探讨自动化控制系统设计方式

1取苗机构的主要部分动作控制过程

1．1苗盘输送的控制过程

苗盘输送机构的主要功能是把苗盘固定在上面，通过步进电机带动，每隔一固定时间转动1次，每次只转动1个固定距离(即为穴盘的格子间距)，将1排穴盘苗送到指定的位置，通过液压顶苗杆将秧苗顶出。当整盘苗全部被顶出后，输送装置会将穴盘输送走，进行回收，并且将下一盘苗送到指定位置，从而实现穴盘苗均匀、连续地输送到位。

1．2液压顶苗杆的控制过程

液压顶苗杆的动作过程是间歇往复伸缩运动，目的是将到达指定位置的穴盘苗从苗盘中顶出。当输送定位传感器检测到苗盘到达指定位置时，就驱动液压缸反复伸缩运动。根据实际需要，确定其顶出的距离，即可将整排秧苗顶出，然后顶杆缩回。

1．3放苗输送机构的控制过程

当穴盘苗被顶杆顶出，落入到下方的曲线导苗管由于穴盘苗根部重力大，穴盘苗将直立着落到放苗输送带上的每个隔板之间。放苗输送带由步进电机驱动，可根据实际作业要求设定其转动速度，将秧苗喂入到投苗机构中，由投苗装置再将秧苗进行栽植。当落入到放苗输送带上的一排苗全部喂完后，电机停止转动，输送带等待下一排的穴盘苗的落入。通过上述各机构之间的运动控制配合，可将穴盘苗从穴盘中自动喂入到投苗机构中，由投苗机构将秧苗置入田间开出的沟穴中，进行覆土和镇压等工作，从而完成穴盘苗的整个移栽过程。

2控制系统硬件设计

控制系统是取苗机构的指挥系统，通过它可以让执行器按照规定的要求进行工作。可编程序控制器(PLC)是一种数字运算操作的电子系统，与继电器相比，它具有可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、体积小和能耗低等特点。因此，本设计选用PLC作为取苗机构的控制系统［8］。在取苗机构自动取苗过程中，主要会涉及到以下几步:1)苗盘输送机构处的传感器1检测苗盘输送带上是否有苗盘。如果没有，则发出报警信号。2)液压顶苗杆处的传感器2检测穴盘被顶出的那排穴盘中是否有秧苗。如果有，驱动液压缸伸出，顶苗杆将秧苗顶出穴盘;如果没有，电动机1启动，带动苗盘输送带传动，直至传感器2检测到有苗，液压顶苗杆顶出秧苗后返回原位。3)放苗输送机构输送带1上的传感器3检测其上是否有秧苗。如果有秧苗，电动机2启动，将秧苗喂入栽植机构;如果没有，则等待。4)放苗输送机构输送带2上的传感器4检测其上是否有秧苗。如果有秧苗，电动机3启动，将秧苗喂入栽植机构;如果没有，则等待。在此控制系统中，PLC输入端与传感器、行程开关和按钮等相连，而输出端直接和电动机、电磁阀、指示灯和报警信号等相连。各种逻辑控制及时间控制在PLC内部实现。

2．1可编程序控制器(PLC)的选择

首先，根据设计的工艺要求确定I/O点数。其中，输入13点，输出10点，再增加10%～20%的备用量，以便随时增加控制功能。再根据I/O点数、编程与程序调试的灵活性、扩展性和性价比等要求，选用的可编程序控制器为西门子S7－200系列中的S7－200CPU226。它有24个输入点、16个输出点、2个RS485通讯口。其中，1个通讯口与计算机相连，1个与操作界面相连，方便编程与调试。S7－200CPU226包括1个中央处理单元(CPU)、24V直流电源以及数字量I/O点，这些都被集成在一个紧凑和独立的设备中。

2．2步进电动机的选择

步进电机是将电脉冲转化为角位移的电气设备。脉冲的数量决定了旋转的总角度，脉冲的频率决定了旋转的速度，方向信号决定了旋转的方向。根据被控设备的技术数据，采用二相八拍混合式步进电机，型号为42BYGH101。

2．3传感器的选择选

择接近开关作为检测有无秧苗的传感器。接近开关有3根连接线(红、蓝、黑)，红色接电源的正极，黑色接电源的负极，蓝色为输出信号。当与秧苗接近时，输出电平为低电平，否则为高电平。

3控制系统软件设计

3．1手动控制方式

用按钮操作对装置的每一种运动单独进行控制。手动运行方式不是控制系统的主要运行方式，而是用于设备调试、系统调整和紧急情况下的控制方式，因此是自动运行方式的辅助方式。所谓紧急情况，是指PLC在故障情况下运行。

3．2自动控制方式

穴盘苗自动取苗机构控制系统上电，系统进入上电复位状态。按下启动按钮，取苗机构开始工作。装在苗盘支架上的位置检测传感器检测顶苗杆顶出的该排是否有穴盘苗。若无苗，则驱动步进电机，带动送苗传送带，直到传感器检测到该排存在穴盘苗，电机则停止运动;若检测到有苗，则驱动液压顶苗杆机构动作，顶苗杆伸出，并将检测到的该排秧苗从穴盘中顶出，然后液压顶苗杆缩回。因根部自重，秧苗通过曲线导苗管直立地落到停稳的放苗输送机构输送带1的每个隔板之间。当位置传感器检测到隔板之间有秧苗时，驱动步进电机1，带动输送带1运动，将秧苗喂入到栽植机构中去;当输送带1在投喂秧苗时，苗盘输送机构以及液压顶苗杆继续工作，苗盘输送带将穴盘的第2排送到指定位置，液压顶苗杆将第2排秧苗顶出，并将第2批的秧苗投入到停稳的放苗机构输送带2上的隔板之间，等待投喂;当输送带1上的秧苗全部被喂完之后，步进电机2启动，带动输送带2运动，并且开始喂苗;而停止的输送带1继续接受第3排秧苗的落入。经过这样一个重复循序的过程，取苗机构就能完成连续地向栽植机构中投喂秧苗，以保证移栽机的持续工作，提高移栽效率。在此控制过程中，可通过键盘和显示器设定参数，来控制移栽速度及秧苗株距。若在控制过程中，某一部分出现故障，报警装置启动报警程序。

4结束语

本文针对一种新型的穴盘苗顶杆式取苗机构，设计了自动取苗控制系统。该控制系统以PLC控制器为核心，通过步进电机和液压驱动系统等来控制机构运动过程。经初步试验，可以完成要求的动作过程，并且可通过调节参数来改变动作速率。在后期的研究中，还需加强控制系统在田间作业环境下受各种因素影响时的稳定性。该取苗机构的自动化研究对移栽机械的全自动化有重要意义。

作者：顾文俊 曹卫彬 李卫敏 王侨 单位：石河子大学