摘要：本文主要介紹現(xiàn)代農(nóng)業(yè)無土栽培大棚實現(xiàn)立體種植搬運的系統(tǒng)解決方案。系統(tǒng)采用臺灣永宏P(guān)LC配套永宏伺服、變頻器、HMI、傳感器、開關(guān)電源全套電氣設(shè)備；強大的通訊口以及模塊擴展能力，實現(xiàn)了無線組網(wǎng)與絕對值編碼器閉環(huán)控制；高穩(wěn)定性的PLC適用現(xiàn)場高溫高濕工作環(huán)境。

關(guān)鍵詞：立體種植，無線組網(wǎng)，永宏P(guān)LC

1行業(yè)介紹

隨著城市化趨勢的加劇,城市人口的猛增和大量人工環(huán)境的建成,帶來了環(huán)境污染、土地資源緊缺等系列阻礙創(chuàng)建和諧社會、影響經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的一個重要瓶頸。立體種植與綠化不但節(jié)約用地、投資少、見效快，而且效益十分可觀，是實現(xiàn)我國“節(jié)能減排”戰(zhàn)略和現(xiàn)代化城市改善環(huán)境的最佳途徑之一。立體種植作為新興農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向之一，其在不影響平面栽培的條件下向空間發(fā)展，充分利用溫室空間和太陽能，以提高土地利用率3～5培，可提高單位面積產(chǎn)量2～3倍，可有效緩解城市農(nóng)用土地緊張的問題。立體種植的高效化和自動化不僅為產(chǎn)業(yè)化推廣提供了技術(shù)支撐，也為現(xiàn)代都市農(nóng)業(yè)提供了示范；系統(tǒng)應(yīng)用前景廣闊。

圖1-1行業(yè)應(yīng)用圖

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 方案背景

立方體溫室大棚，設(shè)計多行多列營養(yǎng)液種植槽貨架；槽體長度8米，最高槽離地達6米，各槽種植相應(yīng)農(nóng)作物。而不論是種植后放入貨架或者成熟完移槽收割，人工移動槽位難度大且不安全?，F(xiàn)場為多列貨架，像叉車類的抬升機構(gòu)無法進入貨架區(qū)域工作。

圖2-1-1立體結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 客戶需求

機械設(shè)計通過倉儲式伸縮手臂進行取物抬物與移動。分為左右兩部分，行走于貨架區(qū)域外滑軌上，同步協(xié)調(diào)實現(xiàn)各動作。分控部分的電控箱分別位于兩邊立柱上，且隨立柱移動。站點間無法敷設(shè)線纜，需考慮動力電源、控制信號間如何組網(wǎng)互聯(lián)。

2.3 解決方案

基于安全性與穩(wěn)定性考慮，主控電箱處安裝隔離變壓器將三相380V轉(zhuǎn)為三相220V供整個系統(tǒng)使用?，F(xiàn)場不便敷設(shè)線纜，則電源設(shè)計考慮采用滑觸線靠近大棚頂端天軌安裝。而主控與兩個立柱間大量數(shù)據(jù)交換則通過PLC的以太網(wǎng)擴展模塊接無線AP實現(xiàn)組網(wǎng)互聯(lián)。另外為了兩個立柱間動作的同步性能，二者間動作響應(yīng)與位置糾偏需要快速的通訊互聯(lián)；單獨使用一個通訊口通過無線數(shù)傳模塊實現(xiàn)少量數(shù)據(jù)互聯(lián)傳輸。所有的位置均通過FBS-3SSI模塊接拉線式絕對值編碼器反饋做閉環(huán)。

圖2-3-1控制方案示意圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 硬件配置

根據(jù)控制需求，系統(tǒng)硬件配置如下：

圖3-1-1硬件配置示圖

3.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)采用左右立柱各三軸實現(xiàn)水平移動、垂直升降、取物桿伸縮，通過左右立柱的同步性模擬人雙手的動作，實現(xiàn)立體種植槽的上物、下物、移槽等系列動作。

圖3-2整體設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

3.3 電氣控制

圖3-3-1電氣CAD構(gòu)圖（部分）

圖3-3-2主要檢測部件圖                           圖3-3-3主要反饋部件圖

主要檢測部件-接近開關(guān)：

系統(tǒng)原點確定、動作到位等均采用FATEK接近開關(guān)做檢測，確保動作到位。

主要檢測部件-行程開關(guān)：

系統(tǒng)限位保護，采用各向極限多行程開關(guān)限制保護，確保系統(tǒng)安全性。

主要反饋部件-絕對值編碼器：

各分站水平&垂直方向均加裝多圈拉線式絕對值編碼器，確保絕對位置準確，即使斷電也不需要重新回零對點。

圖3-3-4主要控制部件圖圖                     圖3-3-5主要控制部件圖

主要控制部件-A3交流伺服：

垂直方向采用A3帶剎車交流伺服實現(xiàn)動作；通過CN2中剎車解除引腳通過固態(tài)繼電器驅(qū)動24V電源接入伺服電機剎車。

伺服直接發(fā)脈沖做位置控制；單相A3伺服，其接線方式為主電源R/S端；控制電源接r/t端；永宏A3伺服脈沖控制端口提供5V與24V端子可供選擇，此項目伺服控制脈沖為開集電極24V輸入。

主要控制部件-E10變頻器：

水平方向系統(tǒng)采用E10系列變頻器帶動德馬格電機實現(xiàn)動作。變頻器提供開環(huán)矢量控制與V/F控制模式供選擇，根據(jù)實際需求可進行低頻轉(zhuǎn)矩提升。變頻器速度通過FBS-2DA模塊給定電壓的方式實現(xiàn)調(diào)節(jié)，更穩(wěn)定于通訊。

圖3-3-6控制柜圖

綜合各環(huán)節(jié)功能指標：系統(tǒng)可以達到30米/分的工作速度，實際使用情況下，貨架間距離不大，加速行程空間較小，且時間瓶頸不在于此，加之機械結(jié)構(gòu)的抗震動性等綜合考量，一般正常工作于20米/分的速度。

圖3-3-7現(xiàn)場調(diào)試圖

系統(tǒng)各貨架不同列的相同層別的高度是一致的，而僅水平位置不同，這樣就可以降低坐標錄入的數(shù)據(jù)量。確定好每個槽位的空間坐標位置后，根據(jù)移槽規(guī)則進行路徑分解，逐點坐標運行。

圖3-3-8設(shè)備運行圖

4系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 工藝流程

初始建立系統(tǒng)，需要進行系統(tǒng)回零。左右立柱各自空車回復(fù)到各軸原點處，而后程序進行數(shù)據(jù)清零。根據(jù)各貨架槽位位置錄入X軸與Y軸坐標。

圖4-1-1動作規(guī)則設(shè)計圖

根據(jù)操作設(shè)計的每列移槽規(guī)則，系統(tǒng)自動抓去取物點與放物點槽位坐標并進行路徑分解。如下圖所示，以單列移槽為例，無論是中轉(zhuǎn)工位與坐標位間轉(zhuǎn)換，還是坐標位與坐標位之間轉(zhuǎn)換，均可以分解為取物提升-工作橫移-工作升降-放物橫移-放物下降五步動作共計6組坐標點位。

圖4-1-2路徑分解示意圖

4.2 控制流程

系統(tǒng)啟動后根據(jù)移槽規(guī)則進行貨架的搬移，空車到達取物點動作后將物體搬運至放物點，記錄編號。根據(jù)相關(guān)參數(shù)設(shè)定緩沖行程，使得各坐標點平緩運行。

圖4-2控制流程圖

4.3PLC功能指令應(yīng)用

永宏P(guān)LC內(nèi)置NC定位指令控制伺服方便高效，且可以進行NC定位參數(shù)的規(guī)劃，通過FUN141參數(shù)設(shè)置定位系統(tǒng)為機械單位，可減少程序設(shè)計中的計算量；客戶輸入界面直接為工程單位，便于客戶理解與操控。

圖4-3-1功能指令圖-FUN141

系統(tǒng)采用絕對值編碼器做閉環(huán)反饋，其中編碼器接口有通訊、模擬量、SSI等各種各樣的規(guī)格。本系統(tǒng)選取的是SSI接口編碼器，通過與PLC的SSI模塊進行數(shù)據(jù)對接。FBS-3SSI模塊根據(jù)編碼器特性規(guī)劃如下：

圖4-3-2模塊配置圖

5 結(jié)論

5.1 重點難點解決

本系統(tǒng)難點在于無法進行線纜敷設(shè)，只能進行無線通訊，如何實現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)與控制信號的共享。

無線通訊連接時無法使用到永宏通訊口PORT2模式3的“高速LINK網(wǎng)絡(luò)”數(shù)據(jù)共享功能。在此情況下，相較于“一般LINK網(wǎng)絡(luò)”的ASCII傳輸方式，系統(tǒng)采用較快速的二進制碼傳輸?shù)腗ODBUS RTU的方式通訊。

盡量減少同步共享通訊數(shù)據(jù)量，其他數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)無線AP另外組網(wǎng)通訊。且通過條件判斷，分時通訊不同數(shù)據(jù)。

5.2 實施結(jié)果

整體設(shè)備調(diào)試完成效果良好，客戶可以根據(jù)自己想要的移槽規(guī)則進行配方設(shè)定、存儲與下載使用；省卻了每次修改的操作。移槽過程出現(xiàn)為題可以選擇重新循環(huán)動作或者原槽位恢復(fù)運行。移槽過程各軌跡終點均做低速緩沖防抖，大大提高取物放物的準確度。無線分控的立柱間同步性能滿足客戶要求。

圖5-2-1效果完成圖

【參考文獻】

[1] 范堤商貿(mào)（上海）有限公司. 永宏可編程控制器使用手冊I. 2013

[2] 范堤商貿(mào)（上海）有限公司. 永宏可編程控制器使用手冊II. 2013

[3] 廈門永陞科技有限公司. Unicon-A3交流伺服系統(tǒng) 簡易技術(shù)手冊. 2013

[4] 范堤商貿(mào)（上海）有限公司. FID-E10經(jīng)濟型變頻器用戶手冊. 2015