小麥播種機電氣控制系統的設計與試驗

崔 霞

(唐山勞動技師學院,河北 唐山 063000)

0 引言

播種環節是決定農作物質量和產量的重要因素,尤其是小麥作物的播種。傳統的小麥播種機多以外槽輪式排種器為主,采用地輪和側邊箱式驅動模式[1],當播種機的行進速度發生改變時,排種軸轉速隨之改變,從而使排種器中的種子數量也發生改變,屬于機械式控制[2]。然而,該播種方式常常因為拖拉機速度不一致、地輪打滑等原因產生小麥播量無法控制及播種不均勻等現象,嚴重影響了小麥最終的產量和質量,已不適用于當下農業發展需求。

為了解決上述問題,筆者借助智慧農業的相關理念,設計了一種以PLC為核心的小麥播種機智能電氣控制系統[3]。系統通過建立播種機前進速度與拖拉機速度、步進電機轉速的隨動模型,實現了小麥播量的控制,為小麥的高產打下基礎。

1 總體設計方案

現階段小麥播種作業使用頻率最高的是外槽輪式播種機,作業時由地輪或側邊箱驅動播種機前進[4],播種機在前進的過程中帶動排種軸轉動,從而使外槽輪旋轉,種子在自身重力的影響下充滿排種槽,并隨之旋轉;依據旋轉速度的大小,外層種子受到槽輪外圓的撥動力,落入輸種管;此時,輸種管的種子數量即1個穴的播量,最后經過開溝器落在地溝中。因此,若要控制種子的播量,關鍵是控制排種器的轉速[5]。

為了使播種機根據其前進速度的大小自動調整排種軸的轉速,設計的小麥播種機電氣控制系統由以PLC控制為核心的電氣控制代替了原有的依靠地輪和側邊箱式機械驅動模式[6],改變了傳統的播種機的傳動裝置。主要設計思路是:在播種作業前,通過人機交互界面設置作業參數,包括畝播量和前進速度等;在播種作業的過程中,通過安裝在拖拉機主動輪的內側的速度傳感器采集拖拉機速度信息[7],并發送給PLC進行模型換算處理,再輸出控制指令發送給步進電機;步進電機調整其轉速,從而改變排種軸轉速,以此來達到調整播量的目的。整體架構如圖1所示。

圖1 總體架構Fig.1 Overall structure

2 硬件設計

根據總體設計架構,控制系統的硬件部分包括PLC主處理器、人機交互界面、速度傳感器、驅動器、步進電機及播種器等。

1)PLC是可編程邏輯控制器的簡稱[8],是一種專門服務于工業的計算機控制系統,具有可靠性高、組態靈活等特點。其基本結構包括電源、中央處理器、存儲器、輸入單元及輸出單元等。其中,電源主要將交流電轉換為直流電,為PLC內部供電,一般為24VDC[9];中央處理器是PLC的“大腦”,由寄存器、控制器及運算器組成。上述電路都集中在1塊芯片上,通過地址總線、控制總線與存儲器的輸入/輸出接口電路相連。該模塊主要進行邏輯和數學運算,實現用戶程序對系統賦予的功能;存儲器主要用來存儲用戶程序、邏輯變量等信息;輸入單元是PLC與外部設備的接口,主要用于接收外部采集的數據[10];輸出單元是PLC與被控設備的接口,主要用于向被控設備發送控制指令。其工作原理如圖2所示。

圖2 PLC組成結構Fig.2 PLC structure

PLC種類多種多樣,本次選取的PLC一方面能夠處理數據,另一方面能夠顯示相關參數,故選用文本一體機,其內部的電路相對較為復雜,分為輸入電路和輸出電路。

在輸入電路中,PLC自帶的24VDC可以檢測傳感器信號,使用者只需連接相關的傳感器節點即可。另外,考慮到系統在田間作業的時間較長,故播種機自帶的電源不能滿足供電時間的需求,故在輸入電路中加入24V直流電[11]。當輸入信號促使開關閉合時,電路中通過的電流激勵了光電耦合器,三極管的狀態由截止變為導通,故相應的外部采集信號被送到PLC中。其電路原理圖如圖3所示。

圖3 PLC輸入電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of PLC input circuit

在輸出電路中,利用晶體管輸出方式,只能用24VDC作為負載電路,輸出端子分為3組,不同組的輸出節點可以接入不同的電源回路。當PLC處理之后輸出信號時,輸出指示燈被點亮,接通晶體管,負載電路工作。其電路原理圖如圖4所示。

圖4 PLC輸出電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of PLC output circuit

2)人機交互界面分為設置和查看兩種界面:設置界面用于作業人員設置小麥播種作業的相關參數,如播種機前進速度、播量等;查看界面主要用于實時查看現有播種機的前進速度、播量等信息。在本設計中的人機交互界面是PLC自帶的顯示器。

3)速度傳感器是安裝于拖拉機主動輪內側的采集裝置,需要實時地采集拖拉機的速度信息發送給PLC。由于PLC只能接收數字信號,故在設計中選用開關型霍爾傳感器來采集速度數據。該類型傳感器內部包含電壓調整器、差分放大器、霍爾電壓發生器等組成的磁敏電路,在工作過程中其自身的磁場遇到磁敏物質時,使內部的電路指示燈亮度發生變化,經過內部的磁敏電路轉換為電壓信號輸出。其工作電壓為5～24VDC,輸出電流為200mA,檢測距離為10mm,開關頻率為320kHz,可滿足田間作業的抗振動、抗干擾、高靈敏度的需求。

4)步進電機主要是提供動力給排種軸,根據播種機的行業標準,選取的步進電機的信號為110BYGH1465型兩相混合式步進電機[12]。其步距角為1.8°,機身長150mm,工作電壓為5.2V,靜力矩為21N·m,定位力矩為5.9N·m,轉動慣量為10900g·cm2,質量為8.4kg,并采用四線雙極接線法,具有平穩的力矩輸出,適合田間播種作業。

5)驅動器是為步進電機服務的,它接收PLC控制器發出脈沖信號,將其進行放大、過濾等處理后,發送給步進電機,使步進電機繞組通電,以此來控制步進電機。為了與110BYGH1465型步進電機匹配,選用DQ2722M型驅動器。該驅動器工作電壓為110～220VAC,外徑為86～130mm,最高精度為40000脈沖/r[13]。

3 軟件實現

設計的軟件主要以GX-Developer實現[14]。PLC電氣控制系統的程序分為主程序、速度測試程序及驅動程序3大部分[15]。圖5為主程序實現流程,定義周期T=1s。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Main program flow chart

對于速度測試部分,先要定義相關的開關量,再設定采樣周期為10s,最后對接收的速度信號進行計算,得到速度值和距離。其實現流程如圖6所示。

圖6 速度測試流程圖Fig.6 Flow chart of speed test

驅動部分的關鍵是建立拖拉機前進速度、步進電機轉速與播量之間的隨動模型。步進電機是驅動排種軸的動力,步進電機的轉速即為排種軸的轉速,故單位時間內步進電機轉速越快,排種軸的轉速就越快,排種器轉的圈數也就越多,播量也就越大。具體的實現流程如圖7所示。

圖7 驅動部分流程圖Fig.7 Flow chart of driving part

4 試驗測試

為了驗證系統的實際使用性能,試驗中定義田間標準的目標畝播量Q=9.59kg,誤差在5%之內視為精播,播種長度為100m,分別設置拖拉機的前進速度為2.0、4.0、6.0km/h。試驗過程中,分別對排種器的排種量進行統計,播種機作業性能試驗數據如表1所示。由表1可以看出:系統的播量誤差在5%以內,滿足精播的要求。

表1 播種機播量性能試驗數據Table 1 Experimental data of seeding rate performance of seeder

在精播過程中,除了對播量有要求之外,還需重視播種的均勻性。借助上述試驗過程,選取播種機速度為4.0km/h的試驗數據,任取1m,每隔10cm統計種子數量數據如表2所示。

表2 播種機均勻性性能試驗數據Table 2 Test data of uniformity performance of planter

農業部《精量半精量機械化播種實施技術要點》中規定:按10cm分段時,播種均勻性系數需小于等于40%。其中,播種均勻性系數等于標準偏差/平均值×100%。由表2數據可計算出:對應試驗編號順序的播種均勻性系數分別為27.30%、38.30%、35.40%,均在規定指標以內,滿足精播的要求。

5 結論

利用步進電機代替傳統的播種機傳動裝置,設計了一種基于PLC控制的農用播種機電氣控制系統。以PLC為核心處理器,通過采集播種機前進速度為輸入量,經過對應模型處理后,輸出電機轉速控制命令,對播種的種子數量及均勻性進行調節。試驗結果表明:系統能夠滿足小麥精密播種的要求,提高了播種作業質量,可為自動化精密播種的推廣提供參考。