基于PLC的采摘机械手电气自动化技术研究

摘    要：

科学技术的发展使得现代农业的生产方式发生了巨大的改变，特别是采摘机器人的应用，在农业生产中的采摘环节，有效使用智能化机器人代替了人工采摘，不仅生产效率大幅度提升，同时也明显降低了人工工作量，真正将人解放出来，使农业生产力水平得到大幅度提高。本文对基于PLC的采摘机械手电气自动化技术进行深入研究，结合当前我国采摘机械手电气自动化技术的实际发展情况，提出科学合理的建议，为了进一步优化采摘机械手电气自动化技术水平，提高采摘机械手的智能化和自动化控制水平，提供可靠的参考意见。

关键词: PLC; 采摘机械手;电气自动化技术;

Research on Electrical Automation Technology of Picking Manipulator based on PLC

Niu Meng

Abstract：

The development of science and technology has brought great changes to the production methods of modern agriculture,especially the application of picking robots.In the picking process of agricultural production,intelligent robots are effectively used instead of manual picking,which not only greatly improves production efficiency,but also significantly reduces the manual workload,truly liberates people,and greatly improves the level of agricultural productivity.This paper conducts in-depth research on the electrical automation technology of the picking manipulator based on PLC,and puts forward scientific and reasonable suggestions based on the actual development of the electrical automation technology of the picking manipulator in China to further optimize the electrical automation technology level of the picking manipulator,improve the intelligence and the level of automatic control,providing reliable reference.

Keyword：

PLC; picking manipulator; electrical automation technology;

科学技术的不断发展，带动了现代农业生产技术的不断更新，使得现代农业生产活动的机械化水平大幅度提高。特别是电气自动化、人工智能等技术在现代农业生产活动中的有效应用，使得具有自主作业能力的机械成为农业生产过程中的主要力量，采摘机器人就是其中之一。但是，自动化控制系统具有一定的局限性，而受到这种局限性的影响，传统采摘机器人的实际应用效果并不理想，主要表现为采摘效率较和智能代水平较低。基于这一问题，随着PLC控制系统的不断成熟和完善，其实践应用范围也越来越广泛，将PLC控制系统与传统采摘机器人进行有机融合，能够有效提高采摘机械手的电气自动化技术水平，从而使采摘机器人的作业效率以及智能化、自动化控制水平，都得到大幅度提升，对推动现代农业产业的机械化发展，发挥了不可替代的重要作用。

1 PLC控制系统概述

PLC控制系统是以传统顺序控制器作为基础，同时将微电子、计算机、自动控制以及通讯等先进技术融入其中，从而形成了新型工业控制装置，这就是PLC控制系统。在实际应用中，PLC控制系统具有很多优势，如通用性强、适用范围广、操作方便、编程简单、性能可靠，而且还具有非常强的抗干扰能力。除此之外，PLC的处理能力是非常强大的，将其应用于采摘机械手之中，能够有效实现采摘机械手的自动化控制，从而有效完成各种采摘作业任务，使采摘机器人的整体运行效率，得到明显提升[1]。

2 基于PLC的采摘机械手测控平台概述

机械手是采摘机械器的重要组成部分，也是完成采摘工作的关键部件。因此，采摘机械手提自动化和智能化水平，对农业生产中的采摘活动效率具有直接的影响，主要表现为采摘效率和质量水平的高低。在实际开展采摘活动时，要求采摘机械手必须具有良好的性能，包括行动迅速、灵活，而且对采摘的精确度要求较高，必须准确可靠，只有这样才能够有效完成采摘任务，高质量、高水平地完成农业生产活动。而要达到这一目标，就需要在采摘机械手中应用电气自动化控制系统，有效提高对采摘机械手的控制水平，实现智能化、自动化控制，显著提高控制精确度，优化采摘机械手的整体性能质量。

基于PLC的电气自动化控制系统，具有能够预定任务并根据预定条件完成任务的优势性能。其具体做法是，提前根据需要完成的任务进行编程，设定好采摘作业任务要求，然后基于PLC的电气自动化控制系统就会依照程序设定运行，有效控制采摘机械手完成预定任务，保证采摘质量和效率。

PLC测控平台是采摘机械手的重要组成部分，同时也是确保PLC电气自动化控制系统能够正常运行的关键零部件。在上位机以及信号采集过程中，PLC测控平台承担着重要的枢纽作用，能够将传感器采集的信息，通过PLC进行放大、整形和比较，然后和A/D转换，进而获得准确的采集位置信息，并与程序设定的信息进行对林，从而准确判断机械手示端与待采摘作物之间的距离，最后根据得到的准确信息，再驱动电液比例方向阀，准确控制采摘机械手，移动到待采摘的作果所在位置，顺利进行采摘作业，完成采摘任务。

注意，在进行采摘机械手设计工作中，可以根据采摘作业的实际需求，对外围接口数量可以进行合理调整，必要时可开发更多的外围接口。对于自动化控制的方式，可采用电机控制中的增量式PI控制方式，从而有效提高控制精确度，使控制误差得到有效降低[2]。

3 采摘机械手电气自动化控制软件系统设计

采摘机械手自动化控制的有效实现，是以计算机软件技术作为基础的。因此，对于采摘机械手电气自动化控制系统软件的设计，是最为关键的一个环节，也是决定采摘机械手智能化水平以及实际应用效果的关键部分。所以，为了有效优化采摘机械手的智能化、自动化控制水平，提高采摘机器人的整体性能，必须对相关软件系统进行科学合理的设计。以PLC电液控制系统作为基础，充分利用传感器实现环境监测功能，确保采摘机械手在作业过程中，能够实现对采摘区域的实时监测，以确保控制系统能够实时获得采摘机械手位置、待采果实位置以及两者之间的距离等相关信息，进而对采摘机械手进行精准控制，有效保证采摘作业质量。

采摘机器人的电气自动化控制系统结构可以分为五个部分，分别是传感器组件、PLC测控平台、比例控制放大器、电液比例方向阀以及机械手执行机构。采摘机械手在进行作业时，需要由传感器进行信息采集，然后将采集到的信息传送到PLC测控平台中。PLC测控平台会对信息进行处理，然后根据处理结合，再将控制信号发送至比例控制放大器中，根据控制信号的要求，对电液比例方向阀实施控制，从而通过联动作用使采摘机械手的末端执行机构根据控制信号的要求，执行采摘作业。

在对采摘机械手电气自动化控制软件进行系统设计时，必须明确控制的主要流程。在对采摘机械手进行自动化控制的过程中，主要流程如下：

首先，需要对采摘机器人及机械手的实如位置信息进行输入。其次，对于待作业区域以及待采摘的目标，使用传感器对其进行信息采集，确定采摘机械手末端执行机构与待采目标的距离。然后通过对比分析，对采摘机械手的位置进行调整。最后，需要利用PID控制程序，对子程序进行控制，从而使比例阀能够按照相关要求作出相应的动作，完成采摘任务。

注意，在使用电气自动化系统对采摘机械手进行控制时，应采用PID算法中的PI控制方式，对电机实施控制，从而确连控制的连续性。除此之外，在软件设计过程中，通过应用增量式PI控制，还能够有效避免误差累加现象的发生。这是因为增量式控制与3次数据相关，能够实施加权处理，多而有效消除误差造成的不良影响。因此，和其他控制方式相比，增量式PI控制更适合采摘机械手的电要控制要求，对优化采摘机械手的整体性能，具有积极的作用。

在软件设计过程中，应用增量式PI控制算法，需要对比例增益情况进行精准计算，还要计算出积分时间这一数据，然后设计允许的误差范围，利用相关计算公式进行一系列计算工作，能够准确得到增量控制数值，从而为优化采摘机械手的自动化控制精确度水平，提供可靠的参数依据。

4 基于PLC的采摘机械手控制系统研究

采摘机器人对采摘目标具有自主识别功能，能够有作业过程中自主识别作物果实。识别之后，通过控制系统传达命令，准确地将采摘机器人移动到作业区域，并由采摘机械手执行采摘命令，对果实进行准确定位，再固定机械手位置，然后由采摘机械手的末端执行机构来完成采摘任务。在这过程中，控制系统的精度水平，会对采摘作业的结果产生直接影响。如果控制系统的精度水平较低，就会导致较高的果实漏采率以及破损率，不仅无法有效完成采摘任务，还会对果实造成不必要的损害，影响果实的经济价值，降低农业生产活动的经济效益。因此，将PLC与PID控制系统与采摘机械手进行有机融合，能够全面优化采摘机械手的电气自动化控制水平，使其控制精度大幅度提高，从而有效提高采摘效率和采摘质真，真正实现提高生产效率的目的，既减轻了农民的工作量，同时也能够提高农业生产效率，创造更大的经济价值。

所以，对基于PLC的采摘机械手控制系统进行深入研究，是我国进行现代化农业建设工作不可或缺的一项重要工作。通过研究发现，对于采摘机械手电气自动化控制系统来说，其控制内容主要分为输入量和输出量两个部分，而这两部分，都可以利用PLC程序对其实施自动化控制。而且，为了更好地应用PLC程序，使采摘机械手的电气自动化控制性能水平得到显著提升，在实际应用过程中发挥出更高水平的应用价值，还可以设计可视化界面窗口，使用MCGS软件中的近制器件库、图形控件等功能，对采摘机械手的电气自动化控制系统进行有效完善，使其不仅能够对采摘机械手末端执行机构实现高精度控制，还能够建立状态监测系统，实现对采摘机械手系统运行状态的实时监测、当前值显示以及故障报警等功能。除此之外，还可以建立对采摘机械手的远程控制功能，实施远程强制干预，在遇到突发情况时，确保采摘机械手能够具有较好的急停功能。特别是在漏采或破损率较高时，能够及时发出警报，这对保证采摘质量，具有至关重要的影响。

通过实践测试证明，基于PLC的采摘机械手，其电气自动化控制水平大幅度提高。在采摘作业过程中，破损及漏采率非常低，控制精度高，能够充分满足采摘机械人的设计以及实践作业要求。

5 结语

综上所述，为了加强我国现代农业建设，提高农业机械化水平，需要对采摘机械手电气自动化技术不断进行深入研究，通过更新技术，特别是将PLC控制系统与采摘机械手电气自动化技术进行有机结合，能够用提高采摘机械手的智能化和自动化水平，使采摘机械手的控制精度得到大幅度提高，从而进一步优化现代农业的机械化生产水平和生产质量。

参考文献

[1] 尤向阳.采摘机械手伺服控制系统电气自动化设计——基于PLC控制器[J].农机化研究，2019(12)：5.

[2]赖文雅，王心海，凌永发，等.采摘机械手运动控制及避障研究一 基于PLC和物联网远程控制[J].农机化研究，2019, 041(001): 201-205.