基于電機驅動的水稻直播機PLC控制系統(tǒng)設計

彭菊生,朱景建,陳建能

(1.湖州職業(yè)技術學院,浙江 湖州 313000;2.浙江理工大學 機械與自動控制學院,浙江 杭州 310018;3.湖州市新能源電驅動技術重點實驗室,浙江 湖州 313000 4.浙江省種植裝備技術重點實驗室,浙江 杭州 310018)

我國的主要糧食作物是水稻和小麥,目前,我國已經(jīng)成為世界上水稻產量最多的國家,種植面積達到4.6億畝[1]。近年來,農村勞動力大量向城鎮(zhèn)流動且老齡化不斷加劇,直接從事農業(yè)勞動的人力資源減少,土地資源逐漸集中,以移栽為基礎的水稻精細化栽培方式成本高、效率低,受到了多重挑戰(zhàn),水稻生產漸而轉向水稻直播栽培方式[2]。水稻直播是在夏熟作物讓茬后將稻種直接播于大田的一種栽培方式[3],與移栽相比,它具有省工省勁、省秧田省成本等優(yōu)點[4]。同時水稻直播對降低勞動強度、節(jié)約水資源、提高農業(yè)生產效率和增加農民收入有幫助[5]。水稻直播機最關鍵的技術在于水稻精密排種器,目前無調速模塊和播種檢測裝置的水稻精密排種器無法根據(jù)水稻直播機的行進速度適時調整電動機轉速,當然也就無法調整播種量,同時無法檢測排種管是否堵塞,經(jīng)常出現(xiàn)漏播、堵塞及播種量超標或不足等問題,造成缺苗斷壟,使畝株數(shù)減少,嚴重影響農作物的產量。隨著社會的發(fā)展和技術的進步,為了提高檢測精度和播種質量,許多先進技術應用于精密排種器排種性能的檢測中[6]。基于上述存在的問題以及智能化技術的發(fā)展,研制了基于電機驅動的水稻直播機PLC控制系統(tǒng),以提高播種的質量和精確性。

1 系統(tǒng)裝置結構與控制原理

1.1 系統(tǒng)裝置結構

圖1是基于電機驅動的水稻直播機的裝置結構圖,該裝置包括傳感器、控制系統(tǒng)及執(zhí)行器。傳感器包括種子面高度傳感器、排種管檢測傳感器、地輪速度傳感器和紅外光電感應開關;控制系統(tǒng)包括水稻排種器控制器及步進電機驅動器;執(zhí)行器包括報警器和步進電機。種子面高度傳感器設于所述蓋體的頂部,用于檢測稻種在所述箱體內的高度;種子箱內的種子在重力及種子間的作用力作用下充入排種輪上的穴孔內,每個穴孔的種粒數(shù)量為5～7粒。排種器在控制系統(tǒng)控制的步進電機驅動下轉動,帶動穴孔內的種子運動,穴孔內的種子在重力的作用下落入排種管,種子在斜置的排種管內實現(xiàn)排序后依次流經(jīng)排種管檢測傳感器,該傳感器能測量種子的數(shù)量,由此實現(xiàn)播量的精確控制。

圖1 基于電機驅動的水稻直播機的裝置結構圖

1.2 控制原理

基于電機驅動的水稻直播機PLC控制系統(tǒng)原理如圖2所示,其采用地輪上安裝霍爾速度傳感器來檢測拖拉機前進速度,PLC根據(jù)該信號從而控制步進電機,使水稻直播機排種速度與拖拉機前進速度協(xié)調,并可隨時調節(jié)株距,從而使播種株距滿足要求;采用電機轉速傳感器來實時監(jiān)測電機轉速,糾正偏差,自動校準,更準確地控制。采用水稻種子箱里安裝激光測距傳感器來不斷測量種子面的高度變化,從而隨時掌握種子箱的種子量,防止沒有及時加種子;采用排種管里安裝紅外光電計數(shù)器檢測排種的數(shù)量以及排種管是否堵塞,從而精確播種以及防止漏播;采用紅外光電感應開關,監(jiān)測各種特殊情況,比如農具抬起來的時候,自動關停電機,不下種。

圖2 基于電機驅動的水稻直播機智能化監(jiān)測系統(tǒng)原理圖

2 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)的主要組成包括人機交互界面(HMI)、可編程序控制器(PLC)、驅動器和步進電機等。HMI是一種包含硬件和軟件的人機交互設備,通過觸摸屏寫入工作參數(shù)或輸入操作命令,實現(xiàn)人與機器信息交互。PLC依據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)出脈沖信號,通過驅動器控制步進電動機的轉速,從而控制排種速度。

2.1 水稻排種器控制器

水稻排種器控制器可以選擇單片機或PLC。單片機雖然成本低,但是其穩(wěn)定性還需要不斷提高,單片機外圍還要涉及很多的電子元件;而PLC相比單片機,具有故障率低、抗干擾能力強、高效的處理速度、精確的數(shù)據(jù)處理能力、易于設備的擴展、便于維護、開發(fā)周期短、優(yōu)越的性價比等優(yōu)點。目前非常多的控制裝置采用PLC。而且PLC對步進電機具有良好的控制能力,只是無法進行直接驅動,而是需要通過步進電機驅動器來完成。本項目選擇200 SMART系列PLC,它提供了脈沖調制(PWM)驅動步進電機。

2.2 步進電機驅動器

步進電機驅動器的作用是將PLC發(fā)出的電脈沖信號轉化為角位移的執(zhí)行機構。當驅動器接收到一個脈沖信號, 它就驅動步進電機按設定的方向旋轉一個固定的角度(即“步距角”)。步進電機驅動器如圖3所示,驅動器上的ENA為脫機信號(可不接),DIR為方向信號,PUL為脈沖信號,需要接到PLC的高速脈沖輸出端口上。驅動器還需要對以下參數(shù)進行設置,具體參數(shù)可通過電機標簽以及驅動器標注查看。步進電機驅動器的信號輸入電壓主要以5 V與24 V為主,PLC的信號輸出電壓為24 V,與SMART PLC進行連接時為共陰級接線。當選用24 V步進電機驅動器時可直接與PLC信號段進行連接,接線圖如圖4所示。

圖3 電機驅動器 圖4 PLC、驅動器和步進電機接線圖

2.3 步進電機

步進電機具有無累積誤差、跟蹤性能好的優(yōu)點[7],是運動控制領域的主要執(zhí)行元件之一。它將電脈沖轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移,電機的轉速、停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)量,不受負載變化的影響,即給電機一個脈沖信號,電機旋轉一個步距角,所以PLC通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度,從而達到調速的目的。因此PLC驅動步進電機主要依靠PLC的高速脈沖輸出功能,200 SMART系列PLC最多支持3個高速脈沖輸出,其具體輸出數(shù)量取決于PLC的型號,如表1所示。

表1 PLC的型號對應的高速脈沖輸出

2.4 地輪速度傳感器

速度測量的方式很多,利用霍爾傳感器對磁通量變化的感知能力測量是目前所普遍采用的一種。霍爾式轉速傳感器可用于檢測各類旋轉機械的轉速,在水稻直播機中通過在其地輪上同軸安裝信號轉子,同時在合適位置安裝能夠檢測到磁通變化的霍爾傳感器,霍爾傳感器對準信號轉子安裝,兩者間隙在0.5～3 mm內。霍爾傳感器的輸出將隨著水稻直播機行駛過程中地輪的轉動而不斷變化,它采集地輪帶動信號轉子轉動產生的脈沖信號,發(fā)送給PLC控制器計算獲得水稻直播機的行進速率,原理如圖5所示。

圖5 地輪速度傳感器原理圖

2.5 種子面高度傳感器

播種過程中,水稻直播機內由于播種種子箱內的種子在不斷減少,種子面高度在不斷降低,為了及時準確地檢測出種子面的高度變化,從而掌握種子箱里的種子量,有必要對現(xiàn)有技術存在的缺陷進行改進。通過設置激光傳感器對箱體內的稻種高度進行測量,當檢測到的稻種的高度低于預設的閾值時,控制系統(tǒng)將控制報警器進行報警,及時提醒作業(yè)人員補充稻種。另外,設置電機驅動蓋板進行轉動,可以阻止稻種從出料口處流出,從而作業(yè)人員可實時控制播種量,不會出現(xiàn)返工的情況。

2.6 排種管檢測傳感器

為了計算排種管漏下的種子量,以及檢測排種管堵塞情況,在每行排種管底部安裝了紅外光電計數(shù)器。本文采用紅外遮光式計數(shù)器,其工作原理是從紅外發(fā)光管發(fā)射出的紅外光線直射在光電元件上,每當紅外光線被遮擋一次,光電元件的工作狀態(tài)就改變一次,通過放大器可使計數(shù)器記下被遮擋的次數(shù)[8],如有數(shù)值超出正常范圍,PLC就會進行聲光報警,從而實現(xiàn)精確播種。如果排種管堵塞,種子便向上堆積遮住傳感器,這時傳感器也會向PLC發(fā)送高電平信號,且信號一直為高電平,這樣PLC就會根據(jù)預先的設置進行聲光報警,避免漏播。

2.7 紅外光電感應開關

紅外光電感應開關是利用被檢測物對光束的遮擋或反射,由同步回路選通電路,從而檢測物體有無的。物體不限于金屬,所有能反射光線的物體均可被檢測。光電開關將輸入電流在發(fā)射器上轉換為光信號射出,接收器再根據(jù)接收到的光線的強弱或有無對目標物體進行探測。本系統(tǒng)中將該開關安裝在鎮(zhèn)壓輪的底部,接在控制系統(tǒng)電路中,只有當排種裝置落下時,也就是鎮(zhèn)壓輪著地時,感應開關發(fā)信號給PLC,PLC控制步進電機帶動排種器開始工作。同時,可以保證水稻直播機臨時停車或地頭轉彎等狀況時排種器不能繼續(xù)轉動,避免無效排種,浪費種子。

3 試驗與結論

3.1 單體樣機試驗

為了測試該系統(tǒng)的性能,對單體樣機進行了播種監(jiān)測試驗和數(shù)據(jù)采集。試驗在水稻示范園區(qū)田間進行,試驗稻種選擇稻花香種子,作業(yè)速度設定在3 km/h,每穴播5～7粒破胸露白稻種,拖拉機牽引2BDXZ型10行水稻精量穴直播機,分別在在PLC控制和手動控制條件下進行不同株距地播種作業(yè),最后選取10行排種器中的1行,對不同播種穴距條件下水稻的實測株距與設定株距值做對比,數(shù)據(jù)對比結果如表2所示。

表2 播種機在不同控制狀態(tài)下的播種株距

從表中可以看出PLC控制的播種株距與設定值之間的最大差異僅為1 cm,同時PLC控制的誤差率低于手動控制,PLC控制表現(xiàn)出了較高的控制精度。控制系統(tǒng)對種子箱種子多少以及排種管堵塞都能及時準確地報警,避免出現(xiàn)空白的田塊,為高產提供了保障。而手動控制狀態(tài)下,播種株距雖然能被控制在20 cm左右,但是一致性較差,株距的變化范圍達到3.5 cm,精確度比智能控制狀態(tài)低。當然,控制系統(tǒng)依據(jù)拖拉機行進速度控制步進電機,所以系統(tǒng)不能減少拖拉機車輪滑移和排種器本身漏種引起的漏播現(xiàn)象。

3.2 性能對比試驗

為了與其他水稻直播機對比該系統(tǒng)的性能,進行了性能對比試驗。在同一臺水稻精量穴直播(2BD-10型)機上,分別安裝兩套不同結構類型的水稻穴直播精量排種裝置,一套為試驗的精量穴直播機自帶優(yōu)化設計的型孔輪式排種器,另一套為自主研制的基于電機驅動的水稻直播機PLC控制系統(tǒng),在同等工況條件下開展田間精量機械化穴直播的試驗與對比,以比較兩種不同類型穴直播系統(tǒng)的每穴入田播種量、排種干凈度、種子破損率、漏播率、純工作小時生產率和燃油消耗量。試驗在水稻示范園區(qū)田間進行,試驗稻種選擇稻花香種子,作業(yè)速度設定在3 km/h,每穴播5～7粒破胸露白稻種。一方面觀察入田的每穴播種量,另一方面在試驗一定面積后拆解穴直播裝置以觀察排種器內是否留有種子,也即排種器的堵塞情況和排種干凈度;同時,對種子破損率、漏播率、純工作小時生產率和燃油消耗量進行了統(tǒng)計和計算。根據(jù)田間試驗情況,試驗效果如表3所示。

從表3可以看出,自主研制的基于電機驅動的水稻直播機PLC控制系統(tǒng)在每穴入田播種量、排種干凈度、種子破損率和漏播率方面的性能,明顯優(yōu)于精量穴直播機自帶優(yōu)化設計的型孔輪式排種器;由于采用的是同一臺水稻精量穴直播機做動力,所以純工作小時生產率和燃油消耗量接近。

3.3 結論

基于電機驅動的水稻直播機智能化控制系統(tǒng)設計,結合該試驗結果,可得到如下結論:

(1)該系統(tǒng)以PLC為控制中心,通過人機界面輸入株距,根據(jù)傳感器反饋回來的信號,支配步進電機完成規(guī)定的運動和功能,使電機驅動下的排種速度與拖拉機作業(yè)速度相適應,避免因為水稻直播機手動控制帶來的播種株距不穩(wěn)定等問題,實現(xiàn)排種器轉速的PLC自動控制。且因為該系統(tǒng)由電機直接驅動排種器,減少了中間環(huán)節(jié),簡化了傳動系統(tǒng),提高了傳動精度和穩(wěn)定性,有效地保證了播種株距的一致性[9]。

(2)同時該智能控制系統(tǒng)能實時監(jiān)測種子面高度、排種管漏播及堵塞情況,解決了傳統(tǒng)直播機容易出現(xiàn)的漏播或堵塞等問題。而且本設計易于改進,并可與不同型號的播種機配套使用,增大了使用的范圍。它的檢測精度高,同時可檢測多個信號,易于擴展,工作可靠。

(3)另外,該智能控制系統(tǒng)的排種器由步進電機驅動,減少了一般播種機采用地輪驅動帶來的打滑及播種不均勻現(xiàn)象。

總之,本設計解決了無調速模塊和播種檢測裝置的水稻精密排種器播種時遇到的一些無法解決的問題,不但減輕了播種人員的勞動強度,而且也提高了水稻直播機的播種質量,確保水稻增產增收,從而更好地幫助農民脫貧致富。