探討自動化控制系統(tǒng)設(shè)計方式

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1取苗機(jī)構(gòu)的主要部分動作控制過程

1．1苗盤輸送的控制過程

苗盤輸送機(jī)構(gòu)的主要功能是把苗盤固定在上面，通過步進(jìn)電機(jī)帶動，每隔一固定時間轉(zhuǎn)動1次，每次只轉(zhuǎn)動1個固定距離(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程

液壓頂苗桿的動作過程是間歇往復(fù)伸縮運動，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到苗盤到達(dá)指定位置時，就驅(qū)動液壓缸反復(fù)伸縮運動。根據(jù)實際需要，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隔板之間。放苗輸送帶由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，可根據(jù)實際作業(yè)要求設(shè)定其轉(zhuǎn)動速度，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，輸送帶等待下一排的穴盤苗的落入。通過上述各機(jī)構(gòu)之間的運動控制配合，可將穴盤苗從穴盤中自動喂入到投苗機(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移栽過程。

2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)是取苗機(jī)構(gòu)的指揮系統(tǒng)，通過它可以讓執(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、編程簡單、體積小和能耗低等特點。因此，本設(shè)計選用PLC作為取苗機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)［8］。在取苗機(jī)構(gòu)自動取苗過程中，主要會涉及到以下幾步:1)苗盤輸送機(jī)構(gòu)處的傳感器1檢測苗盤輸送帶上是否有苗盤。如果沒有，則發(fā)出報警信號。2)液壓頂苗桿處的傳感器2檢測穴盤被頂出的那排穴盤中是否有秧苗。如果有，驅(qū)動液壓缸伸出，頂苗桿將秧苗頂出穴盤;如果沒有，電動機(jī)1啟動，帶動苗盤輸送帶傳動，直至傳感器2檢測到有苗，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檢測其上是否有秧苗。如果有秧苗，電動機(jī)2啟動，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檢測其上是否有秧苗。如果有秧苗，電動機(jī)3啟動，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機(jī)、電磁閥、指示燈和報警信號等相連。各種邏輯控制及時間控制在PLC內(nèi)部實現(xiàn)。

2．1可編程序控制器(PLC)的選擇

首先，根據(jù)設(shè)計的工藝要求確定I/O點數(shù)。其中，輸入13點，輸出10點，再增加10%～20%的備用量，以便隨時增加控制功能。再根據(jù)I/O點數(shù)、編程與程序調(diào)試的靈活性、擴(kuò)展性和性價比等要求，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個輸入點、16個輸出點、2個RS485通訊口。其中，1個通訊口與計算機(jī)相連，1個與操作界面相連，方便編程與調(diào)試。S7－200CPU226包括1個中央處理單元(CPU)、24V直流電源以及數(shù)字量I/O點，這些都被集成在一個緊湊和獨立的設(shè)備中。

2．2步進(jìn)電動機(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)，型號為42BYGH101。

2．3傳感器的選擇選

擇接近開關(guān)作為檢測有無秧苗的傳感器。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。當(dāng)與秧苗接近時，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

3．1手動控制方式

用按鈕操作對裝置的每一種運動單獨進(jìn)行控制。手動運行方式不是控制系統(tǒng)的主要運行方式，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，因此是自動運行方式的輔助方式。所謂緊急情況，是指PLC在故障情況下運行。

3．2自動控制方式

穴盤苗自動取苗機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)上電，系統(tǒng)進(jìn)入上電復(fù)位狀態(tài)。按下啟動按鈕，取苗機(jī)構(gòu)開始工作。裝在苗盤支架上的位置檢測傳感器檢測頂苗桿頂出的該排是否有穴盤苗。若無苗，則驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，帶動送苗傳送帶，直到傳感器檢測到該排存在穴盤苗，電機(jī)則停止運動;若檢測到有苗，則驅(qū)動液壓頂苗桿機(jī)構(gòu)動作，頂苗桿伸出，并將檢測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的每個隔板之間。當(dāng)位置傳感器檢測到隔板之間有秧苗時，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)1，帶動輸送帶1運動，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，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，帶動輸送帶2運動，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)過這樣一個重復(fù)循序的過程，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。在此控制過程中，可通過鍵盤和顯示器設(shè)定參數(shù)，來控制移栽速度及秧苗株距。若在控制過程中，某一部分出現(xiàn)故障，報警裝置啟動報警程序。

4結(jié)束語

本文針對一種新型的穴盤苗頂桿式取苗機(jī)構(gòu)，設(shè)計了自動取苗控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)以PLC控制器為核心，通過步進(jìn)電機(jī)和液壓驅(qū)動系統(tǒng)等來控制機(jī)構(gòu)運動過程。經(jīng)初步試驗，可以完成要求的動作過程，并且可通過調(diào)節(jié)參數(shù)來改變動作速率。在后期的研究中，還需加強控制系統(tǒng)在田間作業(yè)環(huán)境下受各種因素影響時的穩(wěn)定性。該取苗機(jī)構(gòu)的自動化研究對移栽機(jī)械的全自動化有重要意義。

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