基于PLC和組態(tài)的玉米精確播種量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 飛，劉 健，孫 昕

（1.沈陽工學(xué)院信息與控制學(xué)院，遼寧 沈陽 113122；2.沈陽理工大學(xué)）

0 引言

玉米是我國的主要糧食作物之一，具有產(chǎn)量高、價(jià)值高、對種植環(huán)境無氣候和地理?xiàng)l件要求的優(yōu)點(diǎn)，在我國種植范圍廣泛。播種是種植的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，我國傳統(tǒng)的玉米播種方式采用點(diǎn)播或者條播，但存在效率低、耗時(shí)長、播種質(zhì)量不高，導(dǎo)致出苗率低，影響玉米產(chǎn)量的問題。播種量是玉米播種的關(guān)鍵，播種量的多少會直接影響玉米的出苗率、均勻性和產(chǎn)量，對于玉米播種量的控制和調(diào)節(jié)是玉米播種的關(guān)鍵問題。因此，研究高效率的機(jī)械精密播種機(jī)，提高播種效率并適度調(diào)節(jié)播種量，對玉米生產(chǎn)具有重要意義。

在20世紀(jì)50年代我國就從國外引進(jìn)棉花播種機(jī)、谷物條播機(jī)等，60年代前后制造出多種機(jī)型，其中包括懸掛式谷物播種機(jī)、通用機(jī)架播種機(jī)及氣吸式播種機(jī)等，并成功研制了磨紋式排種器[1]。到了70年代，先后發(fā)明了播種中耕鏟地機(jī)和谷物聯(lián)合的播種機(jī)2個種類，并生產(chǎn)使用。供作物、牧草、蔬菜用的各種條播機(jī)和穴播機(jī)已推廣應(yīng)用。到了20世紀(jì)80年代初，隨著精量播種機(jī)的普遍使用，我國開始對精密播種監(jiān)控進(jìn)行研究，但是至今尚未有較為系統(tǒng)的研究。目前國內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)還主要停留在研究和試驗(yàn)階段，也有部分系統(tǒng)進(jìn)行了產(chǎn)品化生產(chǎn)使用，但監(jiān)測效果并不理想，因此使用的農(nóng)戶并不多。隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，監(jiān)測裝置也在不停地發(fā)展，使得監(jiān)測系統(tǒng)越來越完善。

玉米播種機(jī)械是人們農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中常用的人工智能工具。從開始的人工繁雜的播種到如今的智能播種機(jī)精確的控制播種，功能種類繁多，應(yīng)用廣泛。隨著生活水平的提高和生活節(jié)奏的加快，人們對玉米精確播種的功能提出了新的要求。市場上精準(zhǔn)高智能的玉米播種機(jī)械相繼問世，具有多樣性且適用范圍廣泛等優(yōu)點(diǎn)，功能也逐漸完善。

1 玉米精確播種量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

玉米精確播種量采用西門子S7-1200系列PLC為中心的控制系統(tǒng)，具有工作穩(wěn)定性好、設(shè)計(jì)周期性短、成品程度高等優(yōu)勢。在玉米精確播種量控制系統(tǒng)中由PLC控制播種臺的啟動運(yùn)行、排種器的播種量、系統(tǒng)故障的檢測等工作流程。

玉米精確播種量控制系統(tǒng)工作時(shí)，首先觸摸屏?xí)雀鶕?jù)生產(chǎn)要求進(jìn)行檢測與初始化，其次PLC按設(shè)定程序發(fā)出控制信號控制步進(jìn)電機(jī)，啟動排種器，排種器在播種臺的帶動下開始運(yùn)行，最后由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動開始對玉米地進(jìn)行精確播種。

玉米精確播種量系統(tǒng)的控制與反饋是通過各種接觸器、開關(guān)、傳感器等進(jìn)行連接并對其工作過程進(jìn)行分配。在充分理解玉米精確播種量控制系統(tǒng)的工作過程的基礎(chǔ)上，利用PLC的控制端口來操控實(shí)際電氣模塊，同時(shí)I/O端口的數(shù)量取決于硬件的數(shù)量。在本設(shè)計(jì)中，共用到5個數(shù)字量輸入端和6個數(shù)字量輸出端。

系統(tǒng)啟動，首先啟動指示燈亮起，系統(tǒng)自動進(jìn)入自檢模式。自檢模式中，系統(tǒng)主要檢查各部件是否存在故障，同時(shí)，系統(tǒng)會檢查排種器中種子的存量是否充足，若排種器中種子存量達(dá)到缺料限位，則缺料報(bào)警指示燈亮起，系統(tǒng)停止運(yùn)行，待將排種器中種子補(bǔ)足后，系統(tǒng)方可重新手動啟動。系統(tǒng)自檢結(jié)束后，確認(rèn)系統(tǒng)無故障，則播種臺就緒指示燈會自動亮起，此時(shí)按下播種臺啟動按鈕，播種臺會帶動排種器啟動運(yùn)行。本設(shè)計(jì)中，待播種的玉米地每一列有10塊玉米地，排種器需在每塊玉米地準(zhǔn)確播種3粒，若傳感器檢測到某次播種量不是3粒，則系統(tǒng)自動停止運(yùn)行，需對系統(tǒng)進(jìn)行故障檢測。當(dāng)播種臺帶動排種器播種完一列玉米地后，播種臺在PLC的控制下，拖動電機(jī)會自動反轉(zhuǎn)，進(jìn)行下一列10塊玉米地的播種，此流程直至排種器內(nèi)種子缺少或按下停止按鈕為止。玉米精確播種量控制系統(tǒng)流程圖，如圖1所示。

圖1 玉米精確播種量控制系統(tǒng)流程

2 玉米精確播種量控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

2.1 啟動與自檢功能程序設(shè)計(jì)

在玉米精確播種量控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)會自動啟動，啟動指示燈亮起，同時(shí)系統(tǒng)會自動進(jìn)入自檢模式。此處程序中設(shè)定自檢時(shí)間為10 s，若自檢過程中，出現(xiàn)故障或傳感器檢測出排種器缺料，排種器缺料指示燈亮起，系統(tǒng)停止運(yùn)行。若自檢過程中未出現(xiàn)故障，且排種器不缺料，則自檢過程結(jié)束后，播種臺自動準(zhǔn)備就緒，播種臺就緒指示燈亮起。

2.2 播種臺正向運(yùn)行播種功能程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，玉米精確播種的玉米地范圍設(shè)定為每列10塊玉米地，當(dāng)播種臺帶動排種器播種10塊玉米地后，播種臺需反向運(yùn)行，再播種下一列的10塊玉米地。在播種臺運(yùn)行過程中，若出現(xiàn)停止按鈕按下、排種器缺料、排種量異常等情況時(shí)，播種臺會自動停止運(yùn)行，待故障解除或需重新運(yùn)行時(shí)，可手動重新啟動播種臺。播種臺正向啟動功能程序圖，如圖2所示。

播種臺啟動后，排種器同時(shí)啟動，由排種器向每塊玉米地進(jìn)行精確播種。程序中，排種器運(yùn)行由排種器指示燈指示，排種器指示燈亮起時(shí)，排種器向玉米地進(jìn)行精確播種，每次播種量為3粒。

每次播種之后，排種器指示燈熄滅，播種臺帶動排種器向前運(yùn)行至下一塊玉米地。排種器的播種量由傳感器實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，并將信號反饋到PLC中計(jì)數(shù)器的輸入端，若某次排種數(shù)量不是設(shè)定的3粒種子，則播種臺將被切斷，系統(tǒng)停止運(yùn)行。排種器每播種10塊地，播種臺會自動反向運(yùn)行，以播種下一列玉米地，播種玉米地的數(shù)量也由PLC中的計(jì)數(shù)器指令實(shí)現(xiàn)。排種器正向單塊土地排種程序圖，如圖3所示。

圖3 排種器正向單塊土地排種程序

系統(tǒng)中設(shè)計(jì)每一列玉米地?cái)?shù)量為10塊，因此當(dāng)排種器定量播種10塊玉米地后，播種臺需反向運(yùn)行，帶動排種器去播種下一列的10塊玉米地。播種臺反向運(yùn)行過程中，排種器和播種臺的運(yùn)行過程與正向播種時(shí)一致，排種器定量給每塊玉米地播種3粒種子，過程中，若按下停止按鈕、出現(xiàn)排種器缺料或排種器播種數(shù)量異常等情況，播種臺同樣會自動停止運(yùn)行。

3 玉米精確播種量控制系統(tǒng)在線運(yùn)行

玉米精確播種量控制系統(tǒng)主界面主要實(shí)現(xiàn)了玉米精確播種量控制系統(tǒng)的啟動、啟動功能指示、自檢功能、排種器缺料報(bào)警功能、播種臺帶動排種器正向播種和反向播種的循環(huán)運(yùn)行、排種器對每塊玉米地排種數(shù)量的精確顯示等功能。系統(tǒng)啟動后，首先閉合啟動開關(guān)，系統(tǒng)啟動指示燈亮起，同時(shí)系統(tǒng)自動進(jìn)入自檢模式。在自檢模式階段，如果排種器內(nèi)種子量低于最低限位，則會觸發(fā)排種器的缺料限位，同時(shí)界面上的缺料指示燈會亮起，此時(shí)系統(tǒng)不能運(yùn)行，系統(tǒng)啟動指示燈熄滅，需要補(bǔ)料后重新啟動運(yùn)行。

系統(tǒng)自檢結(jié)束后，若系統(tǒng)無故障，則系統(tǒng)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，播種臺準(zhǔn)備就緒指示燈亮起。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，界面上設(shè)計(jì)了2排玉米地，每排10塊，播種臺帶動排種器先正向經(jīng)過第一排玉米地，在每一塊玉米地處停留，停留過程中，排種器上電機(jī)指示燈亮起，表示正在給玉米地進(jìn)行精確播種。由于本系統(tǒng)要求嚴(yán)格控制播種數(shù)量，每塊玉米地播種量為3粒，故在排種器給每塊地進(jìn)行播種時(shí)，右側(cè)的排種指示燈會閃爍亮起3次，表示排種器的排種數(shù)量。播種臺經(jīng)過每塊玉米地，對其進(jìn)行播種后，相應(yīng)的玉米地會改變顏色，表示地塊已經(jīng)播種結(jié)束，若中途出現(xiàn)缺料狀況，播種機(jī)會自動停止運(yùn)行，待補(bǔ)料結(jié)束后，繼續(xù)運(yùn)行，直到播種10塊玉米地后，正向播種結(jié)束。播種臺正向機(jī)械排種運(yùn)行組態(tài)界面圖，如圖4所示。

圖4 播種臺正向機(jī)械排種運(yùn)行組態(tài)界面

第一列10塊玉米地播種結(jié)束后，播種臺會自動反向運(yùn)行，對第二列玉米地進(jìn)行反向播種。反向播種流程與正向播種一樣，對每塊地排種過程中，依然嚴(yán)格控制機(jī)械排種量為3粒種子，排種指示燈閃爍3次。同時(shí)，對每塊玉米地播種結(jié)束后，對應(yīng)的玉米地會改變顏色，以表示播種完畢。由于界面大小有限，本設(shè)計(jì)界面只畫出兩列玉米地，第二列10塊玉米地播種結(jié)束后，播種臺會再自動反向運(yùn)行，以模擬對若干列玉米地循環(huán)播種的工作流程。在整個系統(tǒng)運(yùn)行流程中，任意時(shí)刻內(nèi)，若排種器內(nèi)種子過少，觸碰到缺料限位，系統(tǒng)都會立刻停止運(yùn)行，待補(bǔ)料后，播種臺繼續(xù)進(jìn)行播種，反復(fù)循環(huán)，直至土地播種結(jié)束，關(guān)閉系統(tǒng)開關(guān)，達(dá)到模擬現(xiàn)實(shí)播種的目的。

播種過程中，若出現(xiàn)缺料等故障，播種臺會停止運(yùn)行，缺料報(bào)警燈亮起，報(bào)警界面會有相應(yīng)的報(bào)警顯示，報(bào)警界面中，藍(lán)色字體表示正常運(yùn)行情況，紅色字體表示報(bào)警時(shí)刻。

4 小結(jié)

本設(shè)計(jì)選用PLC結(jié)合組態(tài)軟件來設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)玉米精確播種量控制系統(tǒng)。應(yīng)用西門子S7 -1200型號PLC和MCGS組態(tài)軟件，設(shè)計(jì)了玉米精確播種量控制系統(tǒng)的啟動、自檢、報(bào)警、正向排種和反向排種、排種量精確控制等功能。完成了玉米精確播種量控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)、控制程序編寫、系統(tǒng)運(yùn)行、在線調(diào)試、監(jiān)控界面設(shè)計(jì)與運(yùn)行等功能，較完整的完成了玉米精確播種量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可為玉米或同類作物機(jī)械化播種提供一定的參考。