基于PLC的玉米機械播種量控制系統設計

王貴麗,耿艷利,劉小凡

(1.河北機電職業技術學院,河北 邢臺 054000;2.河北工業大學 人工智能與數據科學學院,天津 300130)

0 引言

玉米是我國的主要糧食作物之一,具有產量高、價值高、對種植環境無氣候和地址條件要求的優點,在我國種植范圍非常廣[1]。玉米播種是玉米種植的關鍵環節,我國傳統的玉米播種方式是玉米點播或者條播,但效率低下、耗時較長、播種質量不高,導致出苗率低,影響玉米產量。播種量是玉米播種的關鍵指標,播種量的高低也會影響玉米的出苗率、均勻性和產量[2-3],對于玉米播種量的控制和調節也是玉米播種的關鍵問題。因此,研究高效率的機械精密播種機,提高播種效率并適度調節播種量,對玉米播種具有重要意義。

機械式玉米播種機具有結構簡單、工作可靠性高、價格低廉的優點,相較于傳統的播種機,其對土壤的干擾更小,尤其對土壤原有的水分和養分影響小。機械播種機的核心部件是排種器,其工作原理是將種箱的種子轉化為種子流,在重力的作用下分離出種子流中的單粒種子進行投種。

可編程控制器(PLC)是一種可以用來完成用戶操作指令(如邏輯判斷、計數、運算等)的工控裝置[4],其程序采用梯形圖語言和工業控制用操作指令進行編制[5],具有結構簡單、易于安裝調試、抗干擾能力強及維護方便等優點。因此,本文將PLC應用于機械玉米播種機,對玉米播種量的控制系統進行研究。

1 設計思路

1.1 總體設計路線

玉米機械播種量控制系統的總體結構設計圖如圖1所示。該系統主要由傳感器模塊、無線傳輸模塊、PLC控制模塊、光電驅動器、步進電機和排種器組成。

圖1 玉米機械播種量控制系統總體結構設計圖。

1.2 傳感器模塊

傳感器一般由感知元件和轉換器件組成,作用是將獲取的外界信號轉換為電信號,并最終傳輸給控制系統。傳感器的類型需要按照精確度、測量方式和靈敏度等進行選擇。對于本文來說,主要選取3個傳感器:①種箱傳感器,用于監控種箱內的種子數量;②排種管傳感器,用于監控排種管的種子堵塞,是否存在漏播、重播等現象;③速度傳感器,用于監控播種臺的移動速度,適時調整種子的下落速度。

1.3 無線傳輸模塊

傳感器和控制器之間的信息傳輸采用ZigBee無線傳感網絡。ZigBee終端負責采集接收各傳感器信息,協調器負責將接收到的信息通過串口傳遞給PLC控制器。無線傳輸的方式不僅可以簡化設備線路,減少線路故障,還可以提高控制系統的穩定性。

1.4 PLC控制模塊

PLC控制模塊作為播種機的控制單元,需要完成對步進電機的精確控制,且需要能夠兼容與觸摸屏和各傳感器的連接。三菱PLC的兼容性和穩定性較好,擅長控制步進和完成復雜的動作,且有專門的定位指令[6],因此采用三菱PLC進行控制,其電路圖如圖2所示。

圖2 PLC電路圖。

PLC的工作過程主要包括3個階段:①輸入采樣階段,用于完成數據的讀取并存儲到響應的單元;②程序執行階段,即PLC按照從左至右、從上至下的順序讀取程序,對數據進行計算并將結果更新存儲或輸出;③輸出刷新階段,即刷新電路信息,并向相關外部設備發送指令[7]。

1.5 電機驅動單元

電機驅動單元主要包括光電驅動器和步進電機。通過利用光電驅動器驅動步進電機,進而控制排種器進行排種,并可以根據播種情況和播種臺移動速度對播種量進行調整控制。

1.6 排種器

排種器有型孔式、氣力式及外槽輪等類型的排種器。其中,外槽輪排種器相對于其他類型排種器具有結構簡單、經濟性好、運行可靠性和適應性強的特點,能夠充分滿足農業生產的需求。因此,本文選用外槽輪排種器,其結構示意圖如圖3所示。

圖3 排種器結構示意圖。

2 播種量控制軟件設計

步進電機驅動排種器排種,其輸出軸通過聯軸器與排種器的排種軸連接,兩者同步旋轉,因此步進電機的轉數和排種器的播種量存在一定的關系。根據排種器的結構,排種軸旋轉帶動排種器工作,使種箱內的玉米種子排種,且旋轉頻率越快,玉米種子的排除速度越快,播種量越大。排種器排種軸轉數Nt和播種量M的關系為

M=kNt+b

其中,k和b均為常數。因此,排種軸的轉數和播種量是一一對應關系,且排種軸和步進電機同步旋轉,可以通過控制步進電機的轉速控制播種量。式中,k和b可以通過試驗確定。

當播種臺的運行速度改變時,步進電機的轉速同時改變,即播種臺運行速度快,則步進電機轉速加快;播種臺運行速度減慢,則步進電機轉速減慢。為了能夠根據播種臺的行進速度實時調整播種量,需要確定播種臺行進速度和步進電機轉速之間的函數關系。

假設播種臺播種的單位面積為S,播種臺行進速度為v,步進電機轉速為vt,轉數為N,排種器的擺幅為W。在單位面積S內的播種量M一定,其值與播種臺行進速度和步進電機的轉速無關,則播種臺播種單位面積所需時間t1為

傳動比為i,則步進電機的轉速vt為

對比以上兩個公式得

結合排種器排種軸轉數和播種量的函數關系得

此式即為播種臺的運行速度v和步進電機的轉速vt的關系。

3 播種量試驗與結果

3.1 試驗設計

為了驗證該試驗裝置性能,將該裝置分別在實驗室環境和田間環境進行試驗[8]。實驗室環境干擾因素少,工作條件簡單,因此在該環境下對試驗設備進行研制,在此狀態下進行試驗不需要考慮環境對設備的影響,可縮短研制時間,但試驗環境對于試驗結果有局限性。因此,為了充分驗證試驗設備的可行性,在設備研制完成后將該設備在田間進行試驗。

3.2 實驗室試驗

1)排種器排種軸轉數Nt和播種量M函數關系的確定。首先需要確定函數關系中的k和b,調整步進電機轉速,采集不同轉速下排種軸的轉數和播種量,結果如表1所示。

表1 排種軸轉數Nt和播種量M關系。

通過對表格中的數據進行線性擬合,得到排種器排種軸轉數和播種量的關系為

M=0.0941Nt-0.0305

由于播種機不工作時,轉速Nt為0,播種量M為0,因此對上式進行修正,得到修正后的函數關系為

M=0.0941Nt

2)實際播種量M′的確定。在觸摸屏輸入播種量M值,啟動播種器開始工作,此時播種臺的運行速度為v,單位播種面積為667m2,步進電機傳動比i為1,排種器的擺幅W為2m,將數據帶入函數關系式得

簡化得到以下函數關系

vt=1.848vM

由該式可知:當播種量M確定時,播種臺運行速度v和步進電機轉速vt隨動關系即可確定。在種箱內放入玉米種子,并設定播種機運行距離為100m,對排種器進行標定試驗。通過在觸摸屏輸入不同的參數,為保證數據的準確,每個輸入參數進行兩次試驗,并取平均值,記錄實際播種量M′,結果如表2所示。

表2 播種量輸入參數M與實際播種量M′關系。

通過對表2數據進行線性擬合,得到播種量參數M和實際播種量M′的函數關系為

M′=0.1936M+0.3428

3.3 田間試驗

選取一塊較平整的土地作為試驗田,利用該排種器對玉米進行播種。按照玉米生長的環境,確定玉米的行距為20cm,一共播種15行,排種器擺幅2m,每畝播種量定為6kg,播種量的輸入參數為28。將以上參數輸入觸摸屏,啟動播種量控制系統,播種器開始工作。在播種器工作過程中,觀察排種器正常工作,步進電機的運行狀態良好和玉米種子的分布均勻。田間試驗證明:該播種器能夠完成玉米的播種。

3.4 播種質量驗證

根據國家標準,播種器的播種質量要達到種子均勻性的變異系數小于40%(10cm分段)。因此,需要在種床上進行播種質量試驗。在種床帶上涂抹油使落到種床帶上的種子位置不變動,設置步進電機速度為2.8km/h,待播種器穩定工作一段時間后停止。任意選取種床帶上50cm的距離,均分為5部分,統計每部分的種子數量,并計算試驗的變異系數(變異系數=標準偏差/平均值)。為保證試驗結果的準確性,該試驗進行3次,結果如表3所示。

由表3可知:該播種機播種量控制系統達到了國際的播種均勻性的標準要求,能夠滿足用戶的使用要求。

4 結論

1)針對玉米的播種量設計了玉米機械播種機,該設備的主要組成為各傳感器模塊、無線傳輸模塊、PLC控制模塊、電機驅動單元和排種器。同時,設計了播種量控制系統,使播種量可以根據播種臺運行速度進行調整。

2)設計的玉米播種器經過了實驗室試驗和田間試驗,結果表明:系統均能夠穩定工作,實現了播種量和播種太行進速度的匹配。

3)田間試驗表明:播種質量均勻性能夠達到變異系數小于40%的國家標準,性能能夠滿足用戶的使用需求。