基于PLC的玉米播種機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

胡元乾

(重慶三峽職業(yè)學(xué)院，重慶 萬州 404155)

0 引言

玉米的凈光合速率比小麥和水稻高出2～3倍，因此產(chǎn)量相對較高。玉米的營養(yǎng)物質(zhì)以淀粉、蛋白質(zhì)和脂肪為主，還含有人類所需的大量氨基酸，具有很高的應(yīng)用價(jià)值，成為重要的糧食作物。此外，玉米還可以被加工成輕工業(yè)品、醫(yī)藥和飼料，是用途廣泛的經(jīng)濟(jì)作物。我國玉米歷年來的種植面積和消費(fèi)規(guī)模都很龐大，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位[1]。

播種作業(yè)的季節(jié)性強(qiáng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，是玉米生產(chǎn)過程中一個(gè)耗時(shí)費(fèi)力的環(huán)節(jié)。播種質(zhì)量對玉米出苗率和整齊度有較大的影響，從而影響到最終的產(chǎn)量。傳統(tǒng)種植模式中的玉米播種由人工完成，不僅效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，播種質(zhì)量也無法得到保證，不能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的要求。機(jī)械化程度是農(nóng)業(yè)發(fā)展水平的體現(xiàn)，加快推進(jìn)機(jī)械化符合農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的趨勢。玉米機(jī)械播種的過程是將種子按照設(shè)定的行間距播到田里，再覆土掩埋，功能齊全的機(jī)械還能完成施肥作業(yè)[2]。

玉米播種機(jī)可以代替人工快速地完成播種，作業(yè)質(zhì)量也較高，還節(jié)省用種量，是玉米生產(chǎn)中不可缺少的農(nóng)業(yè)機(jī)械。為了滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求，我國開發(fā)出了多種類型的玉米播種機(jī)，以適應(yīng)不同的種植區(qū)域和模式。任文濤等研制了一種帶有施水和施肥功能的小型播種機(jī)，可以用于干旱地區(qū)的玉米種植[3]。趙建托等設(shè)計(jì)了全膜覆蓋的雙壟直插播種裝置，并應(yīng)用在玉米播種機(jī)上[4]。徐良等對粒距的變異系數(shù)進(jìn)行了研究，為適用于山地丘陵的小型玉米播種機(jī)型號(hào)選擇提供了依據(jù)[5]。趙靜等通過優(yōu)化液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出折疊式的免耕玉米播種機(jī)[6]。這些機(jī)械的開發(fā)提升了我國玉米生產(chǎn)的技術(shù)水平，是玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要保證。

我國玉米播種機(jī)已呈現(xiàn)出良好的發(fā)展局面，但在實(shí)際應(yīng)用中仍暴露出一些問題，主要體現(xiàn)為部分性能沒有完全成熟，對播種作業(yè)質(zhì)量造成了影響。首先是排種器的容量固定，一次性容納的不同玉米品種種子數(shù)量各異，排種的精度無法保證。其次，部分型號(hào)機(jī)械的播種株間距不能調(diào)整，降低了對玉米品種和種植習(xí)慣的適應(yīng)性。另外，當(dāng)田間作業(yè)環(huán)境較為惡劣時(shí)，玉米播種機(jī)會(huì)出現(xiàn)種箱排空和導(dǎo)種管堵塞的現(xiàn)象，若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決，則會(huì)造成大面積的漏播[7]。此外，還會(huì)出現(xiàn)地輪打滑而影響播種精度的問題[8]。

為解決上述的問題，可以在播種機(jī)的設(shè)計(jì)階段對其機(jī)械部件進(jìn)行優(yōu)化，從而獲得合理的結(jié)構(gòu)布局。對于現(xiàn)有的機(jī)械，可以加載智能化的監(jiān)測和控制系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除問題。目前，玉米播種機(jī)智能監(jiān)測和控制系統(tǒng)有多種類型，核心部件包括單片機(jī)、PLC和傳感器等，推動(dòng)了玉米播種機(jī)性能的提升[9-10]。

PLC全稱為可編程序控制器，是一種數(shù)字運(yùn)算的電子操作系統(tǒng)，采用可編程序存儲(chǔ)操作指令，通過傳輸數(shù)字和模擬信號(hào)來控制機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC操作簡單，可靠性和性價(jià)比高，在工業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械自動(dòng)控制中具有明顯的優(yōu)勢。PLC被安裝在農(nóng)業(yè)機(jī)械或設(shè)施上，可以實(shí)現(xiàn)對變量施肥、穴盤苗移栽及溫室生態(tài)條件的精確控制[11-13]。PLC也被用來設(shè)計(jì)玉米播種機(jī)的監(jiān)測和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對機(jī)械作業(yè)質(zhì)量和行駛方向的精確控制[14]。

為了加深PLC與玉米播種機(jī)的整合程度并提高適應(yīng)能力，本文利用傳感器采集播種機(jī)的工作狀態(tài)，由PLC分析后生成指令，對播種機(jī)的播種深度和排種精度進(jìn)行控制，并對種箱排空和導(dǎo)種管堵塞引起的漏播進(jìn)行報(bào)警。最后，通過試驗(yàn)驗(yàn)證PLC的監(jiān)測和控制效果，以提高播種機(jī)的智能化水平。

1 總體設(shè)計(jì)和組成部分

1.1 總體設(shè)計(jì)

機(jī)械平臺(tái)是RN-Z02型玉米播種機(jī)，采用傳動(dòng)軸式，集播種、施肥和覆土的功能于一體。播種機(jī)同時(shí)播種3行，行距為45～60cm，株距為16～32cm，最佳播種深度15cm。播種機(jī)由1臺(tái)東方紅LX604型拖拉機(jī)牽引并提供電源，拖拉機(jī)前輪輪距160cm，后輪輪距200cm，最小離地間隙32cm，額定功率45kW，行進(jìn)速度2.0～33.5km/h，最大牽引力為22.5kN，可與RN-Z02型玉米播種機(jī)配套使用。

PLC控制器作為核心，與播種機(jī)的監(jiān)測模塊和控制模塊連接，接收監(jiān)測模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)，分析后形成控制指令發(fā)送給控制模塊。監(jiān)測模塊由各型傳感器組成，安裝在播種機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件上用于采集播種機(jī)作業(yè)過程中的狀態(tài)信息，并發(fā)送給PLC控制器。控制模塊由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、馬達(dá)和報(bào)警裝置組成，安裝在控制執(zhí)行部件上，接收PLC控制發(fā)來的指令后執(zhí)行對播種機(jī)的控制操作。

1.2 組成部分

PLC控制器選用三菱FX3U型，內(nèi)置的計(jì)數(shù)器可以捕捉10kHz的脈沖信號(hào)，還具有8 000點(diǎn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，適用電源為12V的直流電。PLC的內(nèi)部構(gòu)成主要為中央處理器CPU、存儲(chǔ)器和編程器。輸入輸出接口數(shù)量分別為14個(gè)和10個(gè)，輸入接口將各種信號(hào)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平，輸出接口則輸出電信號(hào)，如圖1所示。

監(jiān)測模塊包括位移傳感器、霍爾傳感器和光電傳感器。位移傳感器為深圳信為公司的SDVG17型分體式LVDT傳感器，安裝在仿形輪支架上測量隨地表上下浮動(dòng)的位移信號(hào)。霍爾傳感器為HAL41F型，安裝在導(dǎo)種輪上監(jiān)測轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)，PLC根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖信號(hào)計(jì)算導(dǎo)種輪的實(shí)際轉(zhuǎn)速。光電傳感器為基恩士PS-56R型紅外對射傳感器，安裝在導(dǎo)種管的末端，檢測單粒玉米種子落下時(shí)的高平電信號(hào)。

圖1 PLC控制器的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the PLC controller

控制模塊中用于校正播種深度的部件是驅(qū)動(dòng)電機(jī)和四連桿結(jié)構(gòu)，能夠?qū)﹂_溝器的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。馬達(dá)安裝在導(dǎo)種輪上，利用轉(zhuǎn)動(dòng)方向調(diào)整導(dǎo)種輪的轉(zhuǎn)速，從而控制播種精度。報(bào)警器與顯示屏整合在一起，安裝在牽引拖拉機(jī)上，在種箱排空或?qū)ХN管堵塞時(shí)啟動(dòng)聲光報(bào)警，如圖2所示。

圖2 監(jiān)測和控制系統(tǒng)的組成部分Fig.2 Components of monitoring and controlling system

2 工作原理

播種機(jī)的播種深度和株間距在顯示屏上設(shè)定，對種箱排空的認(rèn)定條件是低平電信號(hào)的持續(xù)時(shí)間達(dá)到2s，對導(dǎo)種管堵塞的認(rèn)定條件是高平電信號(hào)的持續(xù)時(shí)間達(dá)到2s。PLC按照設(shè)定的運(yùn)算方式，以采集的播種機(jī)狀態(tài)信息為基礎(chǔ)進(jìn)行邏輯判斷，然后形成控制指令發(fā)送給執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)對機(jī)械的自動(dòng)控制。在播種機(jī)作業(yè)過程中，PLC還會(huì)對相關(guān)數(shù)據(jù)信息持續(xù)進(jìn)行匯總和存儲(chǔ)。

播種深度即實(shí)際的開溝深度，由位移傳感器測量仿形輪隨地表上下移動(dòng)所產(chǎn)生的位移信號(hào)，PLC將實(shí)際的開溝深度與設(shè)定播種深度比較，確定兩者之間的差異；驅(qū)動(dòng)電機(jī)和四連桿結(jié)構(gòu)按照PLC的指令改變開溝器的位置，校正播種深度。播種的株間距由導(dǎo)種輪決定，霍爾傳感器檢測導(dǎo)種輪轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖信號(hào)，PLC根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)和機(jī)械行駛速度計(jì)算株間距，并與設(shè)定值比較；驅(qū)動(dòng)電機(jī)按照PLC的指令調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度，校正導(dǎo)種輪的轉(zhuǎn)速以便維持設(shè)定的株間距。光電傳感器產(chǎn)生的低平電信號(hào)或高平電信號(hào)持續(xù)時(shí)間達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)，PLC認(rèn)定出現(xiàn)種箱排空或?qū)ХN管堵塞的情況，自動(dòng)啟動(dòng)聲光報(bào)警，提醒操作人員排除故障。

3 程序設(shè)計(jì)

PLC采用與電氣控制線路圖相似的編程語言梯形圖，界面簡單直觀，編程和調(diào)試的周期較短。為解決人機(jī)交互能力弱的問題，PLC選用MD2041型文本顯示模式進(jìn)行人機(jī)對話，并用于參數(shù)的設(shè)定和顯示。該文本還可以直接操作內(nèi)部輔助繼電器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，減少了數(shù)據(jù)交換所需接口的數(shù)量。PLC的基本指令有20條，還可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置豐富的功能指令，具有很大的靈活性。

PLC啟動(dòng)后先將計(jì)數(shù)器、定時(shí)器和輔助繼電器等復(fù)位，進(jìn)行初始化后開始檢測，每次排除故障后也要重新檢測。機(jī)械作業(yè)的狀態(tài)信息和控制參數(shù)分別存儲(chǔ)在不同的存儲(chǔ)區(qū)域，都通過相同的文本顯示。開機(jī)時(shí)的顯示頁面用于參數(shù)設(shè)定，跳轉(zhuǎn)的頁面用于實(shí)時(shí)操作。大部分時(shí)間顯示的是播種機(jī)正常工作的狀態(tài)界面，在啟動(dòng)報(bào)警的同時(shí)則自動(dòng)彈出故障顯示界面。

4 試驗(yàn)結(jié)果和分析

將安裝PLC的玉米播種機(jī)在4個(gè)玉米試驗(yàn)田中進(jìn)行試驗(yàn)，牽引播種機(jī)的拖拉機(jī)行駛速度為6km/h；設(shè)定的播種深度為15cm，株間距為25cm；用于試驗(yàn)的玉米品種為農(nóng)華101，每塊試驗(yàn)田取4 000粒種子進(jìn)行試驗(yàn)。播種完成后測量機(jī)械的行駛距離，計(jì)算得到實(shí)際的株間距。在每個(gè)試驗(yàn)田中隨機(jī)取10個(gè)2m長的播種線段，測量線段上的播種深度，計(jì)算平均值后與設(shè)定值進(jìn)行比較，評(píng)價(jià)播種作業(yè)的精度。另外，記錄每次種箱排空后的警報(bào)響應(yīng)時(shí)間，以及整個(gè)試驗(yàn)過程中導(dǎo)種管堵塞的情況和報(bào)警次數(shù)，評(píng)價(jià)對故障的報(bào)警響應(yīng)能力。

試驗(yàn)的結(jié)果如表1所示。機(jī)械的播種深度為14.4～16.0cm，與15cm的設(shè)定值差距很小。播種株間距為25.3～26.6cm，都大于25cm的設(shè)定值，但差異較小，表明播種機(jī)具有較高的作業(yè)精度。每次種箱排空時(shí)報(bào)警器都及時(shí)啟動(dòng)，響應(yīng)時(shí)間為0.6～1.4s。整個(gè)試驗(yàn)過程中導(dǎo)種管堵塞出現(xiàn)了6次，報(bào)警器都能及時(shí)啟動(dòng)，沒有出現(xiàn)誤報(bào)的情況。

表1 玉米播種機(jī)的作業(yè)效果Table 1 Operation effect of the corn seeder

5 結(jié)論

為加深PLC與玉米播種機(jī)的整合程度并提高適應(yīng)能力，以PLC為核心，利用監(jiān)測模塊采集播種機(jī)工作狀態(tài)，分析生成指令后發(fā)送給控制模塊實(shí)現(xiàn)對播種機(jī)的精確控制。試驗(yàn)表明：播種機(jī)的播種深度為14.4～16.0cm，株間距為25.3～26.6cm，與設(shè)定值的差異都很小，表現(xiàn)出較高的作業(yè)精度；每次出現(xiàn)種箱排空和導(dǎo)種管堵塞時(shí)報(bào)警器都能及時(shí)啟動(dòng)，沒有出現(xiàn)誤報(bào)的情況，具有較高的智能化水平。