自動化育秧播種機構PLC控制的設計*

陳龍 王樂平 齊水冰 魏宋印 周攀

（廣東環境保護工程職業學院）

自動化育秧播種機構PLC控制的設計*

陳龍 王樂平 齊水冰 魏宋印 周攀

（廣東環境保護工程職業學院）

利用PLC具有功能完備、靈活性及通用性好、程序輸入方法簡化和操作簡單等優點，設計自動化育秧設備播種機構。通過PLC控制器控制電機的轉動，從而控制育秧設備槽輪播種器工作，可有效節約資源，減少浪費，降低電能的損耗，實現農業生產機械化和智能化。

自動化育秧；播種機構；可編程控制器

0 引言

中國是水稻種植大國，人工育秧效率低、耗時長，實現水稻種植自動化尤為重要。要快速發展農業，需實現真正的機械化、自動化、智能化和高效化的育秧，從而大大縮短育秧時間，減少人工成本，提高秧苗成活率[1-2]。

目前，自動化育秧大都采取播種流水線的方式實現，通過流水線和感應器，將分盤、覆土、灑水、播種、二次覆土、清潔和疊盤等工作由機械自動化實現，進而控制育秧環境[3]。我國從20世紀80年代起開始進行育秧設備的研究，隨著國家對農業發展的重視，育秧自動化設備也取得了重大進步[4]。

1 播種機構設計

1.1 自動化育秧設備

自動化育秧設備的工作機構主要有分盤機構、空程傳送機構、覆土機構、灑水機構、播種機構、二次覆土機構、二次灑水機構和清潔機構[5]。

播種是育秧過程中極為重要的一步，大大影響秧苗種子分布的均勻性，進而影響秧苗的成活率。因此設計分布均勻且快速播種的機構，贏得栽插時間，減輕勞動強度，是加快發展機器插秧和實現水稻種植全程機械化的關鍵。

1.2 播種機構選擇與設計

育秧播種機構以播種器的種類區分，主要有外槽輪式播種器、型孔式播種器和氣力式播種器，它們的優點和缺點如表1所示。

表1 各類播種器的對比

外槽輪式播種器結構簡單，利用滾動的滾筒表面的凹槽運送種子；可靠性較高，能夠在各種環境下使用，滿足農業生產和農民的需求；播種量穩定，可根據需求調節其播種量；經濟性也較好。因此本設計選用外槽輪式播種器，其結構由機械支架、皮帶輪運輸裝置、電機裝置、PLC控制器、播種箱裝置、皮帶輪傳動裝置和毛刷去土裝置組成。采用3D設計軟件SOLIDWORKS設計育秧播種機構，其三維圖如圖1所示。

圖1 育秧播種機構三維圖

1.3 基本參數

育秧播種機構基本參數如表2所示。

表2 育秧播種機構基本參數

2 播種機構PLC控制設計

2.1 I/O點數分配

自動化育秧播種機構PLC控制系統的硬件主要由PLC主機、步進電機、三相異步電機、光電開關、行程開關、接觸器、繼電器、牽引電磁鐵和控制按鈕等組成。本設計共需的I/O分配表如表3所示。

表3 系統I/O分配表

2.2 程序設計

通過對系統輸入輸出的分析，需6個輸入、4個輸出I/O。選用S7-200 CPU 224CN型號的微型PLC，其集成14個輸入和10個輸出共24個數字量I/O點，可滿足自動化育秧播種機構自動控制的需求[6]。采用軟件STEP7 MicroWIN V4.0 SP9設計梯形圖，程序如圖2所示。

圖2 PLC程序

2.3 程序調試與工作過程

按照表3的I/O分配表進行輸入和輸出端子的硬件連接，然后用PC/PPI編程電纜連接PLC與計算機，將PLC程序編譯后下載到PLC主機，并讓其為RUN狀態，對程序進行調試。

按下啟動按鈕SB1（I0.0），步進電機M1開始啟動運行（Q0.0），帶動皮帶輪上的皮帶運動，皮帶輪帶動育秧盤移動，當秧盤經過光電傳感器S1（I0.1）時，遮擋住傳感器的光電連接，PLC程序啟動步進電機M1加速（Q0.1），秧盤高速移動，當秧盤高速將要運動到播種機構播種箱下方行程開關S2（I0.2）時，步進電機M1減速從而使皮帶減速（Q0.2），防止造成高速沖擊，破壞秧盤的平整，該過程皮帶的加速減速由步進電機控制。當秧盤碰觸到播種觸點行程開關S3（I0.3）時，PLC程序控制三相異步電機M2運行（Q0.3），從而帶動播種箱中的播種滾筒轉動，將種子均勻快速灑落在秧盤，完成播種作業，表明PLC程序滿足控制要求。

2.4 實用性分析

在種子箱內加入種子，將播種機離地面一定的距離，使地輪懸空，并使機架保持水平，之后按照實際播種作業的速度，以相同的轉速勻速轉動地輪30圈，測定各行的播種量，重復3次，最后取平均值，按以下公式計算播種量。均勻度計算

其中：Q為播種機總播種量；G為被測的總行數下的總排量，單位為kg；D為地輪的直徑，單位為m；B為被測定行數的幅寬，單位為m；N為地輪的轉動圈數，取30；ε為驅動平均滑移率，取10%或按實際滑移率取值。

其中：i為種子破損率；Q為播種機總播種量；x為種子破損量。

經過計算得出以下結論：

1) 種子破損率低，經試驗<1%；2) 播種量可調，播種量穩定性強，播種均勻度合格率>90 %；3) 工作可靠性強，適用于各種環境；4) 滿足農業生產和農民個體戶的需求；5) 價格合理，操作簡單。

3 結語

以S7-200 PLC為控制核心的自動化育秧播種機構，控制簡單而且易操作，解決了人工育秧效率低、耗時長的問題，對水稻種植實現真正的機械化、自動化和高效化意義重大。后續可進一步研究自動化育秧設備中的二次覆土、灑水及清潔機構的控制設計。

[1] 仲偉花.水稻規模化育秧機械化技術試驗分析[J].江蘇農機化,2015(4):22-23.

[2] 羅國福.21世紀我國水稻種植機械化發展方向[J].吉林農業，2012(1):119-120.

[3] 孟元元,馮偉東,佘永衛,等.水稻工廠化大棚育秧機械設備研究及發展[J].農機化研究,2014(7):249-252.

[4] 周海波,馬旭,姚亞利.水稻秧盤育秧播種技術與裝備的研究現狀及發展趨勢[J].農業工程學報,2008,24(4):301-306.

[5] 金亦富,生昕,李振巖,等. 2B-4A型自走式育秧機設計與試驗[J].中國農機化學報,2015,36(6):15-18.

[6] 陳龍,冼順英.郵件分揀系統的PLC組態設計[J].南方職業教育學刊,2013,3(4):16-19.

The Design of PLC in Automatic Seedling and Planting Mechanism

Chen Long1Wang Leping1Qi Shuibing1Wei Songyin1Zhou Pan2
(1.Guangdong Polytechnic of Environmental Protection Engineering 2.Tianhe College of Guangdong Polytechnic University)

The automatic seedling and planting mechanism has been designed based on Siemens S7-200 224CN PLC. To take advantages of PLC rotation control of the motor, the mechanism controls sheaving of the seedling and planting apparatus. It can reduce energy consumption and accomplish the mechanization and intelligence of agricultural production.

Automation Seedlings; Seeding Mechanism; PLC

陳龍，男，1983年生，講師，主要研究方向：電氣自動化、節能工程技術。E-mail: 1271222144@qq.com

廣東省高等職業教育品牌專業建設項目(2016gzpp035)；廣東環境保護工程職業學院2015年院長基金“節能工程技術”配套項目（2015YZPT4）。