摘要：本文主要介紹現(xiàn)代農(nóng)業(yè)無(wú)土栽培大棚實(shí)現(xiàn)立體種植搬運(yùn)的系統(tǒng)解決方案。系統(tǒng)采用臺(tái)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(qiáng)大的通訊口以及模塊擴(kuò)展能力，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線組網(wǎng)與絕對(duì)值編碼器閉環(huán)控制；高穩(wěn)定性的PLC適用現(xiàn)場(chǎng)高溫高濕工作環(huán)境。

關(guān)鍵詞：立體種植，無(wú)線組網(wǎng)，永宏P(guān)LC

1行業(yè)介紹

隨著城市化趨勢(shì)的加劇,城市人口的猛增和大量人工環(huán)境的建成,帶來(lái)了環(huán)境污染、土地資源緊缺等系列阻礙創(chuàng)建和諧社會(huì)、影響經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)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(shí)現(xiàn)我國(guó)“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(yáng)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(dòng)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(jì)方案

2.1 方案背景

立方體溫室大棚，設(shè)計(jì)多行多列營(yíng)養(yǎng)液種植槽貨架；槽體長(zhǎng)度8米，最高槽離地達(dá)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(dòng)槽位難度大且不安全?，F(xiàn)場(chǎng)為多列貨架，像叉車類的抬升機(jī)構(gòu)無(wú)法進(jìn)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(jī)械設(shè)計(jì)通過倉(cāng)儲(chǔ)式伸縮手臂進(jìn)行取物抬物與移動(dòng)。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(shí)現(xiàn)各動(dòng)作。分控部分的電控箱分別位于兩邊立柱上，且隨立柱移動(dòng)。站點(diǎn)間無(wú)法敷設(shè)線纜，需考慮動(dòng)力電源、控制信號(hào)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(gè)系統(tǒng)使用?，F(xiàn)場(chǎng)不便敷設(shè)線纜，則電源設(shè)計(jì)考慮采用滑觸線靠近大棚頂端天軌安裝。而主控與兩個(gè)立柱間大量數(shù)據(jù)交換則通過PLC的以太網(wǎng)擴(kuò)展模塊接無(wú)線AP實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)互聯(lián)。另外為了兩個(gè)立柱間動(dòng)作的同步性能，二者間動(dòng)作響應(yīng)與位置糾偏需要快速的通訊互聯(lián)；單獨(dú)使用一個(gè)通訊口通過無(wú)線數(shù)傳模塊實(shí)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(duì)值編碼器反饋?zhàn)鲩]環(huán)。

圖2-3-1控制方案示意圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)水平移動(dòng)、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(dòng)作，實(shí)現(xiàn)立體種植槽的上物、下物、移槽等系列動(dòng)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(cè)部件圖                           圖3-3-3主要反饋部件圖

主要檢測(cè)部件-接近開關(guān)：

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

主要檢測(cè)部件-行程開關(guān)：

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

主要反饋部件-絕對(duì)值編碼器：

各分站水平&垂直方向均加裝多圈拉線式絕對(duì)值編碼器，確保絕對(duì)位置準(zhǔn)確，即使斷電也不需要重新回零對(duì)點(diǎn)。

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(shí)現(xiàn)動(dòng)作；通過CN2中剎車解除引腳通過固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)24V電源接入伺服電機(jī)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(xiàng)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(dòng)德馬格電機(jī)實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(shí)際需求可進(jìn)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(shí)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(biāo)：系統(tǒng)可以達(dá)到30米/分的工作速度，實(shí)際使用情況下，貨架間距離不大，加速行程空間較小，且時(shí)間瓶頸不在于此，加之機(jī)械結(jié)構(gòu)的抗震動(dòng)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(chǎng)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(biāo)錄入的數(shù)據(jù)量。確定好每個(gè)槽位的空間坐標(biāo)位置后，根據(jù)移槽規(guī)則進(jìn)行路徑分解，逐點(diǎn)坐標(biāo)運(yùn)行。

圖3-3-8設(shè)備運(yùn)行圖

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 工藝流程

初始建立系統(tǒng)，需要進(jìn)行系統(tǒng)回零。左右立柱各自空車回復(fù)到各軸原點(diǎn)處，而后程序進(jìn)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(biāo)。

圖4-1-1動(dòng)作規(guī)則設(shè)計(jì)圖

根據(jù)操作設(shè)計(jì)的每列移槽規(guī)則，系統(tǒng)自動(dòng)抓去取物點(diǎn)與放物點(diǎn)槽位坐標(biāo)并進(jìn)行路徑分解。如下圖所示，以單列移槽為例，無(wú)論是中轉(zhuǎn)工位與坐標(biāo)位間轉(zhuǎn)換，還是坐標(biāo)位與坐標(biāo)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(dòng)作共計(jì)6組坐標(biāo)點(diǎn)位。

圖4-1-2路徑分解示意圖

4.2 控制流程

系統(tǒng)啟動(dòng)后根據(jù)移槽規(guī)則進(jìn)行貨架的搬移，空車到達(dá)取物點(diǎn)動(dòng)作后將物體搬運(yùn)至放物點(diǎn)，記錄編號(hào)。根據(jù)相關(guān)參數(shù)設(shè)定緩沖行程，使得各坐標(biāo)點(diǎn)平緩運(yùn)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(jìn)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(jī)械單位，可減少程序設(shè)計(jì)中的計(jì)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(duì)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(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)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(diǎn)難點(diǎn)解決

本系統(tǒng)難點(diǎn)在于無(wú)法進(jìn)行線纜敷設(shè)，只能進(jìn)行無(wú)線通訊，如何實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)與控制信號(hào)的共享。

無(wú)線通訊連接時(shí)無(wú)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(jìn)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(wú)線AP另外組網(wǎng)通訊。且通過條件判斷，分時(shí)通訊不同數(shù)據(jù)。

5.2 實(shí)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(jìn)行配方設(shè)定、存儲(chǔ)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(dòng)作或者原槽位恢復(fù)運(yùn)行。移槽過程各軌跡終點(diǎn)均做低速緩沖防抖，大大提高取物放物的準(zhǔn)確度。無(wú)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(xiàn)】

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