摘要：本文主要介紹現代農業無土栽培大棚實現立體種植搬運的系統解決方案。系統采用臺灣永宏PLC配套永宏伺服、變頻器、HMI、傳感器、開關電源全套電氣設備；強大的通訊口以及模塊擴展能力，實現了無線組網與絕對值編碼器閉環控制；高穩定性的PLC適用現場高溫高濕工作環境。

關鍵詞：立體種植，無線組網，永宏PLC

1行業介紹

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

圖1-1行業應用圖

2 系統設計方案

2.1 方案背景

立方體溫室大棚，設計多行多列營養液種植槽貨架；槽體長度8米，最高槽離地達6米，各槽種植相應農作物。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。現場為多列貨架，像叉車類的抬升機構無法進入貨架區域工作。

圖2-1-1立體結構示意圖

2.2 客戶需求

機械設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，行走于貨架區域外滑軌上，同步協調實現各動作。分控部分的電控箱分別位于兩邊立柱上，且隨立柱移動。站點間無法敷設線纜，需考慮動力電源、控制信號間如何組網互聯。

2.3 解決方案

基于安全性與穩定性考慮，主控電箱處安裝隔離變壓器將三相380V轉為三相220V供整個系統使用。現場不便敷設線纜，則電源設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據交換則通過PLC的以太網擴展模塊接無線AP實現組網互聯。另外為了兩個立柱間動作的同步性能，二者間動作響應與位置糾偏需要快速的通訊互聯；單獨使用一個通訊口通過無線數傳模塊實現少量數據互聯傳輸。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。

圖2-3-1控制方案示意圖

3 系統硬件設計

3.1 硬件配置

根據控制需求，系統硬件配置如下：

圖3-1-1硬件配置示圖

3.2 設備結構

該系統采用左右立柱各三軸實現水平移動、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，實現立體種植槽的上物、下物、移槽等系列動作。

圖3-2整體設備結構圖

3.3 電氣控制

圖3-3-1電氣CAD構圖（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：

系統原點確定、動作到位等均采用FATEK接近開關做檢測，確保動作到位。

主要檢測部件-行程開關：

系統限位保護，采用各向極限多行程開關限制保護，確保系統安全性。

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動作；通過CN2中剎車解除引腳通過固態繼電器驅動24V電源接入伺服電機剎車。

伺服直接發脈沖做位置控制；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：

水平方向系統采用E10系列變頻器帶動德馬格電機實現動作。變頻器提供開環矢量控制與V/F控制模式供選擇，根據實際需求可進行低頻轉矩提升。變頻器速度通過FBS-2DA模塊給定電壓的方式實現調節，更穩定于通訊。

圖3-3-6控制柜圖

綜合各環節功能指標：系統可以達到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，加之機械結構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現場調試圖

系統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據量。確定好每個槽位的空間坐標位置后，根據移槽規則進行路徑分解，逐點坐標運行。

圖3-3-8設備運行圖

4系統軟件設計

4.1 工藝流程

初始建立系統，需要進行系統回零。左右立柱各自空車回復到各軸原點處，而后程序進行數據清零。根據各貨架槽位位置錄入X軸與Y軸坐標。

圖4-1-1動作規則設計圖

根據操作設計的每列移槽規則，系統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，無論是中轉工位與坐標位間轉換，還是坐標位與坐標位之間轉換，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

系統啟動后根據移槽規則進行貨架的搬移，空車到達取物點動作后將物體搬運至放物點，記錄編號。根據相關參數設定緩沖行程，使得各坐標點平緩運行。

圖4-2控制流程圖

4.3PLC功能指令應用

永宏PLC內置NC定位指令控制伺服方便高效，且可以進行NC定位參數的規劃，通過FUN141參數設置定位系統為機械單位，可減少程序設計中的計算量；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

系統采用絕對值編碼器做閉環反饋，其中編碼器接口有通訊、模擬量、SSI等各種各樣的規格。本系統選取的是SSI接口編碼器，通過與PLC的SSI模塊進行數據對接。FBS-3SSI模塊根據編碼器特性規劃如下：

圖4-3-2模塊配置圖

5 結論

5.1 重點難點解決

本系統難點在于無法進行線纜敷設，只能進行無線通訊，如何實現快速的數據與控制信號的共享。

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網絡”數據共享功能。在此情況下，相較于“一般LINK網絡”的ASCII傳輸方式，系統采用較快速的二進制碼傳輸的MODBUS RTU的方式通訊。

盡量減少同步共享通訊數據量，其他數據通過以太網無線AP另外組網通訊。且通過條件判斷，分時通訊不同數據。

5.2 實施結果

整體設備調試完成效果良好，客戶可以根據自己想要的移槽規則進行配方設定、存儲與下載使用；省卻了每次修改的操作。移槽過程出現為題可以選擇重新循環動作或者原槽位恢復運行。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（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（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 簡易技術手冊. 2013

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