目錄

1引言.........................................................5

1.1研究的目的與意義......................................................5

1.2國內外研究現狀.........................................................6

1.2.1國外研究現狀.....................................................6

1.2.2國內研究現狀.....................................................7

1.3主要研究內容及方法.....................................................8

1.3.1主要研究內容.....................................................8

1.3.2研究方法與技術路線...............................................9

2移栽機構設計要求及其理論分析.................................10

2.1煙草移栽農藝流程及機構設計要求.......................................11

2.1.1煙草缽苗移栽的農藝流程..........................................11

2.1.2移栽機構設計要求.................................................11

2.2移栽機構工作原理......................................................12

2.3移栽軌跡與姿態要求....................................................13

2.4移栽過程的理論分析....................................................M

3控制系統設計................................................15

3.1PLC技術概述.........................................................15

3.1.1PLC的基本組成.................................................15

3.1.2PLC的工作原理.................................................16

3.2控制系統的基本構成和設計.............................................17

3.3控制系統設計基本原則..................................................19

3.4控制系統的硬件設計...................................................20

3.4.1控制系統的硬件選型..............................................20

3.4.2控制系統電路連接................................................24

3.5控制系統的軟件設計....................................................25

3.5.1控制系統流程....................................................25

3.5.2編程軟件的介紹..................................................27

3.5.3PLC的程序設計.................................................28

4結論與展望......................................................31

4.1結論..................................................................31

4.2主要創新點............................................................31

4.3展望.....................................................................................................................................32

致謝..............................................................33

參考文獻............................................................34

摘要

隨著農業現代化的不斷推進，高效的移栽技術對于提高作物的種植效率和質量具有

重要意義。本研究旨在設計一種基于PLC控制的煙草移栽機，以滿足煙草種植的農藝要

求，提高移栽作業的自動億水平。通過對國內外移栽機械的研究現狀進行分析，結合煙

草的生長習性和移栽農藝流程，提出了一種新型的移栽機構設計方案。該方案采用極坐

標式栽植機構，通過步進電機和擺動機構的復合運動實現精準移栽。研究內容包括移栽

機構的設計理論、控制系統的設計及其實現方法。通過仿真分析和實驗驗證，結果表明

所設計的移栽機能夠滿足煙草移栽的要求，具有較高的實用價值和推廣潛力。

關鍵詞：煙草移栽；全自動移栽；PLC；

1引言

1.1研究的目的與意義

在我國，一個以農業為主的國家，移栽是一種常見的農作技術，廣泛應用于水稻、

烤煙、辣椒、棉花和番茄等作物的種植過程中。運莊這種方法有助于縮短作物的成長時

間，降低幼苗缺失的風險，提高壯苗的比例，并減少作物遭受病蟲害的可能性。尤其對

于中國東北和西北這樣氣候寒冷干燥地區短促的生長季節，以及長江流域和華北地區積

溫不足影響兩熟作物種植的問題，移栽顯示出其獨特的優勢。

如今，水稻種植已普遍實現全自動機械化移栽，而旱作物則依舊主要依賴人工移栽，

輔以半自動移栽機械。這類半自動設備在操作過程中需要工人手動投送苗木，且人工投

苗的極限頻率為每分鐘約60株。連續作業時，操作工人容易因長時間緊張勞作而產生

疲勞，這可能導致漏栽現象的發生，進而制約了作業速度和整體效率。

當前使用較多的半自動移栽機結構類型包括非圓齒輪行星輪式、吊籃式、鏈夾式、

提性圓盤式和鉗夾式等。這些機型在設計時需要根捱具體作物的物理形態和種植技術要

求來確定移栽軌跡，因而它們通常只適用于某些特定作物。由于機械結構限制，這些軌

跡并非最優化，也缺乏靈活性。當作物種類或種植技術要求變更，如株距、種植深度或

取苗參數調整時，現有的移栽機無法適應新的條件，這可能會影響種植質量。而且，要

改動移栽機的軌跡，通常需要對機械結構進行重新設計，這不僅增加了工作量，也拖延

了生產周期。s

為了解決上述問題，本研究提出了通過修改PLC程序控制移栽軌跡的方案，可以

更加靈活快捷地調整種植機構的運動軌跡，以適應多樣的作物和種植技術要求。在我國

需通過移栽種植的多種作物中，烤煙扮演著一個非常重要的角色。鑒于烤煙栽培涉及的

農藝環節非常復雜，包含多個步驟，本研究選取烤煙移栽作為特定的研究對象。

本研究提出了一種基于極坐標的栽植機構設計，它結合了直線和擺動的動作，由步

進電機推動，并通過可編程邏輯控制器（PLC）來指導其運動軌跡。這個機構能夠在運

行過程中完成包括取苗、輸送、栽植以及返回等一連串動作。通過對PLC程序的調整，

該機構可以更精確地滿足特定的移栽要求，如確保取苗動作與營養缽軸線平行、逐漸增

速的取苗過程、冬速栽植與可控的栽植角度，這對于提升移栽效果至關重要。此外，該

設計因其自動化程度高、適應性強以及結構簡潔而適用于多種作物和不同的移栽技術要

求。此研究不僅為移栽機械自動化的提升開拓了新路徑，也為實現全自動移栽機械的通

用化發展奠定了基礎。

1.2國內外研究現狀

1.2.1國外研究現狀

移栽機械技術的發展歷程涵蓋了多個階段，從早期的半自動設備到現在的全自動化

機械。在這個過程中，歐美和日本一直是該領域的技術先鋒。自20世紀20年代開始研

究以來，這些國家先是開發了各式各樣的半自動移栽機械，如吊籃式、鉗夾式、撓性圓

盤式和導苗管式等。到了20世紀80年代，這些半自動設備在一些發達地區如歐洲，已

經開始廣泛應用。

然而，全自動移栽機械盡管在技術上取得了進展，卻因其復雜的機械結構、高昂的

價格、低下的效率以及較差的適應性，而在市場上普及存在困難。全自動移栽機械的研

發依然是一個挑戰，需要解決成本和效能的平衡問題。

在國際上，日本的移栽機械技術尤其突出。考慮到日本的農業用地面積普遍較小和

勞動力短缺的背景，日本設計的移栽機器通常小巧、高度精密化，并注重自動化。然而，

這些設備的結構復雜，維護和運行成本較高，也是它們的主要缺點。日本的移栽機器主

要被應用于水稻、甜菜、煙草和洋蔥等經濟作物的栽種，其中久保田、井關和洋馬公司

是該行業的佼佼者。

以久保出公司設計制造的KN-P6型移栽機為例，這是一種以撓性圓盤為核心的半

自動移栽設備，特別適用于大蔥等作物的移栽。在其工作過程中，操作者首先將秧苗置

于運動的傳送帶上，接著傳送帶將秧苗送至撓性圓盤的中心。當撓性圓盤被壓緊并開始

旋轉時，秧苗隨之移動至目標區域，然后圓盤釋放秧苗，讓它落入預先開好的溝槽中，

最后完成覆土。雖然這類機器結構簡單、成本較低，但其生產效率有限，并且撓性圓盤

的耐用性相對較差，會影響機器的使用壽命。

圖1-1日本久保田撓性圓盤式半自動移栽機

1.2.2國內研究現狀

我國在移栽機械的研究與發展方面開始較晚，但得益于近年來國家經濟的快速增長

和科學研究人員的持續努力，我國的移栽機械化水平已經實現了顯著的提升。自20世

紀60年代起，中國不僅自行研發了移栽機械，也開始引進國外的技術和設備。雖然這

些引進的機械主要針對經濟作物，但它們在適應性、效率和作業穩定性方面存在的問題

限制了它們的廣泛應用。

進入1970年代，中國成功自主研發了適用于甜菜裸根苗的半自動移栽機。1980年

代，中國又研發出了玉米專用的半自動移栽機。到了1990年代初，隨著研究和開發的

加快，中國成功設計并生產了多種類型的半自動移栽機，包括鏈夾式、撓性圓盤式、鉗

夾式、吊籃式和導苗管式，每一種都有其獨特的功能和適用的作物范圍。

目前，我國正在積極開展全自動移栽機的研究工作，旨在進一步提高農業生產的自

動化水平和效率。這標志著我國在移栽機械領域的研究與發展已步入一個新的階段，朝

著技術的深度和廣度同時推進。隨著技術的不斷成熟和創新，可以預見我國在未來的農

業機械化進程中將發揮更大的作用。

我國研發的鉗夾式和鏈夾式半自動移栽機在工作原理上大致相同，具體可以通過兩

個實例來闡述：吉林工業大學研制的2ZT型鉗夾式甜菜移栽機和南通富來威公司研制

的2ZQ型鏈夾式油菜移栽機。以鏈夾式移栽機為例，其工作過程主要包括：操作人員將

秧苗放置到秧苗夾中，秧苗夾持有秧苗并在滑道上移動。當移動到栽植點的最低位置時，

秧苗夾打開，秧苗在重力的作用下落入預先準備好的苗溝中。然后，進行覆土和鎮壓工

作，完成移栽過程。這種移栽方式能夠確保秧苗的株距精確、姿態較為直立，機械結構

簡潔，制造成本較低。然而，這種方式的栽植效率不高（一般為30到45株/分鐘），并

且容易導致秧苗受損或漏種，同時調整株距也較為困難。盡管這些機型在國內市場上有

所出現，但并未大規模生產。

圖1-112ZT型鉗夾式甜菜移栽機

圖1-122ZQ型鏈夾式油菜移栽機

1.3主要研究內容及方法

1.3.1主要研究內容

在分析國內外移栽機械的發展現狀后，結合我國煙草移栽的特定需求和現行技術，

創新設計了一種基于極坐標系統的栽植裝置。此裝置由步進電機驅動，能夠完成取苗、

輸送、植入土壤及返回等一系列動作。栽植機構的運作軌跡可以通過編程PLC軟件進

行靈活調整，無需對機械本身重新設計，這樣不僅自動化水平高，而且具有很高的靈活

性和適應性，以及簡化的結構，從而極大地提高了移栽機的通用性。研究的主要內容包

括：

1.分析國際國內的機型，確定了一個全自動移栽機的關鍵工作部分，該部件不僅結

構簡化、適應性強，而且具有高度通用性。針對煙草栽植，研制了栽植機構，并調整軌

跡，確保其精確性，并驗證了其實現特定軌跡的獨特能力。

2.根據煙草移栽的農業要求和設計規范，設計了理想的移栽軌跡，并闡述了實現這

種軌跡的原理與相關機械結構。計算了取苗、輸送、植入及返回過程中各階段的時間分

fid,設定了步進電機和直線模組在每個階段的運行參數，為模擬仿真和控制系統參數設

置提供了參考。

3.利用Solidworks軟件進行三維建模與裝配，根據設計方案加工出樣機。

4.使用Adams仿真軟件進行動態仿真和分析，得到特定部位的相對和絕對運動軌

跡，以及速度和位移曲線，從而驗證設計的可行性和準確性。

5.設計控制系統，選擇控制系統所需硬件和配置，使用GXworks2編程軟件進行控

制系統的編程和開發，并進行調試以確保控制系統的設計正確性。

6.采用高速攝像技術捕捉移栽過程，通過PCC后期處理軟件分析實際軌跡，并將

其與理論和仿真軌跡進行比對，以驗證設計的可行性和準確性。

1.3.2研究方法與技術路線

研究方法概括為：首先，深入研究和分析國際和國內的移栽機械技術發展，結合我

國煙草移栽的技術要求，借助自動化技術對移栽機械的運動軌跡及其結構設計進行創新

設計。然后，采用三維建模軟件構建模型，并制作出相應的物理樣機。接著，通過仿真

軟件對設計進行仿真分析，以及對控制系統進行精心設計。最終，使用高速攝像技術捕

捉樣機的運行情況，通過后期處理軟件分析其實際運動軌跡，并將所得數據與理論和仿

真結果進行對比，以驗證設計的準確性和實用性。相關的技術流程圖提供了一幅直觀的

研究方法視圖。

圖1?28技術路線

2移栽機構設計要求及其理論分析

設計一種煙草移栽機構首先需要了解煙草移栽的農藝要求和移栽機構的功能，以確

定移栽機構的運行軌跡和結構形式，并對其進行理論分析?，為虛擬仿真和控制系統設計

提供理論依據。

2.1煙草移栽農藝流程及機構設計要求

2.1.1煙草缽苗移裁的農藝流程

在烤煙生產過程中，移栽環節扮演著至關重要的角色。目前，烤煙的移栽工作主要

依賴于手工操作，輔以半自動化設備。盡管手工移栽方式具備較高的可控性和靈活性,

且對煙苗外形的一致性要求不高，但這種方法勞動強度大，效率較低。針對烤煙栽植,

己經形成了一套標準的農藝流程，包括起壟、挖穴、施肥、澆水、覆土及覆蓋塑料膜等

步驟，統一被稱為膜下移栽技術。在云南、福建等地區，還采用了先覆膜后移栽的技術

流程，即先覆蓋塑料膜，再進行挖穴、移栽、施肥和澆水等步驟，這被統稱為膜上移栽

技術。我國開發的烤煙移栽設備主要模仿手工移栽流程，普遍采用膜下移栽技術。膜上

移栽技術在挖穴時容易對地膜造成破損，影響栽植質量，這一問題還需進一步解決。由

干移栽流程的復雜性，目前的移栽機具備多項功能，結構相對復雜，而歐美和日韓國家

研發的移栽機通常功能較為單一。移栽機的作業包括取苗、送苗、栽植和返回等環節，

往往需要多個不同的部件來完成這些操作，這也增加了機械的結構復雜度。

煙苗移栽的農藝要求包括：

1.起壟：需形成梯形壟，土壤細碎且緊實，壟間距為10至12厘米，壟高為20至

30厘米，壟頂寬40厘米。

2.煙苗：適合機械移栽的煙苗應挺拔健壯，高度為12至16厘米，營養缽緊實。

3.移栽過程：在取苗時應避免對煙苗造成傷害，如夾傷莖稈、損傷根系等。

4.移栽后：煙苗株距應為45至60厘米，均勻一致，并保持莖稈與地面夾角大于

萬度的直立狀態，防止倒伏。

5.在移栽時，于煙苗周圍8厘米范圍內施加口肥，有利于煙苗吸收肥料，防止煙苗

燒傷。

6.每株煙苗在移栽時的注水量應不少于1.5公斤，根據土壤濕度適當調整。

綜上，煙苗移栽的目標是確保煙苗移栽后能夠維持良好的生長狀態，實現較高的成

活率和直立度，同時減少漏苗和倒伏的現象，以保障烤煙生產的質量和效率。

2.1.2移栽機構設計要求

本文所設計的移栽機構是要與成穴、施肥、注水和覆膜機構融為一體，構成煙草移

栽復式作業機。所設計的移栽機構要求能獨立完成從秧盤中取出煙苗，并將煙苗平穩運

送到挖好的穴坑內，最后回到初始位置的栽植循環。移栽機構的設計要求在滿足移栽的

農藝要求的基礎上，除了要滿足其要實現的功能外，還要滿足其可靠性要求，考慮其制

造成本和實際工作環境。移栽機構的設計要求如下：

（1）功能要求。移栽機構可以獨立完成取苗、送苗、栽植和回程的一系列環節。

取苗時夾爪運行軌跡要平行于煙苗莖稈軸線，速度要由慢逐漸加快，避免因初始速度過

快對煙苗造成沖擊損傷；送苗與回程路徑要短、速度要快，以提高栽植頻率；栽植環節

要確保零速投苗，為提高煙苗的直立度，煙苗必須在夾持狀態下即開始覆土，夾爪略上

提煙苗后張開進入回程。

（2）可靠性要求：對移栽機構有可能出現的失效情況或者故障進行預判，分析原

因，以此指導部件的合理結構設計與選材，確保設計質量。

（3）經濟性要求：參考已有移栽機構工作原理，篩選出最優原理并進行創新優化,

得到對能滿足功能要求的設計方案并盡可能避免不必要的制造成本。

（4）工作環境：移栽機構的設計需要考慮不受振動和灰塵的影響。

2.2移栽機構工作原理

本設計中的煙草移栽機械整體構造如下所示。步進電機與減速器整合為一單元直接

安裝于試驗臺架之上，其中步進電機通過與減速器的輸入端連接以驅動該系統。減速器

固定于試驗臺架上，其輸出端經由一組減速齒輪傳動至旋轉軸，從而驅動旋轉軸旋轉。

旋轉軸的另一端連接至直線模組的托盤匕而直線模組則通過螺栓牢固安裝在托盤上。

夾爪裝置被安置在直線模紀的滑動臺上，實現精確的移動和定位。該同步帶直線模組的

工作原理基于同步帶，該帶裝置在模組兩端的同步輪.匕一端配有驅動輪，另一端為從

動輪，滑臺則固定在兩輪之間的同步帶上，以實現平穩的直線運動。

1.試驗臺架2.減速器3.步進電機4.減速齒輪組5.直線模組6.旋轉軸7.直線

模組托板8.夾爪機構

圖2-1整體結構圖

在本研究設計的煙草移栽試驗臺中，步進電機在控制系統的調節下啟動，其旋轉通

過傳動系統傳遞至旋轉軸，使得與旋轉軸相連的直線模組相應擺動。此直線模組上的夾

爪機構隨著模組滑臺的直線移動而移動。夾爪機構根據直線模組滑臺的不同速度和方向

變化，執行各種運動軌跡。夾爪的開合動作由推桿式電磁鐵控制，電磁鐵通電時夾爪閉

合，斷電時夾爪張開。該移栽機構設計完成一次種植任務的整個運動周期，包括取苗、

送苗、植入以及返回等步驟，具體工作周期如下：

初始階段：設定夾爪機構的起始點為取苗點，此時直線模組與苗盤垂直，相位角為

155°o

取苗：控制直線模組驅動滑臺和夾爪機構向后上方移動，完成取苗動作。

送苗：夾爪機構隨著直線模組繼續逆時針旋轉60°,完成送苗動作。

植入：夾爪機構隨直線模組再逆時針轉動4。，完成植入動作。

提苗：夾爪機構隨直線模組繼續逆時針轉動1。，完成提苗過程，在此過程中夾爪

釋放煙苗，讓其落入苗穴。

返回：步進電機控制直線模組從當前位置順時針轉動65。回到初始位置，完成返回

過程，為下一個移栽周期做準備。

在整個運動周期中，滑臺通過拖動夾爪機構以各種不同的速度和位移執行相應的動

作，從而完成一次完整的種植周期，為下一周期的移栽作業做好準備。

2.3移栽軌跡與姿態要求

在設計煙草缽苗移栽機械的操作軌跡時，考慮到了農藝的精準需求，確保整個移栽

過程既高效乂對苗木友好。移栽軌跡分為兩個關鍵階段：取苗與栽植。

取苗階段的設計側重于精確地從缽盤中提取煙苗，確保苗木安全無損。這一階段的

特點是：開始時夾爪與煙苗近乎垂直，偏差不超過15°,以確保可以精確抓取苗木；苗

木夾持點位于營養缽表面以上30毫米的位置，確保夾取穩定；取苗動作的軌跡為直線，

長度至少為50毫米，以超過缽盤深度40毫米，確保順利完成拔苗動作，而且速度控制

在較慢，減少對苗木的傷害。

栽植階段的設計則側重于將煙苗平穩、準確地栽入土中。這一階段特點包括：夾爪

運送煙苗至栽植區的速度要快，以減少時間消耗；栽植時，夾爪移動軌跡與地面平行，

并足夠長，確保與機具前進速度同步，實現“有效零速投苗”，從而保證苗木的直立度

和栽植質量；夾爪在土壤內的深度約為10厘米；完成栽植后，需要輕提苗木以確保其

直立和覆土的均勻性，避免根部空洞；最后夾爪釋放苗木并快速返回，準備下一輪操作，

同時確保回程時避開已栽植的苗木，避免傷害。

總體而言，該設計旨在通過精確控制取苗和栽植的速度和軌跡，以滿足煙草種植的

特定需要，保證苗木的生長條件，同時提高移栽的效率和質量。

2.4移栽過程的理論分析

本設計的移栽機械在完成一次煙苗移栽的整個周期內，預設的操作頻率為每分鐘30

次，這意味著機械完成一次完整的移栽操作需要大約2秒鐘。為了確保移栽操作的高效

率和煙苗的安全，對移栽過程中的各個階段進行了細致的時間規劃和分配，目的是優化

核心操作環節的運動參數，同時縮減送苗與回程的時間。具體的時間分配策略如下：

1.取苗階段：此階段的速度設計為先慢后快。初始慢速是為了防止因快速動作而對

煙苗及其營養缽造成損傷。當煙苗與缽盤分離后，速度迅速提升，旨在加快整個取苗過

程，提升栽植效率。

2.栽植階段：本階段分配了相對較多的時間，目的是確保煙苗能夠準確無誤地直立

栽植，保證栽植質量。

3.送苗階段：在不影響煙苗穩定性的前提下，盡可能提高運輸速度，以減少送苗時

間。

4.預取苗及回程階段：考慮到這兩個階段機械不攜帶煙苗，因此設計為高速運行，

以此來提高移栽機械的工作頻率。

為了達到“零速移栽”的效果，即在栽植階段實現夾爪末端與地面平行的宜線運動，

必須精確調整步進電機的轉角和速度，以及直線模組的行程和運行速度，使得在栽植過

程中，夾爪末端能夠實現預期的平行運動。通過理論分析和參數設計，確保了步進電機

和直線模組在栽植階段的運動參數相互匹配，以實現高效且質量可靠的移栽操作。

3控制系統設計

3.1PLC技術概述

PLC是控制系統的關鍵組成部分，它能夠接收多種類型的信號，并基于這些信號發

出相應的控制指令，以確保系統按照既定的要求運行。PLC的優勢在于它的高適應性、

用戶友好的操作界面、卓越的可靠性、強大而靈活的功能，以及出色的抗干擾性能和易

于編程性質。在本項目中，我們選用了三菱電機公司生產的3U系列PLC來滿足我們的

控制需求。這款PLC不僅具備上述提到的所有優點，而且它的性能穩定可靠，能夠有效

地實現復雜的控制邏輯，滿足本文設計的高標準要求。

3.1.1PLC的基本組成

PLC的構造主要涵蓋七個核心部分，分別是中央處理單元（CPU）、I/O擴展接口、

數字輸入接口、數字輸出接口、存儲器、通信接口以及電源模塊。這些組成部分的互動

和功能分配確保了PLC能夠高效、可靠地執行控制任務，其結構框圖為參考文獻中的

圖5-1所展示。

1.中央處理單元（CPU）：CPU是PLC的大腦，負責解析和執行存儲在存儲器中的

程序指令。它通過周期性地掃描來監測輸入信號，根據程序邏輯處理這些信號，然后產

生相應的輸出控制信號。

2.I/O擴展接口：I/O擴展接口允許PLC系統連接更多的輸入和輸出設備，從而擴

展其控制能力。

3.數字輸入接口：通過數字輸入接口，PLC可以接收來自各種傳感器和開關的信

號，這些信號反映了外部設備和系統的狀態。

4.數字輸出接口：數字輸出接口使PLC能夠控制外部執行器，如繼電器、電機和

其他輸出裝置，以執行相應的動作。

5.存儲器：存儲器在PLC中扮演著至關重要的角色，不僅存儲執行程序，還保存

必要的操作數據以及用戶和系統程序。它確保了PLC可以忠實地執行預定的控制邏輯。

6.通信接口：通信接口的設計目的是為了實現PLC與其他設備（如計算機、打印

機和編程設備等）之間的數據交換，它是PLC系統集成和遠程監控的關鍵。

7.電源：電源模塊為PLC系統及其所有組件提供必要的電力支持，確保系統穩定

運行。

通過這樣的設計，PLC能夠實現其作為自動化控制系統中樞的功能，對輸入信號進

行快速、準確的處理和響應，從而控制外部設備按照既定的程序運行，以完成各種自動

化任務。

3.1.2PLC的工作原理

PLC通過執行存儲在其內部存儲器中的程序來控制其操作。當PLC開始運行這些

程序時，它會依照預設的程序順序進行。一旦程序執行完畢，PLC并不會立即停止，而

是會重新開始從頭執行控制程序，這一過程將循環進行，直至收到停止命令。

操作開始時，首先對PLC進行上電操作，使其系統和電路進入初始化狀態。此后，

PLC會進行自我檢測，確保系統和電路的正常運行。一旦確認系統和電路無誤，PLC便

通過通信接口與外圍設備建立通信連接。通信完成后，PLC進入輸入采樣階段，此時它

會檢測并記錄來自開關、傳感器和按鈕等輸入設備的狀態。

根據這些輸入設備的狀態，PLC接著執行用戶設定的程序，在程序運行結束后，PLC

會更新輸出信號，以產生相應的控制信號來驅動外剖設備。輸出更新完成后，PLC不會

停滯不前，而是重新開始自我診斷過程，進而再次執行程序，形成一個循環運行的過程。

這一連串的操作步驟確保了PLC能夠不斷地根據輸入信號調整其輸出，從而控制

與之相連的外部設備按照既定的邏輯和順序工作。PLC的工作流程可以通過特定的流程

圖進行詳細說明，這有助于理解其操作邏輯和過程。

圖5-2PLC的工作過程

3.2控制系統的基本構成和設計

這個PLC控制系統涉及一系列的硬件元件組合，構建了一個復雜的自動化控制網

絡。各個部分的功能如下：

1.PLC控制器：系統的大腦，負責邏輯處理和發出控制命令。

2.直線模組：實現直線運動，用于精準定位。

3.步進電動機：提供旋轉動力，用于執行精確的角度調整。

4.步進電機驅動器與直線模組驅動器：分別為步進電動機和直線模組提供電力和

控制信號，確保它們按照PLC的指令運行。

5.擺動定位傳感器：監測機械部件的位置，確保其處于正確的擺動或定位狀態。

6.直線限位開關：用于檢測直線模組的運動極限，保證運動不超出預定范圍。

7.啟動按鈕和停止按鈕：提供用戶界面，允許操作員啟動和停止系統。

8.開關電源：為PLC控制器和其他電氣設備提供穩定的電源。

9.計算機：用于編程PLC或作為操作界面，監控系統狀態。

10.電磁鐵：執行機械動作，如夾緊或釋放物體。

11.中間繼電器：在PLC控制信號和高功率負載之間提供接口，保護PLC不受高

電流損害。

這些組件共同工作，形成了一個高度集成和自動化的控制系統，能夠執行復雜的任

務，如機械定位、對象搬運和自動化組裝。系統的硬件結構為實現特定的自動化過程提

圖5-3PLC控制系統組成

這個控制系統的設計精細，通過4個輸入信號和5個輸出信號實現對機械運動的精

確控制。下面是這些輸入和輸出信號的詳細描述：

輸入信號

1.直線限位開關：用于確定直線模組是否已經到達其運動軌跡的起點或終點，確保

運動在安全的范圍內進行。

2.擺動定位傳感器：監測機械部件的確切位置，用于精準控制其擺動或定位。

3.啟動按鈕：一個手動控制輸入，允許操作員啟動系統。

4.停止按鈕：用于立即停止系統運行，增加了額外的安全措施。

輸出信號

1.直線模組的脈沖和方向控制信號：控制直線模組的運動速度和方向，以實現精確

的位置控制。

2.步進電機的脈沖和方向控制信號：控制步進電機的旋轉速度和方向，用于精準的

角度調整。

3.電磁鐵控制信號；用于控制電磁鐵的通電和斷電，實現機械夾爪的開閉動作。

這些信號的集成和協調運作，使得系統能夠自動控制步進電機和直線模組的運動,

以及實現夾爪等機械執行器的精確操作。通過為每個I/O端口明確定義功能（如表5-1

所示），系統能夠以高效和可靠的方式執行復雜的自動化任務，如產品裝配、物料搬運

等。這種詳細的信號定義和端口配置是實現自動化控制系統高度精確和可靠性的關鍵。

表5-1I/O端口定義

輸入信號功能說明輸出信號功能說明

X000啟動Y000直線模組脈沖

X001停止Y001步進電機脈沖

X002直線初始檢測Y003控制夾爪開合

X003擺動初始檢測Y004直線模組方向

Y005步進電機方向

3.3控制系統設計基本原則

在設計PLC控制系統時，遵循以下關鍵原則來確保系統的有效性和適應性：

分析和規劃

1.細致分析性能參數：在設計初期，仔細研究煙草的物理和操作特性，明確其動態

行為和響應特點。這包括分析煙草移栽所需的力度、速度和精度等運動參數。

2.規劃運動過程：基于煙草的特性，規劃每一步運動的方式和過程，以確保整個移

栽工作能夠順利、高效地完成。

3.模擬運動序列：在實際操作前，模擬整個運動序列，預測可能出現的問題，以減

少操作中的失誤和意外。

可擴展性與改進

1.設計可擴展的架構：確保控制系統的設計能夠容納未來的升級和擴展，比如增加

新的輸入/輸出端口、集成額外傳感器或實施更復雜的控制算法。

2.預留空間和接口：在物理硬件布局和軟件編程中預留足夠的空間和接口，以適應

未來可能的功能添加或性能提升需求。

安全性、可靠性和經濟性

1.確保操作安全：系統設計必須遵守相關的安全標準和規定，包括應急停止機制和

越限保護。

2.保持可靠性：選擇經過驗證的組件和技術，建立健壯的控制邏輯，以保隙系統在

長時間運行中的可靠性。

3.追求簡潔經濟：在滿足功能和性能需求的基礎上，追求設計的簡潔性，選擇成本

效益高的解決方案，簡化后期的使用、維護和修理工作。

通過遵循這些設計原則，可以確保PLC控制系統不僅能夠有效地完成煙草移栽任

務，還能在不斷變化的生產需求中保持其適應性和持久的價值。

3.4控制系統的硬件設計

3.4.1控制系統的硬件選型

（1）PLC控制器扮演著控制系統核心的角色，它的主要職責是接收和處理各種輸

人信號一一這些信號可能來源于傳感器、用戶界面的啟動/停止按鈕等一一并基于這些

信息，輸出控制信號以驅動電機等執行元件進行特定的動作。選擇合適的PLC控制流

對于確保整個控制系統的效能和可靠性至關重要。

在此系統中，考慮到輸入/輸出信號的數量以及對高速脈沖輸出的需求，我們選用了

三菱電機生產的FX3U-32MT/E型PLC控制器。該型號的PLC具備以下特點：

輸出類型：采用晶體管輸出方式，適合于控制各類電子設備。

I/O點數：具備16個輸入點和13個輸出點，足以滿足本系統對信號處理的需求。

高速輸出：提供3個高速輸出端口，支持高達100kHz的輸出頻率，適用于需要快

速響應的應用場景。

存儲容量：擁有64K的RAM存儲器，能夠存儲復雜的程序和大量數據。

高速處理能力：每條基本指令的處理時間僅為0.06微秒，確保了系統的快速反應能

力。

定位功能：內置獨立的3軸定位功能，可以精確控制位置，非常適合于需要精準定

位的應用。

FX3U-32MT/E型PLC的這些特性使其成為了控制系統設計中的理想選擇，能夠確

保系統的高效、可靠運行。PLC的物理實物圖可以提供更直觀的理解，展示了其外觀和

接口配置，便于安裝和接線。

通過精心選擇的PLC控制器，結合精確的系統設計，可以實現對復雜工作流程的

高效管理和控制，滿足生產過程中對自動化和精確度的高要求。

（2）PLC控制器扮演著控制系統核心的角色，它的主要職責是接收和處理各種輸

人信號一一這些信號可能來源于傳感器、用戶界面的啟動/停止按鈕等一一并基于這些

信息，輸出控制信號以驅動電機等執行元件進行特定的動作。選擇合適的PLC控制器

對于確保整個控制系統的效能和可靠性至關重要。

在此系統中，考慮到輸入/輸出信號的數量以及對高速脈沖輸出的需求，我們選用了

三菱電機生產的FX3U-32MT/E型PLC控制器。該型號的PLC具備以下特點：

輸出類型：采用晶體管輸出方式，適合于控制各類電子設備。

I/O點數：具備16個輸入點和13個輸出點，足以滿足本系統對信號處理的需求。

高速輸出：提供3個高速輸出端口，支持高達100kHz的輸出頻率，適用于需要快

速響應的應用場景。

存儲容量：擁有64K的RAM存儲器，能夠存儲復雜的程序和大量數據。

高速處理能力：每條基本指令的處理時間僅為0.06微秒，確保了系統的快速反應能

力。

定位功能：內置獨立的3軸定位功能，可以精確控制位置，非常適合于需要精準定

位的應用。

FX3U-32MT/E型PLC的這些特性使其成為了控制系統設計中的理想選擇，能夠確

保系統的高效、可靠運行。PLC的物理實物圖可以提供更直觀的理解，展示了其外觀和

接口配置，便于安裝和接線。

通過精心選擇的PLC控制器，結合精確的系統設計，可以實現對復雜工作流程的

高效管理和控制，滿足生產過程中對自動化和精確度的高要求。

（3）為了滿足特定的設計要求，特別是模擬拖拉機工作環境下的轉速和扭矩需求，

步進電機的選型必須考慮到準確性、耐用性以及環境的適應能力。在本項目中，我們選

擇了深圳市寶安區新橋學誠電器經營部提供的渦輪蝸桿減速步進電機。該電機型號

86HB68+RV040的特性如下:

減速比例：1:15的減速比，確保電機提供更大的扭矩同時降低輸出轉速，以滿足設

計轉速21r/min的要求。

扭矩輸出：電機能夠產生高達18牛?米的扭矩，這樣的扭矩輸出足以應對拖拉機

工作時的負載要求。

電壓規格：電機設計為24V輸入電壓，適用于多數標準電源系統。

步距角：步距角為1.8°,這意味著電機旋轉1.8°即完成一個步進，保證了精確的

位置控制。

運行特性：電機運行時噪音低，有利于創建一個相對安靜的工作環境，同時電機的

設計保證了長壽命的使用。

搭配使用的步進電機驅動器型號為DM86H,它被精心挑選以確保與步進電機的完

美匹配，提供穩定和可靠的驅動力，從而保證了整個系統的最優性能和持久耐用。

在實際的應用中，步進電機及其驅動器的實物圖提供了對這些關鍵組件外觀及安裝

方式的直觀認識。這樣的視覺參考是有助于用戶理解組件的物理尺寸和連接配置，從而

簡化安裝和維護過程。

綜上所述，這款渦輪蝸桿減速步進電機與其驅動器的結合不僅能夠滿足設計的性能

要求，而且其低噪音和長壽命的特點也確保了在模擬拖拉機工作環境下的可靠運行。

（4）要確保步進電機和PLC等關鍵設備能夠在實驗室的環境下正常工作，就必須

將實驗室現有的交流220V電源轉換為這些設備所需的24V直流電。在這種情況下，選

擇了適當的開關電源變得尤為重要。本項目采用了深圳市.寶安區新橋學誠電器經營部提

供的開關電源，型號為S-250-24,該開關電源的主要特性如下：

輸出功率：提供高達250W的功率輸出，配合10A的輸出電流，能夠滿足步進電機

和PLC等設備的功率需求。

輸入與輸出電壓：這款開關電源能夠將交流220V電源高效轉換為直流24V輸出，

完美適配實驗室電源和設備需求。

高效和可靠：設計以高效率和穩定性為主要目標，確保持續可靠地為設備供電，同

時減少能源損耗。

安全特性：配備了過載保護、短路保護和過溫保護等多重安全機制，保障設備和操

作人員的安全。

實物圖參考：提供的實物圖為用戶展示了開關電源的外觀、尺寸和接口類型，幫助

用戶更好地理解產品特性和如何將其集成到現有系統中。

通過選用S-250-24型開關電源，我們能夠確保實驗室中的不同設備獲得所需的電

源，同時維持系統的高效率和安全性能。該開關電源的設計考慮到了易用性和靈活性，

使其成為將實驗室交流電源轉換為設備所需直流電源的理想選擇。

（5）在直線模組的應用中，精確的位置檢測對于確保機械運動的準確性和可靠性

至關重要。為此，我們特別選擇了兩種傳感器來滿足不同位置檢測需求：

1.直線限位開關傳感器：對于檢測滑臺在直線模組上的初始位置，我們采用了專為

福譽直線模組設計的NPN方形接近開關，型號FC-SPX30。該傳感器的主要特性包括：

檢測距離：5毫米，足以滿足多數直線模組的位置檢測需求。

響應時間：快至3毫秒，確保了即時的反饋，提高系統的響應效率。

最小檢測物體尺寸：能夠檢測到的最小物體為0.8X2毫米，表明該傳感器對小物體

也具有很好的檢測能力。

額定電壓：10-30VDC,使其適合于多種電源供應環境。

該傳感器以其短反應時間、安裝便利性及穩定可靠的工作性能而著稱。

2.擺動定位傳感器：用于檢測直線模組擺動的初始位置，我們選用了漫反射式光電

開關，型號E18-D80CM。這款傳感器的主要特點包括：

響應時間：低于2毫秒，提供了極快的檢測反應，適用于要求高速響應的應用場景。

負載電流：可以支持高達100毫安的負載電流。

輸入電壓：為5VDC,適用于低電壓供電系統。

工作環境溫度范圍：?25℃到+55C,表明這種傳感器能夠在廣泛的溫度范圍內穩定

工作。

特別是其高抗干擾能力和靈敏性，使得在復雜環境中也能保持準確檢測，加之其經

濟實惠和安裝方便的優點，成為了性價比高的選擇。

兩種傳感器的結合不僅確保了直線模組在不同位置的精確檢測，而且其快速響應和

高可靠性也為系統的穩定運行提供了保障。傳感器的實物圖提供了直觀的外觀參考，幫

助用戶更好地理解其設計和安裝方法，從而簡化了集成過程。

（6）為了精確控制夾爪的開合動作，我們特別選用了高性能的直流推拉式電磁鐵

及配套的中間繼電器。這些組件的選型考慮到了其在自動化控制系統中的關鍵作用，確

保了操作的精準性和系統的可靠性。

1.直流推拉式電磁鐵：選用的樂清市伊萊科電氣有限公司生產的電磁鐵，型號為

EML-0730B,具有以下特點：

輸入電壓：采用24VDC,適配多數工業控制系統的標準電源。

初始吸力與保持吸力：初始吸力為0.5N,而保持吸力高達5N,確保了夾爪的可靠

閉合和開啟。

行程：10mm的行程長度適用于多種夾持和搬運任務。

電流與重量：運行電流為300mA,重量僅35克，輕巧且功耗低。

特性：具有低功耗、低升溫和無剩磁等優點，保證了設備的長期可靠使用。

2.中間繼電器：為了提高電磁鐵的控制靈活性和可靠性，配備的中間繼電器型號為

HH52-L,其主要參數包括：

工作電壓：24V,與電磁鐵的供電電壓相匹配。

工作電流：最大5A,充分滿足電磁鐵控制需求。

該中間繼電器增強了弓路的控制能力，保證了電磁鐵操作的穩定性和安全性。

電磁鐵和中間繼電器的實物圖提供了清晰的視覺參考，幫助用戶更好地理解這些關

鍵組件的外形和安裝方式。通過這些精心挑選的組件，系統能夠實現對夾爪動作的精確

控制，滿足自動化控制系統中對動作可靠、響應快速的基本要求。

3.4.2控制系統電路連接

在自動化控制系統中，PLC（可編程邏輯控制器）作為系統的大腦，通過與步進電

機、直線模組、步進電機驅動器、直線模組驅動器、直線限位開關、擺動定位傳感器、

中間繼電器以及電磁鐵的精確連接，實現了對整個系統的高效控制。下面簡述這些連接

的一般原理和作用，以幫助理解整個系統的工作機制。

1.PLC與步進電機的連接：PLC通過步進電機驅動器向步進電機發送控制信號，指

示其旋轉的方向、速度以及步數。這種連接確保了步進電機可以按照精確的指令進行操

作，用于實現精細的位置控制。

2.PLC與直線模組的連接：PLC控制直線模組驅動器，后者則直接驅動直線模組的

動作。這種連接方式使得直線模組能夠根據PLC的命令進行精確的直線運動，滿足系

統對直線位移的需求。

3.PLC與直線限位開關及擺動定位傳感器的連夜：這些傳感器直接與PLC連接，

用于提供系統當前狀態的反饋。比如，直線限位開關可以向PLC反饋直線模組的初始

位置，而擺動定位傳感器則用于檢測直線模組擺動的位置。這些信息對于PLC進行下

一步控制決策至關重要。

4.PLC與中間繼電器及電磁鐵的連接：PLC通過中間繼電器控制電磁鐵的通斷。繼

電器作為一種電氣控制設備，當其接收到PLC的指令信號時，可以控制電磁鐵的電源

連接，從而實現電磁鐵的吸合或釋放動作，用于控制夾爪的開閉等動作。

每個連接都是通過特定的電線和接口完成的，確保信號傳輸的準確性和系統操作的

可靠性。整個接線圖提供了對這些組件如何互相連接和協作的詳細視圖，是理解和構建

自動化控制系統的重要參考資料。

開關電源步進電機驅動器步進電機直線模組驅動器直線模組電弦鐵

圖5-11繼電器、電磁鐵與PLC之間的接線圖

3.5控制系統的軟件設計

3.5.1控制系統流程

系統的工作流程經過精心設計，以確保自動化控制系統高效、準確地完成煙苗的搬

運和栽植任務。以下是該系統工作流程的詳細描述，重新編排以提高清晰度和易讀性。

1.系統啟動與參數初始化：

系統開啟后，首先進行參數初始化，包括錄入初始運動參數，為接下來的操作做好

準備。

2.初始位置檢測:

直線模組上安裝的直線限位開關負責檢測夾爪是否處于其初始位置。

擺動定位傳感器則用于確認直線模組是否位于其擺動起始位置”

3.校正至初始位置：

如果夾爪未處于直線模組上的初始位置，PLC指令直線模組驅動滑臺帶動夾爪移動

至該位置，直到直線限位開關確認到達。

如果直線模組未在其擺動起始位置，PLC則控制步進電機旋轉，使直線模組轉動至

起始位置，擺動定位傳感器將確認到達。

4.預取苗行程：

一旦夾爪和直線模組均處于初始位置，直線模組上的驅動器將帶動夾爪移動至煙苗

位置，完成預取苗行程。

5.夾持煙苗：

到達煙苗位置后，夾八上的電磁鐵得電，驅使夾爪閉合并夾住煙苗。

6.取苗行程：

夾持煙苗后，直線模組上的驅動器帶動夾有煙苗的夾爪返回一定距離，完成取苗行

程。

7.送苗、栽植與提苗行程：

在直線模組和步進電機的共同作用下，夾爪完成送苗、栽植及提苗的整個過程。

提苗行程完成后，夾尺上的電磁鐵失電，釋放煙苗。

8.返回初始位置：

完成栽植任務后，夾爪在直線模組和步進電機的共同作用下返回初始位置，準備下

一輪操作。

9.循環或停止：

若需暫停工作，操作員可按下停止按鈕。若無停止指令，系統將自動重新開始初始

化檢測，繼續其循環工作流程。

通過以上步驟，自動化系統能夠連續并準確地完成煙苗的搬運和栽植任務，展現了

先進控制技術在現代農業機械化中的應用。

圖5-12控制系統的工作流程圖

3.5.2編程軟件的介紹

編程軟件GXworks2,專為三菱公司的PLC設計，提供了強大而靈活的編程環境。

文章概述了這一軟件的關鍵特性和功能，以下為內容的改寫版本，旨在提供相同信息的

不同表達。

GXworks2是專門針對三菱PLC開發的編程工具，它融合了多樣化的編程功能和操

作界面。軟件支持兩個主要的編程模式：簡單工程模式和結構工程模式，滿足不同開發

需求。在編程語言上，GXworks2支持包括順序功能圖(SFC)和梯形圖在內的多種編程語

言，以適應不同的項目和開發者偏好。其核心功能不僅包括程序的編寫、監控和調試，

還擴展到了網絡模塊設置和智能模塊配置等高級設置，使得開發過程更加高效、準確。

GXworks2軟件界面用戶友好，設計簡潔而直觀，極大地簡化了操作步驟，加速了

編程效率。盡管它的高級功能主要服務于三菱的PLC產品，但其靈活性和強大的功能

集使得它成為了眾多工程師和開發者的首選工具。軟件的界面設計圖可見于文檔圖5-

12,展示了其易用性和功能性的結合。

:i?emt????*au?*?XBO>???

圖5-13GXworks2界面圖

3.5.3PLC的程序設計

進入GXworks2軟件，新建一個工程，在PLC類型選項中選擇FX3U,在程序語言

類型選項中選擇SFC,單擊確定按鈕后彈出塊信息設置的對話框，在塊類型選項中選擇

梯形圖，最后單擊執行按鈕，新建工程對話框如圖5-14所示，塊信息設置對話框如圖

5-15所示。

a5-14新建工程圖5-15塊信息設置

單擊執行按鈕后，出現程序編寫界面，在該界面右半部分寫入初始化指令，如圖5-

16所示。M8002為PLC運行初始化，s0-s9為初始化專用的狀態繼電器，本文用sO。

圖5-16初始化指令

在工程數據列表區右擊“MAIN”，點擊新建數據后出現如圖5-17所示界面開始

編寫程序，左側編寫順序功能圖，右側編寫順序功能圖中每一個塊的指令。

圖5-17界面

首先進行參數初始化，設置初始運動參數。用成批復位指令ZRST將Y0?Y5全

部復位清零，如圖5-18所示。

0{ZRSTYDOOX?5I

圖5-18參數初始化

為了執行按啟動按鈕電機就開始工作的命令，需要編寫轉換語句。所需轉換條件的

程序語句如圖5-19所示。

圖5-19啟動按鈕開關的控制語句

進行初始位置檢測，直線限位開關檢測夾爪是否在直線模組上的初始位置上。若不

在，則PLC控制直線模組上的電機啟動使滑臺帶動夾爪向直線模組上的初始位置運動，

直到直線限位開關檢測到夾爪到達直線模組上的初始位置。擺動定位傳感器檢測直線模

組是否在擺動的初始位置上。若不在，則PLC控制步進電機啟動使直線模組擺動到初始

位置，直到擺動定位傳感器檢測到直線模組到達初始位置。PLC控制直線模組上的電機

啟動使滑臺帶動夾爪向初始位置運動的語句如圖5-20所示。直線限位開關檢測夾爪是否

到達直線模組上的初始位置

的語句如圖5-21所示。PLC控制步進電機啟動使直線模組擺動到初始位置的

語句如圖5-22

所示。擺動定位傳感器檢測直線模組是否到達擺動的初始位置的語句如圖5-23

所示。

0-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------[PtSYK100KOY000

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------(Y004)

圖5-20夾爪向直線模組上的初始位置運動的控制語句

X002

0TI---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------[TRAN]

圖5-21夾爪在直線模組上的初始位置檢測的控制語句

0--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------[PLSYK100KOY001]

圖5-22步進電機向初始位置運動的控制語句

X003

0—||--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------[TRAN]

圖5-23步進電機回到初始位置檢測的控制語句

PLC控制電機時需要用到脈沖輸出指令PLSY,指令格式：(PLSY輸出脈沖頻率

輸出脈沖個數輸出脈沖端子)，其中輸出脈沖頻率主要是用來控制步進電機的轉動速度,

輸出脈沖個數主要是用來控制步進電機的轉動角度。步進電機的轉動方向是由其對應的

驅動器上控制脈沖方向的端口電平高低來控制的。步進電機的轉動速度也要受到步進電

機本身的最大轉矩限制。

控制脈沖是否輸出完畢需要使用特殊輔助繼電器M8029,該繼電器是觸點型的，當

其置于ON,則表示脈沖停止輸出，當其置于OFF,則表示脈沖繼續輸出或者是處于無

需輸出脈沖時的狀態。

PLC控制直線模組上的滑臺運動，滑臺帶動夾爪向苗盤運動，完成預取苗行程，其

0-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------[PLSYK3733K1120Y000]

FLC控制語句如圖5-24所示。脈沖數發送完畢將進入下一命令的轉換語句如圖5-25

所示。夾爪閉合夾住秧苗的控制語句如圖5-26所示。將秧苗從苗盤中拔出來，完成取

苗行程，其PLC控制語句如圖5-27所示。

圖5-24預取苗行程的控制語句

圖5-25脈沖數發送完畢

圖5-26夾爪閉合的控制語句

圖5-27取苗行程的控制語句

PLC控制直線模組上的電機和步進電機一起工作，進行送苗行程、栽植行程和提苗行

程。送苗行程時PLC控制語句如圖5-28所示。栽植行程時PLC的控制語句如圖5-29

所示。提苗行程時PLC的控制語句如圖5-30所示。夾爪松開秧苗的控制語句如圖5.31