基于PLC技術(shù)的播種機電氣自動化技術(shù)研究

馮 碩

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 南陽 473000)

0 引言

可編程邏輯控制器(PLC)不僅是一種存儲器還可以編程,通常它以內(nèi)部程序儲存可進(jìn)行為基礎(chǔ),在存儲的同時還能夠按照某些指令執(zhí)行與之相對應(yīng)的動作,當(dāng)處在特定的軟件系統(tǒng)的情況下,PLC技術(shù)的效能可以發(fā)揮地非常極致。為此,將PLC控制器引入到了播種機電氣化控制系統(tǒng)中,采用延時控制的方式,實現(xiàn)耕地、播種和填土等作業(yè)過程的自動化控制,以期提高播種機的自動化水平和播種效率。

1 PLC技術(shù)在電氣自動化控制中的應(yīng)用

近年來,電氣自動化技術(shù)得到了迅速的發(fā)展,隨著計算機技術(shù)的不斷進(jìn)步,電氣自動控制也開始應(yīng)用計算機技術(shù)的成果。PLC技術(shù)是電氣自動化控制融入計算機信息化技術(shù)的橋梁,采用PLC技術(shù)可使各種機械的電氣設(shè)備滿足更多方面的需求,可以解決設(shè)備的存儲與計算機反應(yīng)速度的問題,使電氣設(shè)備更加智能化,從而形成電氣設(shè)備網(wǎng)絡(luò)式分布和集成化的應(yīng)用。PLC在播種機電氣自動化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩個方面。

1)PLC控制器可以作為順序控制器來使用,在播種機作業(yè)過程中有多道作業(yè)工序,包括耕地、播種、填土、壓實及灌溉等,這些作業(yè)是遵從一定順序的,每道工序之間需要一定的間隔。采用PLC技術(shù)可以延時控制來對這些作業(yè)過程進(jìn)行順序控制,控制方式可以采用PLC編程的方式,從而實現(xiàn)整個播種作業(yè)過程的自動化控制。

2)PLC在播種機電氣自動化系統(tǒng)中的另一個作業(yè)是縮短繼電器的控制時間。在通常狀況下,繼電器的反映速度較慢,很難有效地控制短路保護(hù)期間開關(guān)的通斷,而PLC可以有效地提高繼電器的反映速度,提高整個系統(tǒng)的運作效率,將其使用在播種機電氣自動化控制性開關(guān)量方面具有重要的意義。為了設(shè)計出合理的播種機電氣自動化控制系統(tǒng),設(shè)計PLC自動化控制流程,如圖1所示。

圖1 PLC自動化控制流程圖Fig.1 PLC automation control flow chart

如果將其使用在播種機電氣自動化系統(tǒng)中,可根據(jù)播種機的需求分析對PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行編程,然后將程序?qū)懭氲酱鎯ζ髦?利用數(shù)據(jù)接口將控制質(zhì)量傳送到播種機的執(zhí)行末端,從而提高播種機的播種質(zhì)量和自動化水平。

2 播種機電氣自動化系統(tǒng)設(shè)計

在傳統(tǒng)的播種方式作業(yè)情況下,整個播種過程主要分為耕地、排種、填土、壓實和灌溉,而這幾個步驟都可以通過PLC控制器實現(xiàn)自動化調(diào)節(jié)。其總體框架如圖2所示。

圖2 播種機PLC自動化控制系統(tǒng)Fig.2 PLC automatic control system for sowing machine

工作時,控制系統(tǒng)通過輸入輸出接口傳送到PLC控制器中,通過軟件執(zhí)行相關(guān)程序,PLC發(fā)出動作指令信號,控制信號驅(qū)動電磁閥和電磁線圈的通斷,實現(xiàn)各部分的功能。其控制原理如圖3所示。

圖3 各裝置順序延時啟動流程示意圖Fig.3 The schematic diagram of the sequential delay starting process of each device

各裝置利用延時程序?qū)崿F(xiàn)間歇工作,從而實現(xiàn)整個播種過程的自動化控制。程序可以采用PLC控制器編寫,編寫完成后寫入到存儲器中,通過程序執(zhí)行,然后輸出相應(yīng)的動作,實現(xiàn)播種機各部分的功能,如圖4所示。

圖4 排種過程延時控制示意圖Fig.4 The schematic diagram of delay control in the process of seed metering

在耕作完成后便可進(jìn)行排種操作,排種裝置啟動后開始進(jìn)行排種操作,排種2s后暫停排種,直到下一個排種中期后再開始排種,排種過程通過延時控制可以正好安排在耕作和覆土之間,實現(xiàn)自動化操作。

如表1所示,為了實現(xiàn)信號的傳輸,需要對PLC的I/O端信號進(jìn)行定義,信號類型分為A輸入信號和B輸出信號兩種,控制類型包括位移傳感器信號和拉壓傳感器信號。PLC控制器完成后,便可以進(jìn)行裝置的試驗。

表1 PLC的I/O端信號定義Table 1 Definition of I/O end signal for PLC

3 播種機電氣自動化系統(tǒng)測試

為了驗證PLC在播種控制系統(tǒng)中使用的可行性,對PLC系統(tǒng)作業(yè)時的可靠性和作業(yè)效率進(jìn)行了測試。測試使用較深的開溝播種裝置,在播種作業(yè)裝置上搭載了PLC控制器,如圖5所示。

圖5 基于PLC控制系統(tǒng)的播種機實驗Fig.5 The experiment of sowing machine based on PLC control system

采用自動播種作業(yè)裝置對PLC系統(tǒng)進(jìn)行測試,試驗地選擇果園硬度適中的土壤,測試項目主要包括開溝深度和播種質(zhì)量。以播種深度的測試為例,試驗測試流程如圖6所示。

圖6 播種測試流程Fig.6 The sowing test flow

試驗開始時,首先設(shè)定播種機的播種深度,然后通過傳感器和數(shù)據(jù)接口將數(shù)據(jù)傳送給PLC控制器;PLC發(fā)出控制指令給液壓開溝器升降裝置控制播種機的播種深度,并利用反饋調(diào)節(jié)功能通過實時測量控制實際播種深度;如果深度不合理,按照之前標(biāo)定深度對液壓升降開溝裝置進(jìn)行調(diào)整,直到達(dá)到合理的深度。播種深度標(biāo)定值和試驗測試值如圖7所示。

圖7 理想開溝深度和實際測定值Fig.7 The ideal furrow depth and actual measurement value

由圖7可看出：試驗值和標(biāo)定值的吻合度較高,從而驗證了PLC控制系統(tǒng)的可靠性。

為了進(jìn)一步驗證基于PLC電氣控制系統(tǒng)的播種機的可靠性,將其播種質(zhì)量和傳統(tǒng)播種機進(jìn)行了對比,如表2所示。由表2對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)：基于PLC電氣控制系統(tǒng)的自動播種機播種質(zhì)量更好。

表2 播種質(zhì)量對比Table 2 The contrast of sowing quality

為了進(jìn)一步驗證基于PLC電氣控制系統(tǒng)的播種機的播種效率,將其和傳統(tǒng)播種機進(jìn)行了對比,如表3所示。由表3對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)：基于PLC電氣控制系統(tǒng)的自動播種機播種效率明顯高于改裝之前傳統(tǒng)的播種機。

表3 播種效率對比Table 3 The contrast of sowing efficiency h

4 結(jié)論

為了提高播種機電氣自動化系統(tǒng)控制效率,將PLC控制器引入到了播種機控制系統(tǒng)中,通過編程和延時控制的方式,實現(xiàn)了耕作、播種和填土等作業(yè)的自動化。為了驗證控制系統(tǒng)的可靠性,對播種效率和播種質(zhì)量進(jìn)行了測試,結(jié)果表明：采用PLC控制器后播種效率和播種質(zhì)量都有了明顯的提高。基于PLC控制的新型播種機, 克服了由于機械機構(gòu)控制而導(dǎo)致的零件磨損、更換頻繁、可靠性差等問題,實現(xiàn)了整機輕量化及高可靠性。如需改變工藝只改變程序和少許接線,柔性化程度提高,對于提高農(nóng)機自動化水平具有重要的意義。