中自動(dòng)喂入到投苗機(jī)構(gòu)中，由投苗機(jī)構(gòu)將秧苗置入田間開出的溝穴中，進(jìn)行覆土和鎮(zhèn)壓等工作，從而完成穴盤苗的整個(gè)移栽過(guò)程。

2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)是取苗機(jī)構(gòu)的指揮系統(tǒng)，通過(guò)它可以讓執(zhí)行器按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作?？删幊绦蚩刂破?PLC)是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，與繼電器相比，它具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、體積小和能耗低等特點(diǎn)。因此，本設(shè)計(jì)選用PLC作為取苗機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)［8］。在取苗機(jī)構(gòu)自動(dòng)取苗過(guò)程中，主要會(huì)涉及到以下幾步:1)苗盤輸送機(jī)構(gòu)處的傳感器1檢測(cè)苗盤輸送帶上是否有苗盤。如果沒有，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)。2)液壓頂苗桿處的傳感器2檢測(cè)穴盤被頂出的那排穴盤中是否有秧苗。如果有，驅(qū)動(dòng)液壓缸伸出，頂苗桿將秧苗頂出穴盤;如果沒有，電動(dòng)機(jī)1啟動(dòng)，帶動(dòng)苗盤輸送帶傳動(dòng)，直至傳感器2檢測(cè)到有苗，液壓頂苗桿頂出秧苗后返回原位。3)放苗輸送機(jī)構(gòu)輸送帶1上的傳感器3檢測(cè)其上是否有秧苗。如果有秧苗，電動(dòng)機(jī)2啟動(dòng)，將秧苗喂入栽植機(jī)構(gòu);如果沒有，則等待。4)放苗輸送機(jī)構(gòu)輸送帶2上的傳感器4檢測(cè)其上是否有秧苗。如果有秧苗，電動(dòng)機(jī)3啟動(dòng)，將秧苗喂入栽植機(jī)構(gòu);如果沒有，則等待。在此控制系統(tǒng)中，PLC輸入端與傳感器、行程開關(guān)和按鈕等相連，而輸出端直接和電動(dòng)機(jī)、電磁閥、指示燈和報(bào)警信號(hào)等相連。各種邏輯控制及時(shí)間控制在PLC內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。

2．1可編程序控制器(PLC)的選擇

首先，根據(jù)設(shè)計(jì)的工藝要求確定I/O點(diǎn)數(shù)。其中，輸入13點(diǎn)，輸出10點(diǎn)，再增加10%～20%的備用量，以便隨時(shí)增加控制功能。再根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)、編程與程序調(diào)試的靈活性、擴(kuò)展性和性價(jià)比等要求，選用的可編程序控制器為西門子S7－200系列中的S7－200CPU226。它有24個(gè)輸入點(diǎn)、16個(gè)輸出點(diǎn)、2個(gè)RS485通訊口。其中，1個(gè)通訊口與計(jì)算機(jī)相連，1個(gè)與操作界面相連，方便編程與調(diào)試。S7－200CPU226包括1個(gè)中央處理單元(CPU)、24V直流電源以及數(shù)字量I/O點(diǎn)，這些都被集成在一個(gè)緊湊和獨(dú)立的設(shè)備中。

2．2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的電氣設(shè)備。脈沖的數(shù)量決定了旋轉(zhuǎn)的總角度，脈沖的頻率決定了旋轉(zhuǎn)的速度，方向信號(hào)決定了旋轉(zhuǎn)的方向。根據(jù)被控設(shè)備的技術(shù)數(shù)據(jù)，采用二相八拍混合式步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)為42BYGH101。

2．3傳感器的選擇選

擇接近開關(guān)作為檢測(cè)有無(wú)秧苗的傳感器。接近開關(guān)有3根連接線(紅、藍(lán)、黑)，紅色接電源的正極，黑色接電源的負(fù)極，藍(lán)色為輸出信號(hào)。當(dāng)與秧苗接近時(shí)，輸出電平為低電平，否則為高電平。

3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3．1手動(dòng)控制方式

用按鈕操作對(duì)裝置的每一種運(yùn)動(dòng)單獨(dú)進(jìn)行控制。手動(dòng)運(yùn)行方式不是控制系統(tǒng)的主要運(yùn)行方式，而是用于設(shè)備調(diào)試、系統(tǒng)調(diào)整和緊急情況下的控制方式，因此是自動(dòng)運(yùn)行方式的輔助方式。所謂緊急情況，是指PLC在故障情況下運(yùn)行。

3．2自動(dòng)控制方式

穴盤苗自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)上電，系統(tǒng)進(jìn)入上電復(fù)位狀態(tài)。按下啟動(dòng)按鈕，取苗機(jī)構(gòu)開始工作。裝在苗盤支架上的位置檢測(cè)傳感器檢測(cè)頂苗桿頂出的該排是否有穴盤苗。若無(wú)苗，則驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)送苗傳送帶，直到傳感器檢測(cè)到該排存在穴盤苗，電機(jī)則停止運(yùn)動(dòng);若檢測(cè)到有苗，則驅(qū)動(dòng)液壓頂苗桿機(jī)構(gòu)動(dòng)作，頂苗桿伸出，并將檢測(cè)到的該排秧苗從穴盤中頂出，然后液壓頂苗桿縮回。因根部自重，秧苗通過(guò)曲線導(dǎo)苗管直立地落到停穩(wěn)的放苗輸送機(jī)構(gòu)輸送帶1的每個(gè)隔板之間。當(dāng)位置傳感器檢測(cè)到隔板之間有秧苗時(shí)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)1，帶動(dòng)輸送帶1運(yùn)動(dòng)，將秧苗喂入到栽植機(jī)構(gòu)中去;當(dāng)輸送帶1在投喂秧苗時(shí)，苗盤輸送機(jī)構(gòu)以及液壓頂苗桿繼續(xù)工作，苗盤輸送帶將穴盤的第2排送到指定位置，液壓頂苗桿將第2排秧苗頂出，并將第2批的秧苗投入到停穩(wěn)的放苗機(jī)構(gòu)輸送帶2上的隔板之間，等待投喂;當(dāng)輸送帶1上的秧苗全部被喂完之后，步進(jìn)電機(jī)2啟動(dòng)，帶動(dòng)輸送帶2運(yùn)動(dòng)，并且開始喂苗;而停止的輸送帶1繼續(xù)接受第3排秧苗的落入。經(jīng)過(guò)這樣一個(gè)重復(fù)循序的過(guò)程，取苗機(jī)構(gòu)就能完成連續(xù)地向栽植機(jī)構(gòu)中投喂秧苗，以保證移栽機(jī)的持續(xù)工作，提高移栽效率。在此控制過(guò)程中，可通過(guò)鍵盤和顯示器設(shè)定參數(shù)，來(lái)控制移栽速度及秧苗株距。若在控制過(guò)程中，某一部分出現(xiàn)故障，報(bào)警裝置啟動(dòng)報(bào)警程序。

4結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)一種新型的穴盤苗頂桿式取苗機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了自動(dòng)取苗控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)以PLC控制器為核心，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)和液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等來(lái)控制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程。經(jīng)初步試驗(yàn)，可以完成要求的動(dòng)作過(guò)程，并且可通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)來(lái)改變動(dòng)作速率。在后期的研究中，還需加強(qiáng)控制系統(tǒng)在田間作業(yè)環(huán)境下受各種因素影響時(shí)的穩(wěn)定性。該取苗機(jī)構(gòu)的自動(dòng)化研究對(duì)移栽機(jī)械的全自動(dòng)化有重要意義。

作者：顧文俊 曹衛(wèi)彬 李衛(wèi)敏 王僑 單位：石河子大學(xué)