利用PLC技术的采摘机械手电气自动化技术研究

黎洁韶

摘要：经济水平的不断提高，为保证采摘机器人的电气自动化水平，因此，本文从采摘系统的设计方案、基于PLC的采摘机械手测控平台、软件系统设计以及基于PLC采摘机械手控制研究等四个方面入手，对PLC控制系统在采摘领域的应用技术进行深入的研究，旨在为提高采摘作业效率提供参考。

关键词：PLC技术;电气自动化;采摘机械

引言：农业现代化技术的发展，采摘机器人逐渐应用于日常的农业生产中，由于自动化系统仍存在局限性，因而需要引入PLC控制系统，加强PID控制算法的进行改进工作。利用PLC实适用性强、编程简单以及强大的处理能力等优势，实现机械手的自动化与智能化。并将其应用于采摘作业中，提高采摘作业水平。

一、采摘系统的方案设计

为使采摘机械手在进行采摘作业时能够进行自主化、自动化的作业，需要积极的利用相关硬件以及提高自动化程度对机械手进行末端的执行作业。当进行具体的操作作业时，需要在传感器进行果实信息采集后，用相关的处理信息系统依据果实的大小以及颜色实现成熟度的判断，在识别成功后，将果实的成熟度发送给PLC，进一步决定是否实行采摘的命令。若果实不够成熟，无法达到采摘标准，则需要对下一个果实进行上述的识别步骤。若果实已成熟，且符合采摘标准，PLC在接收信号后，能够实现对采摘目标的采摘工作。通常情况下，采摘机器人的机械手想要提高精准程度，需要进行相关的编程工作，利用编程对采摘过程实现控制。当采摘机器人准确到达果实采摘位置后，需要先用采摘机械手进行果实的抓取，并及时启动相关的收割刀具，通过收割刀具将果实的枝柄进行准确的割断的方式获得果实。上述自动化采摘过程利用的是反馈调节的方式，当抓取失败时，能够自主的重新定位抓取位置，直到位置准确，成功抓取并获得果使。在此过程中，若枝柄未一次性割断，则能够继续切割。当取果成功后，采摘机械人将重新到达新的采摘地点，进行下一轮的采摘工作[1]。

二、基于PLC的采摘机械手测控平台

作为采摘果实的重要组成部分采摘机械手的自动化与智能化程度影响果实的采摘质量与水平。因此，采摘机器人的机械手进行果实的采摘过程中需要迅速且灵活可靠。因而在整体过程中需要利用电气自动化的相关控制系统，有效借助PLC相关电气自动化控制系统，利用编程完成不同的自动化的预定任务。采摘机械手也因此多选用PLC测控平台。若要保证PLC能够正常的运行，则需要重视PLC在正常运转工作中需要的基本外围电路中的PLC测控平台，该控制平台作为采摘机器人的机械手定位的重要组成，也是上位机以及信号采集的重要部分。其工作原理为由PLC将传感器收集到的所有信息进行不断的放大，再进行相互的比较之后，与A/D转换后能够及时的获得具体的采集位置的相关信息，通过和预先设定位置相关信息比较的方式，进一步确认采摘机械手末端与待采摘的相关作物之间的距离，从而获得最终的驱动电液比例方向阀，通过不断的移动待采摘末端机械完成采摘的作业任务。除此之外，需要注意的是，在进行采摘机械手的设计过程中，需要依据具体采摘作业的要求，通过开发较多外围接口的方式在进行电气自动化控制时，利用电机进行控制。为保证操作过程的准确度以及减少控制过程中产生的误差，可以在电机进行控制的过程中利用增量式的PI控制的方式完成整体的作业流程。

三、软件系统设计

对于采摘机械手来说，由于软件的自动化和智能化程度影响机械手的操作质量与水平，因而电气自动化控制中系统软件控制具有重要的作用。为保证采摘机械手的机械性能，通常情况下会利用PLC的电液控制系统，与此同时，利用传感器对环境进行全方位的监控与监测。整体作业中，还需加强对采摘区域的监测，进而获得采摘机械手的位置与待采摘果实之间的距离，并进行实时监测。一般来说，采摘机器人的电气自动化控制系统主要由传感器组件、PLC测控平台、电液比例方向阀、比例控制放大器以及机械手执行机构等五部分组成。当机械手在进行作业时，首先，传感器会将采集到的信息传递给PLC的测控平台，其次，测控平台会借助信息处理对比例控制放大器传递相关的控制信号信息，最后，控制电液比例方向阀利用末端的执行机构进行相关的采摘动作完成作业（如图1所示）。与此同时，在整个控制过程中，要先输入采摘机器人和机械手的开始位置信息，借助传感器的采集待作业区与采摘目标之间的距离相关信息，再进行相互的对比实现对机械手位置的调整工作。有效的通过PID的控制程序中的子程序实现控制比例阀的动作。当电气自动化系统执行控制工作时，电机控制方式多借助PID算法中的PI增量式，优势在于可以方式误差的累积。该原理在于增量式控制能够通过加权处理方式进一步消除相关误差。因而，电机控制通常采用PI增量式，进一步实现采摘机械手的自动化与智能化的控制[2]。

四、基于PLC采摘机械手控制研究

通常情况下，采摘机器人的机械手能够实现在采摘作业中自主的识别作物果实。通过自主识别果实之后，再利用移动机器人及时到达作业区域，同时有效借助电气自动化控制系统，使采摘机械手能够对果实准确定位后，将机械手进行固定，采摘末端进行采摘作业。但由于控制系统精度存在一定的误差，导致采摘机械手在进行采摘时出现漏采或破损的情况较多，因而将PLC和PID控制引入到系统中则能够有效的提高系统的整体控制准确程度。同时，采摘机械手电气自动化控制系统的输入与输出量都能借助PLC程序有效的进行控制工作，可以利用MCGS软件设计可视化界面窗口的方式，保证整个过程能够显示出测试的结果。MCGS软件中拥有较多的控制器件库与图形控件，因而能够保障显示系统能够完整的显示整体运行的状态、故障报警等。在PLC采摘机械手的控制系统界面主要由采摘机械手基本控制系统、状态监测系统组成。其中，基本控制系统能够实现对采摘机械手的远程强制干预工作，当发生突發情况时，能够及时暂停采摘机械手。而状态监测则能够实现在机械手作业中对机械的整体作业情况进行全方位的监测，当机械手发生漏采、果实破损率较高时能够及时发出警报。通过整体的测验表明，通过利用采摘机械手进行采摘时，果实的漏采率与破损率都相对较低，进而使采摘机器的采摘精度符合标准要求。

结论：综上所述，为保证采摘机器人的采摘作业质量与效率，基于PLC电气自动化控制系统的同时，积极融入PID控制算法进行设计新采摘机械手的方式，能够有效的通过PLC控制系统实现采摘工作的自主定位。通过不断的对采摘环境进行模拟实验，使采摘工作在PLC电气自动化控制系统的帮助下，实现采摘机器人的自动化与智能化的水平，为推动采摘的精准程度提供有价值的参考。

参考文献：

[1]苑葵，李素静.基于PLC的采摘机器人作业路径避障系统设计[J].农机化研究，2020，42（10）：247-250.

[2]邵长友，刘鹏厚.基于PLC和MCGS的采摘机械手控制系统设计[J].广西农业机械化，2019（02）：43-44.