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温室植物盆栽输送自动化管理系统设计
发布时间：2013-08-24 08:33 来源：未知
0、引言
在传统温室中，作物通常是在花盆中进行种植，然后放置在托架或地面上进行生长，在作物的生长过程中，不存在作物的转移、输送等问题；作物的浇水、施肥以及相关检测、数据记录等采用人工操作进行，这种检测方式效率低、劳动强度大，且人工检测时容易造成作物损伤，影响育种栽培实验效果。
为了在温室中营造适合作物生长的环境，提高试验过程中的检测效率，减少试验过程中研究人员对作物造成的损伤，本文结合水稻盆栽试验的需要，设计了温室植物盆栽输送自动化管理系统，以满足水稻栽培试验生产的需要，为提高水稻栽培试验效率奠定基础。
1、温室植物盆栽输送自动化管理系统概述
温室植物盆栽输送自动化管理系统由设备控制及盆栽信息管理两部分，主要目的是完成植物盆栽的运输调度、生长过程检测和数据记录。在盆栽水稻的栽培试验中，该系统主要完成以下工作：
1)将花盆填土，并将花盆送入托架中，每个托架放置24盆盆栽后托架移送到温室的生长区；
2)在水稻的生长过程中，根据试验方案，定时调动托架、并将托架上的盆栽送入检测仪器中对水稻的生长情况及相关指标进行检测，检测完毕，将盆栽送回托架，并将托架移送回温室的生长区原位；
3)在水稻的生长过程中，定时对托架上的盆栽进行头尾置换处理，每次置换8盆盆栽；
4)对水稻盆栽进行检测时，可选择任意数行需要检测的托架，点击检测键即可自动执行检测作业；
5)系统准确记录实验开始时的原始数据，如托架行号、盆栽号、试验内容、各托架上的盆栽数量等；
6)盆栽在移送过程中自动进行积放，即检测前密集的盆栽均匀疏散以便进入检测设备进行检测操作；检测完毕，疏散排列的盆栽消除盆栽间的距离而密集排列到托架上并送回生长区；
7)系统自动进行1日盆出、新盆进的换盆作业，即将试验完毕的旧盆输出，倾倒盆中土壤并回收记载盆栽相关信息的RFID;再将新安置RFID的新盆填装土壤后输送到托架，然后输送到温室指定生长区。
2、设备控制部分设计
设备控制部分( Device Control System，DCS)是组合各台设备协同工作的智能处理中心，对各台设备的工作状况、工作节拍、工作合理性以及稳定性进行协调管理。温室植物盆栽输送自动化管理系统的主要工作部件为AGV (Automated Guided Vehicle)和输送机，两种设备在温室内与其他多种设备配合，通过DSC协同执行一系列预先设置的动作，完成盆栽作物的自动栽培生长及检测、监测工作。
2.1AGV控制单元设计
AGV在温室内铺设的水平轨道上进行移动，通过预先设定的条码进行寻址和定位，执行盆栽托架的提升和调动工作。
2.1.1 AGV控制单元的组成及特点
AGV控制单元由控制器、任务规划生成部件、通信部件、定位部件、运动控制执行驱动器、安全监视报警部件、AGV机械平台等组成，控制单元的信息传递结构如图1所示。
在AGV控制单元中，控制器即PLC是AGV的核心部件，它发送命令协调AGV的各个部件正常工作，同时通过变频器控制AGV的运行与停车；任务规划生成部件为AGV的一次作业规划运行速度和路径；通信部件采用远红外通信与监控计算机进行交互；定位系统采用条码扫描器寻找托架地址和定位；AGV的监控计算机采用触摸屏进行操作，此外，AGV采用光电开关控制机械手的升降范围，确保AGV在存取盆栽托架时安全、可靠。
AGV控制单元由机载控制柜和监控计算机组成，机载控制柜随AGV运动，监控计算机放置于温室控制室内，两部分相互联系又各自独立；AGV的机载控制系统与监控计算计之间采用工业以太网进行通信。
2.1.2 AGV的控制方式
AGV的控制方式有三种：即手动控制、单机自动和联机自动。
1)手动控制方式：实验人员通过机载AGV控制柜面板上的相关按钮进行操作，使AGV完成水平运行、机械手上下升降、存取托架三种动作；
2)单机自动方式：实验人员在温室的控制室内通过AGV监控计算机上的液晶触摸屏输入盆栽托架存取指令，AGV将自动完成托架的存取作业，并返回AGV停靠端原位待令。
3)联机自动方式：主控计算机自动分配盆栽托架的调出调入地址，再通过监控计算机发出作业命令，由远红外通信系统将作业命令输至AGV上的PLC，自动控制AGV完成一次存取作业；完成后，PLC将运行过程及工作状态返回至监控计算机，显示在主控计算机的CRT显示器上。
2.2输送机控制单元设计
2.2.1输送机的技术指标及性能要求
温室盆栽输送机控制系统采用PLC作为主控单元，利用串行技术与上位监控系统和管理系统进行连接，同时与布置在输送机现场的下位条码阅读器、各种光电开关直接连接进行现场数据采集和输送过程控制。
对输送机控制单元进行设计时，首先构建与实际物理输送机有相同功能的输送机控制模型，对水稻盆栽的到位检测、空位检测、换位检测、等待检测等信号进行模拟。再将物理输送机的输入信号与控制输出信号同输送机逻辑模型相应功能进行连接，构成输送机控制实体。输送机的工作原理如图2所示。
在确定输送机控制模型后，再将路由功能�？椤⒙肪督馕瞿？�、工艺生成�？�、设备监控�？椤⑸璞傅鞫饶？椤⒐炭刂颇？榈茸槌墒荽硪嫘魇渌突鞑糠纸泄ぷ�，完成盆栽的输送作业。数据处理引擎各�？榈穆呒峁谷缤�3所示．
2.2.2输送机的控制方式
输送机的控制方式有手动控制和联机自动两种。
1)手动控制：在输送机出入检测室的位置设有触摸屏控制台，试验人员通过控制台表面的开关按钮控制输送机的运行。
2)联机自动：输送机控制单元通过局域网协调输送设备运行，自动执行水稻盆栽运输作业；同时触摸屏控制台动画显示设备运行状态，并实时显示当前运输机的状态和正在进行的操作指令。
3、盆栽信息管理部分设计
水稻盆栽调入调出生长区的过程、水稻生长数据检测结果、检测过程中设备的工作状态、试验人员信息等采用盆栽信息管理单元(PIMS)进行记录处理。
3.1水稻盆栽的入场信息管理
水稻盆栽入场是指水稻由种入花盆到输送至指定种植区域的过程，其信息管理分为以下几个部分：
1)当开始进行水稻栽培种植试验时，将装有水稻的盆栽送入温室，此时需要对水稻盆栽进行入场登记。水稻盆栽的入场登记主要是通过安放在花盆底部的RFID标签完成，实验人员可以通过水稻盆栽入场信息管理模块对RFID进行操作，完成水稻盆栽信息的新建、删除、保存、修改、查询等工作，并可对水稻盆栽信息进行导入导出操作。
2)当水稻盆栽经输送机进入托架后，盆栽信息管理单元按照预先设计的实验方案自动分配托架的停留位置，并控制AGV自动执行，将托架移送至分配的目标停留位置，同时入场监测功能模块对盆栽入场数量与实验方案中数量一致性与否进行核实。
3)水稻盆栽托架进入种植区域后，水稻盆栽入场信息管理单元要检测托架的运行情况、记录托架的位置、托架中现有盆栽的数量、盆栽进场时间、托架运行优先级、手动或自动执行等，并将该信息存入数据库。
3.2水稻盆栽的出场信息管理
水稻盆栽出场是指水稻托架从种植区域移送至输送机的过程，根据试验目的不同可分为托架直接出场、脱机出场、抽检出场、不合格出场。
1)盆栽直接出�。核九柙猿龀⌒畔⒐芾淼ピ莩龀∩昵�，生成出场作业指令，调度AGV系统根据设备状态生成出场命令，驱动相关设备完成盆栽托架的出场任务。托架直接出场是用得最多的一种出场形式，也可以手动操作完成出场作业。
2)盆栽脱机出�。旱迸柙酝屑艿奈恢眉芭柙源娣抛纯龃嬖谝斐Ｊ�，水稻盆栽出场信息管理单元自动中止AGV及输送机的运行，并通知试验人员进行检测等操作，此时盆栽的出场由人工完成。
3)抽检出场：实验操作人员对水稻盆栽进行栽培种植试验时，水稻盆栽出场信息管理单元根据试验目的生成一定的出场规则，使水稻盆栽依次出场，完成相关操作后，再使盆栽回到原来的种植生长区域。
4)不合格出�。涸谑匝楣讨�，盆栽中的水稻发生异常，需要进行剔除时，水稻盆栽出场信息管理系统生成作业命令，调度AGV系统将托架移出，同时将发生异常的托架和盆栽相关信息进行记录。
3.3盆栽场内信息管理
盆栽场内信息管理包括场内盆栽位置信息查询、出场信息查询、入场信息查询以及盆栽信息变更。
1)场内盆栽位置信息查询：在试验过程中，通过盆栽信息管理单元可以进行温室盆栽区域图形查询、盆栽位置查询、盆栽所在托盘架查询、试验组与数量查询、栽培区试验组状态查询（包括记录历史情况，当日有无试验，以及试验次数等），同时可以将查询结果生成报表导出或打印。
2)盆栽入场信息查询：通过盆栽信息管理单元可以实现水稻盆栽入场详细信息查询，包括盆栽号码、进场盆栽类型、托架编码、水稻盆栽入场时间、入场操作员信息等。
3)盆栽出场信息查询：通过盆栽信息管理单元可以实现水稻盆栽的出场类型（直接出场，脱机出场，试验出场等）、出场盆栽类型、托架条码、出场时间、出场操作员等信息的查询。
4)盆栽信息变更：盆栽在栽培种植试验过程中，当实际信息与数据库内存储的信息不符时，试验人员可对数据库内的盆栽场信息、盆栽试验信息、盆栽及托架入场信息、出场信息等进行删除、修改、插入等操作。
4小结
温室盆栽输送自动化管理系统用于温室中盆栽水稻的种植和输送管理，在水稻育种栽培实验过程中能有效缩短实验周期、提高评价指标的检测效率，加快水稻的栽培育种实验。该项目作为工业系统在农业中应用的一种尝试，必将改变传统的农业生产及发展模式，对农业生产的研究和发展产生较大的影响。
