摘要:高架草莓移栽機結構復雜、動作精確度要求高，整機采用9軸獨立驅動控制，完成對草莓苗坨的夾取與移栽及高架間的自主行走，并可對高架設施誤差實現仿形作業。為此，設計一種全新的基于信捷XDM-64T10-E系列PLC的移栽機控制系統。該系統通過控制器發出的脈沖信號，精確控制移栽系統中的伺服電機或步進電機的速度和位移，進而達到速度與位移的精確控制。移栽機中包含有氣缸驅動機構，PLC通過控制電磁閥通斷控制氣缸的伸縮或旋轉，與伺服電機的控制協調同步完成，實現了多機構的并行動作，大大提高了移栽效率。仿真苗的試驗結果表明:移栽機可以完成993株/h，移栽成功率超過90%。

　　關鍵詞:高架栽培;移栽機;仿形作業;信捷PLC

　　0引言

　　草莓作為一種經濟效益極高的農產品，種植面積逐年增大[1-3]，隨著設施農業的發展，草莓的栽培方式也有了新的發展—由地面種植轉向高架栽培[4]。草莓的高架基質栽培，減少了污染，有效降低了土壤因素帶來的不良后果。高架栽培將栽培床的高度提高到作業者舒適的管理高度，省力，降低勞動強度[5-8]。

　　因此，為了進一步節省人力，提高管理效率，草莓苗實現機械化移栽非常必要。目前，草莓移栽主要是由人工完成[5]，國內外未見到草莓移栽機相關報道。人工移栽效率低，勞動作業強度大，根據果農描述，單人移栽草莓苗約為300株/h。目前，市場上的移栽機控制系統結構復雜性較低，研制高級的控制系統具有重要意義。

　　1高架草莓移栽機結構與控制系統需求

　　1.1整機結構及作業原理

　　高架草莓移栽機主要由自主行走底盤、取苗與變距換向機構、穴盤苗間歇輸送機構、豎直運動單元、打孔單元、水平移送及讓位單元、控制系統，以及框架組成[5-6]。高架草莓苗移栽采用穴盤苗育苗，育苗盤規格為32孔(4行8列)，單孔為四棱臺型，上下表面尺寸分別為6.3cm×6.3cm和2.0cm×2.0cm，穴孔深度為11cm。利用育苗穴盤的規格特點，該移栽機實現整排同取雙側高架栽培槽的對稱移栽。1)遙控移栽機行走至高架栽培槽中間，按下遙控器上“作業”按鍵;2)取苗爪移送到穴盤苗上方，同時打孔錘運動至高架槽上方，打孔器依據高架高度仿形打孔，取苗指刺入草莓苗坨[7];3)豎直運動單元帶動水平機構上移拔苗，同時打孔器從栽培槽基質中拔出成孔;4)打孔器讓位，取苗爪移送到所打孔上方;5)豎直運動單元帶動水平機構下移放苗，同時穴盤苗間歇輸送機構間歇送苗。

　　1.2控制系統需求分析

　　根據高架草莓移栽機結構，并結合其作業原理分析。

　　2控制系統硬件設計

　　高架草莓穴盤苗全自動移栽機的設計目標是實現少量人工干預的自動化移栽技術，本文設計遙控和自動作業兩種嵌套控制方式，目的是實現遙控底盤行走進入高架環境及高架間自動仿形作業的功能[8]。

　　2.1系統方案設計

　　高架草莓移栽機控制系統涉及到6個伺服電機、3個步進電機、7個光電測距開關[9]、8個光電限位開關、2個稱重傳感器、兩類氣缸(2個電磁閥)，以及遙控器與接收裝置。

　　2.2基于PLC的控制系統硬件設計

　　2.2.1PLC控制器

　　PLC是整個控制系統的核心[11]，主要負責給伺服電機或步進電機提供驅動脈沖信號，采集光電開關信號、稱重傳感器信號、遙控器接收信號，從而實現高架草莓移栽機的自動仿形精確作業。移栽機控制系統采用無錫信捷公司針對運動控制開發的10軸獨立脈沖控制PLC-XDM-60T10-E，并擴展兩路壓力測量模塊XD-E2WT-A。與其他PLC相比，信捷XDM-60T10-E系列PLC，具有更多的脈沖輸出接口，單機就能獨立控制10個伺服或步進電機，且價格較為合理，是開發高架草莓移栽機的最佳選擇之一。

　　2.2.2系統硬件電路設計

　　信捷PLC端輸出的是“負”脈沖信號，因此伺服電機或步進電機驅動器一側選擇共陽極連接，即將驅動器一側的“PLS+”“DIR+”與“電源+”相連，“PLS-”“DIR-”分別接PLC一側的脈沖輸出端，與電機轉向控制端。

　　3控制系統軟件設計

　　根據移栽機作業原理，在硬件設計的基礎上，圍繞高架高度差自適應方法，水平移送機構讓位協調控制，分析移栽機各運動單元的先后動作順序，并結合移栽機尺寸參數完成軟件設計。

　　3.1軟降方案設計

　　由于高架草莓移栽機的作業過程復雜，因此軟件采取模塊化設計方案，即將軟件按照作業原理分為遙控子程序和自動作業子程序。其中，自動作業子程序包含有底盤前進、間歇送苗、仿形打孔、仿形放苗及取苗換向等子程序。根據移栽作業流程得出移栽動作完成過程中各電機的先后動作順序和動作距離，即完成草莓移栽機的多個電機聯動控制。軟件編寫基于梯形圖語言完成，信捷PLC集成運動控制模塊，PLSF、PLSR等指令均為運動控制開發，可以發送可變頻的脈沖、多段不同頻率的脈沖控制信號，完成伺服/步進電機的控制。

　　3.2基于PLC的控制系統梯形圖程序

　　移栽機控制系統軟件設計采用信捷PLC編輯工具軟件。

　　4移栽機控制系統接線與試驗

　　4.1移栽機控制系統搭建

　　本文將草莓移栽機控制系統部件分別安裝在底盤內部和移栽機框架兩個位置。控制器、遙控單元、底盤行走單元及系統供電單元安裝在底盤行走內部，移栽機控制子單元安裝在移栽機的框架上，控制器控制信號通過50芯的屏蔽線連接控制系統的不同位置部件。

　　4.2移栽機控制系統試驗

　　4.2.1試驗背景與方法

　　根據田間實際情況在實驗室搭建模擬的高架栽培環境，利用圓形鋼管和無紡布制成高架栽培槽，栽培槽高度可調，長度為4m，栽培槽中所用基質為草炭、蛭石、珍珠巖，按照體積比3∶1∶1均勻混合而成。移栽用苗為利用花泥裁剪而成的仿真苗，苗坨為四棱臺形，仿真苗坨上表面尺寸為60mm×60mm，下表面尺寸為20mm×20mm，高度為100mm。由于高架草莓移栽機設計為雙側對稱移栽，因此試驗驗證單邊移栽效果。

　　整排取苗完成后，穴盤苗間歇輸送機構間歇送苗，測量每次間歇送苗的實際距離。試驗由遙控器控制開始，整排苗移栽后，移栽機間歇前進20cm到下一個移栽工位。試驗總共完成5盤仿真苗坨的移栽，每盤苗移栽完成后測量仿真苗坨的株距，行距與栽苗的深度。

　　5結論

　　1)根據高架草莓移栽機的結構和作業原理，分析實現自動作業控制系統的需求，完成了移栽機控制系統的硬件設計。

　　2)針對移栽機控制系統的復雜性，提出了模塊化的軟件設計原理，將軟件按照作業功能模塊拆分，并獨立完成各子塊的軟件編寫。

　　3)移栽機的仿真苗試驗表明:所設計的控制系統能夠很好實現高架草莓移栽機的自動控制作業，移栽成功率超過90%，移栽效率為993株/h。

　　4)研究雖然只針對高架草莓移栽機，但是對其模塊化的編程以及對伺服電機的精確控制方法同樣適用于其他復雜的農業機械的控制軟件。

　　參考文獻:

　　[1]農業部.2014年全國各地蔬菜、西瓜、甜瓜、草莓、馬鈴薯播種面積和產量[J].中國蔬菜，2016(1):56.

　　[2]農業部.2015年全國各地蔬菜、西瓜、甜瓜、草莓、馬鈴薯播種面積和產量[J].中國蔬菜，2017(1):18.

　　[3]農業部.2016年全國各地蔬菜、西瓜、甜瓜、草莓、馬鈴薯播種面積和產量[J].中國蔬菜，2018(1):18.

　　[4]霍恒志，糜林，李金鳳，等.草莓架式基質栽培與地面栽培適應性比較試驗[J].江西農業學報，2010，22(11):48-49.

　　[5]李茂.面向高架栽培的草莓穴盤苗自動移栽系統開發[D].鎮江:江蘇大學，2016.

　　相關刊物推薦：江西農業學報(月刊)創刊于1989年，是由江西省農業科學院和江西省農學會共同主辦的學術類期刊。本刊既刊登栽培育種、植物保護、土壤肥料、園藝園林、蠶桑茶葉、畜牧水產、生物技術、資源環境等方面的研究報告、綜述、研究簡報和實用技術，也發表農業經濟、區域經濟、農業科技管理、農業發展戰略、農產品加工及農業產業化等方面的研究論文、調查報告和對策性文章。