永宏PLC新农业立体种植系统解决方案

FATEK PLC system solution forthree-dimensional planting new agriculture

摘  要

    本文主要介绍现代农业无土栽培大棚实现立体种植搬运的系统解决方案。系统采用台湾永宏PLC配套永宏伺服、变频器、人机界面、传感器、开关电源全套电气设备；强大的通讯口以及模块扩展能力，实现无线组网与绝对值编码器闭环控制；高稳定性的PLC适用现场高温高湿的工作环境

关键词：立体种植，无线组网，永宏PLC

Abstract

This paper mainly introduces the modern agriculturein soilless culture in greenhouse stereo planting system solutions forhandling. System uses FATEK complete electrical equipment; with strongcommunication module extending capabilities to achieve wire-free networking andabsolute encoder closed loop control; High stability of the PLC for hightemperature and high humidity environment.

Key words:Three-dimensionalplanting, Wireless network, FATEK PLC.

1、行业介绍

    随着城市化趋势的加剧,城市人口的猛增和大量人工环境的建成,带来了环境污染、土地资源紧缺等系列阻碍创建和谐社会、影响经济可持续发展的一个重要瓶颈。立体种植与绿化不但节约用地、投资少、见效快，而且效益十分可观，是实现我国“节能减排”战略和现代化城市改善环境的最佳途径之一。立体种植作为新兴农业的发展方向之一，其在不影响平面栽培的条件下向空间发展，充分利用温室空间和太阳能，以提高土地利用率3～5培，可提高单位面积产量2～3倍，可有效缓解城市农用土地紧张的问题。立体种植的高效化和自动化不仅为产业化推广提供了技术支撑，也为现代都市农业提供了示范；系统应用前景广阔。

图1-1行业应用图

2 、系统设计方案

2.1 方案背景

图2-1-1立体结构示意图

2.2 客户需求

机械设计通过仓储式伸缩手臂进行取物抬物与移动。分为左右两部分，行走于货架区域外滑轨上，同步协调实现各动作。分控部分的电控箱分别位于两边立柱上，且随立柱移动。站点间无法敷设线缆，需考虑动力电源、控制信号间如何组网互联。

2.3 解决方案

基于安全性与稳定性考虑，主控电箱处安装隔离变压器将三相380V转为三相220V供整个系统使用。现场不便敷设线缆，则电源设计考虑采用滑触线靠近大棚顶端天轨安装。而主控与两个立柱间大量数据交换则通过PLC的以太网扩展模块接无线AP实现组网互联。另外为了两个立柱间动作的同步性能，二者间动作响应与位置纠偏需要快速的通讯互联；单独使用一个通讯口通过无线数传模块实现少量数据互联传输。所有的位置均通过FBS-3SSI模块接拉线式绝对值编码器反馈做闭环。

图2-3-1控制方案示意图

3 系统硬件设计

3.1 硬件配置

根据控制需求，系统硬件配置如下：

图3-1-1硬件配置示图

3.2 设备结构

 该系统采用左右立柱各三轴实现水平移动、垂直升降、取物杆伸缩，通过左右立柱的同步性模拟人双手的动作，实现立体种植槽的上物、下物、移槽等系列动作。

图3-2整体设备结构图

3.3 电气控制

图3-3-1电气CAD构图（部分）

图3-3-2主要检测部件图

图3-3-3主要反馈部件图

主要检测部件-接近开关：

系统原点确定、动作到位等均采用FATEK接近开关做检测，确保动作到位。

主要检测部件-行程开关：

系统限位保护，采用各向极限多行程开关限制保护，确保系统安全性。

主要反馈部件-绝对值编码器：

各分站水平&垂直方向均加装多圈拉线式绝对值编码器，确保绝对位置准确，即使断电也不需要重新回零对点。

图3-3-4主要控制部件图图

图3-3-5主要控制部件图

主要控制部件-A3交流伺服：

垂直方向采用A3带刹车交流伺服实现动作；通过CN2中刹车解除引脚通过固态继电器驱动24V电源接入伺服电机刹车。

伺服直接发脉冲做位置控制；单相A3伺服，其接线方式为主电源R/S端；控制电源接r/t端；永宏A3伺服脉冲控制端口提供5V与24V端子可供选择，此项目伺服控制脉冲为开集电极24V输入。

主要控制部件-E10变频器：

水平方向系统采用E10系列变频器带动德马格电机实现动作。变频器提供开环矢量控制与V/F控制模式供选择，根据实际需求可进行低频转矩提升。变频器速度通过FBS-2DA模块给定电压的方式实现调节，更稳定于通讯。

图3-3-6控制柜图

       综合各环节功能指标：系统可以达到30米/分的工作速度，实际使用情况下，货架间距离不大，加速行程空间较小，且时间瓶颈不在于此，加之机械结构的抗震动性等综合考量，一般正常工作于20米/分的速度。

图3-3-7现场调试图

       系统各货架不同列的相同层别的高度是一致的，而仅水平位置不同，这样就可以降低坐标录入的数据量。确定好每个槽位的空间坐标位置后，根据移槽规则进行路径分解，逐点坐标运行

图3-3-8设备运行图

4系统软件设计

4.1 工艺流程

初始建立系统，需要进行系统回零。左右立柱各自空车回复到各轴原点处，而后程序进行数据清零。根据各货架槽位位置录入X轴与Y轴坐标。

图4-1-1动作规则设计图

       根据操作设计的每列移槽规则，系统自动抓去取物点与放物点槽位坐标并进行路径分解。如下图所示，以单列移槽为例，无论是中转工位与坐标位间转换，还是坐标位与坐标位之间转换，均可以分解为取物提升-工作横移-工作升降-放物横移-放物下降五步动作共计6组坐标点位

图4-1-2路径分解示意图

4.2 控制流程

系统启动后根据移槽规则进行货架的搬移，空车到达取物点动作后将物体搬运至放物点，记录编号。根据相关参数设定缓冲行程，使得各坐标点平缓运行。

图4-2控制流程图

4.3PLC功能指令应用

永宏PLC内置NC定位指令控制伺服方便高效，且可以进行NC定位参数的规划，通过FUN141参数设置定位系统为机械单位，可减少程序设计中的计算量；客户输入界面直接为工程单位，便于客户理解与操控。

图4-3-1功能指令图-FUN141

        系统采用绝对值编码器做闭环反馈，其中编码器接口有通讯、模拟量、SSI等各种各样的规格。本系统选取的是SSI接口编码器，通过与PLC的SSI模块进行数据对接。FBS-3SSI模块根据编码器特性规划如下：

图4-3-2模块配置图

5.1 重点难点解决

本系统难点在于无法进行线缆敷设，只能进行无线通讯，如何实现快速的数据与控制信号的共享。

无线通讯连接时无法使用到永宏通讯口PORT2模式3的“高速LINK网络”数据共享功能。在此情况下，相较于“一般LINK网络”的ASCII传输方式，系统采用较快速的二进制码传输的MODBUS RTU的方式通讯。

尽量减少同步共享通讯数据量，其他数据通过以太网无线AP另外组网通讯。且通过条件判断，分时通讯不同数据。

5.2 实施结果

整体设备调试完成效果良好，客户可以根据自己想要的移槽规则进行配方设定、存储与下载使用；省却了每次修改的操作。移槽过程出现为题可以选择重新循环动作或者原槽位恢复运行。移槽过程各轨迹终点均做低速缓冲防抖，大大提高取物放物的准确度。无线分控的立柱间同步性能满足客户要求。

图5-2-1效果完成图

【参考文献】

[1] 永宏可编程控制器使用手册I.        2013

[2] 永宏可编程控制器使用手册II.       2013

[3]  Unicon-A3交流伺服系统 简易技术手册. 2013

[4]  FID-E10经济型变频器用户手册.        2015