煙草精密播種機(jī)播種量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吉武俊　張亮亮

摘要： 播種機(jī)播種質(zhì)量的優(yōu)劣對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量有直接的影響。目前我國(guó)的播種機(jī)多采用機(jī)械結(jié)構(gòu)，造成播種量不易調(diào)節(jié)、播種不均勻。為了實(shí)現(xiàn)播種量可以隨意調(diào)節(jié)的目的，設(shè)計(jì)了一種以PLC為主控模塊的控制系統(tǒng)，通過(guò)霍爾傳感器監(jiān)測(cè)播種機(jī)的行走速度，將傳感器的值與步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速通過(guò)PLC進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，通過(guò)觸摸屏將播種機(jī)的行走速度、播種量和步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速顯示出來(lái)。通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出行距均勻，播種量誤差小于2%，能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)作物需要的播量。

關(guān)鍵詞： 煙草；播種機(jī)；PLC；傳感器；步進(jìn)電機(jī)

中圖分類號(hào)： TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2015）08-0400-03

在我國(guó)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化和智能化程度是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要指標(biāo)，智能播種機(jī)的出現(xiàn)提高了播種的質(zhì)量和效率，播種效果良好，間距均勻，單位面積播種量誤差小。本研究設(shè)計(jì)了一種煙草精密播種機(jī)播種量控制系統(tǒng)，采用PLC為主控制系統(tǒng)，PLC主要用于工業(yè)控制、抗干擾能力好，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出控制精度較高，使用霍爾測(cè)速傳感器檢測(cè)播種機(jī)的行走速度，將這個(gè)動(dòng)態(tài)的速度傳送給PLC進(jìn)行分析計(jì)算后輸出，步進(jìn)電機(jī)接受這個(gè)數(shù)值調(diào)節(jié)自己的轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)播種機(jī)的前進(jìn)速度和步進(jìn)電機(jī)的速度可控可調(diào) [1]。為了使播種量穩(wěn)定可調(diào)，當(dāng)播種機(jī)的行走速度發(fā)生變化時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也發(fā)生相應(yīng)的改變，這樣播種量的誤差減小，行距均勻。此系統(tǒng)成功解決了機(jī)械傳動(dòng)播種時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題，播種量可控可調(diào)，播種效果良好，達(dá)到農(nóng)藝要求，實(shí)現(xiàn)了播種機(jī)的智能化控制，可以在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛推廣。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外播種機(jī)現(xiàn)狀的分析和研究，結(jié)合我國(guó)現(xiàn)有播種機(jī)在機(jī)械方面的優(yōu)勢(shì)和不足，提出了以PLC作為控制系統(tǒng)核心的控制理念，通過(guò)PLC分析霍爾傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使兩者保持同步的關(guān)系，最終實(shí)現(xiàn)播種量可調(diào) [2]。當(dāng)霍爾傳感器把播種機(jī)的行走速度傳送給可變編程控制器PLC后，PLC通過(guò)程序?qū)υ撔盘?hào)進(jìn)行處理，使其轉(zhuǎn)變?yōu)椴竭M(jìn)電機(jī)能夠接受的控制信號(hào)，控制信號(hào)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分后就可以得到步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。此系統(tǒng)由霍爾傳感器、主控模塊PLC、I/O接口模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊等部分組成，主要工作任務(wù)是完成數(shù)據(jù)的接受、分析計(jì)算、輸出控制步進(jìn)電機(jī)等。該系統(tǒng)使用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)播種機(jī)的行走速度，用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)控制播種裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，提高播種的質(zhì)量。此系統(tǒng)還可以通過(guò)觸摸屏對(duì)播種量、行距等參數(shù)進(jìn)行控制和重新設(shè)定，使用方便 [3]。

2 控制系統(tǒng)硬件選擇

2 1 PLC的選擇

市面上可供選擇的可編程控制器PLC很多，不同國(guó)家和廠家的PLC型號(hào)指令各不相同、不可通用，我國(guó)主要使用的PLC是德國(guó)西門子和日本三菱品牌，這2個(gè)品牌的PLC資料齊全，軟硬件完整。本研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)根據(jù)需要選擇德國(guó)西門子S7-200型可編程控制器PLC。西門子PLC編程指令較三菱的簡(jiǎn)單，過(guò)程控制和通信控制是西門子PLC的強(qiáng)項(xiàng)，西門子PLC擴(kuò)展模塊中模擬量模塊價(jià)格相對(duì)便宜，執(zhí)行指令速度較快，一般在0 8～1 2 ms；存儲(chǔ)器容量為2 kb；數(shù)字量有248個(gè)點(diǎn)；模擬量有35路。

PLC輸入模塊采用24 V直流電壓，傳感器、手動(dòng)開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)及編碼器可以直接連接到PLC的輸入點(diǎn)，把PLC的控制信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)镃PU能夠接受及處理的數(shù)字信號(hào)。圖2為PLC 的輸入電路，由于此系統(tǒng)是使用在播種機(jī)上，播種機(jī)上的電瓶輸出低電壓，所以PLC選擇采用24 V直流電壓。為了提高抗干擾能力，輸入電路采用光電耦合電路隔離，光電耦合主要由發(fā)光二極管以及光電三極管組成。當(dāng)輸入信號(hào)閉合后，光電耦合器接通，把外部傳感器檢測(cè)的信號(hào)輸入到PLC內(nèi)部。

西門子PLC的輸出模塊有繼電器輸出形式和晶體管輸出形式，主要作用是將輸入PLC的信號(hào)通過(guò)CPU處理后的控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)場(chǎng)需要的強(qiáng)電信號(hào)輸出。輸出多選用接觸器、電磁閥等外部設(shè)備。本研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)使用晶體管輸出形式，所以負(fù)載電路的電壓是24 V直流電。如果有輸出信號(hào)時(shí)，光電耦合器接通，晶體管有輸出信號(hào)，輸出電路接通，負(fù)載開(kāi)始工作（圖3） [4]。 2 2 觸摸屏的選取

人機(jī)界面是完成操作者和設(shè)備之間的輸入、傳送、接受信息的一個(gè)接口裝置，主要實(shí)現(xiàn)人和設(shè)備信息交互，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的一部分。觸摸屏是人機(jī)交互輸入部分的新型設(shè)備，是一種可輸入、可操作的設(shè)備，可以通過(guò)串行接口進(jìn)行通信 [5]，串行通訊接口如表1所示?？梢詫?shí)時(shí)反映PLC上的狀態(tài)，對(duì)PLC內(nèi)部存儲(chǔ)器進(jìn)行一些讀寫操作。觸摸屏由4部分（液晶顯示、控制模塊、觸摸面板、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊）組成，可以模擬顯示開(kāi)關(guān)、按鈕、指示燈等，這些功能可基本替代一些電氣元件的功能，適用于一些惡劣環(huán)境，替代普通的計(jì)算機(jī)作為人機(jī)交互界面，具有人機(jī)交互性好、可靠性較高、編程比較簡(jiǎn)單、和PLC通訊方式簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。本研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)人機(jī)界面使用西門子Smart 700型觸摸屏，具有編程簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性較好、功能強(qiáng)大、可靠性較高、通訊簡(jiǎn)單、使用壽命較長(zhǎng)、兼容性較好等優(yōu)點(diǎn)。

2 3 傳感器模塊電路

檢測(cè)系統(tǒng)由傳感器、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、顯示裝置等構(gòu)成。傳感器是其中重要的組成部分，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能起決定性作用?；魻杺鞲衅骷啥雀摺Ⅲw積小、安裝簡(jiǎn)便、價(jià)格便宜，可在惡劣的環(huán)境中使用，根據(jù)測(cè)速原理分為接觸式和非接觸式2種?；魻杺鞲衅鲬?yīng)用霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換，但是體積比普通磁電傳感器小很多，外圍電路簡(jiǎn)單、集成度高，因此在測(cè)速場(chǎng)合中多使用霍爾傳感器非接觸式測(cè)量。該速度傳感器主要由霍爾速度傳感器、永久磁鐵、葉輪3個(gè)部分組成 [6]。當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)霍爾傳感器就會(huì)收到脈沖磁場(chǎng)，會(huì)有接通和斷開(kāi)的動(dòng)作。傳感器原理圖如圖4所示?；魻杺鞲衅魇褂?2 V電源電壓，為了和單片機(jī)的5 V電壓相連，使用D1穩(wěn)壓管降壓，為了加強(qiáng)霍爾傳感器輸出負(fù)載的大小，給霍爾傳感器3端口加了一個(gè)上拉電阻R1。endprint

由于PLC收取傳感器信號(hào)進(jìn)行處理和計(jì)算，輸出控制步進(jìn)電機(jī)和播種機(jī)的速度保持一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以就要求傳感器的信號(hào)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確，由于西門子PLC內(nèi)部有計(jì)數(shù)器CTU和定時(shí)器TON，傳感器的輸出脈沖相當(dāng)于1個(gè)編碼器，西門子PLC可以直接收取這些信號(hào)。

2 4 步進(jìn)電機(jī)模塊控制電路

步進(jìn)電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的定位功能，同時(shí)具有價(jià)格不高、編程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在數(shù)控定位系統(tǒng)中。步進(jìn)電機(jī)相當(dāng)于1個(gè)能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的電磁鐵，電機(jī)的氣隙厚度產(chǎn)生電磁導(dǎo)線。其工作原理是將數(shù)字式脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰频膱?zhí)行機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)過(guò)的角度與脈沖個(gè)數(shù)直接相關(guān)，收到1個(gè)脈沖就會(huì)移動(dòng)1步，能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確定位。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)如圖5所示。編程時(shí)需要將位移的角度轉(zhuǎn)換成脈沖個(gè)數(shù)送入步進(jìn)電機(jī)。

步進(jìn)電機(jī)在實(shí)際控制電路中，由于受到機(jī)械摩擦以及制造方面的精度影響，會(huì)對(duì)其定位精度產(chǎn)生很大的影響，為了克服這些影響，在實(shí)際使用中需要配合驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)精度的控制。本研究使用DQ2722M型驅(qū)動(dòng)器，主要是對(duì)步進(jìn)電機(jī)的電流進(jìn)行細(xì)分，初始電流1 2 A，最高電流7 0 A，中間分為16個(gè)檔位，由于該步進(jìn)電機(jī)需要裝在播種機(jī)上，播種機(jī)需要大的輸出轉(zhuǎn)矩，所以選擇電流6 5 A。要使驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分端子D1、D2、D3、D4為ON、ON、ON、OFF狀態(tài)，PLC和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間需要使用保護(hù)電阻，防止大電流對(duì)驅(qū)動(dòng)器的損壞，從而影響步進(jìn)電機(jī)的正常工作 [7]。接口電路如圖6所示。 3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)播種機(jī)播種量的控制要求，確定主程序的總體思路。主程序的功能是收集傳感器的檢測(cè)信號(hào)傳送給PLC內(nèi)部進(jìn)行處理計(jì)算，輸出控制步進(jìn)電機(jī)的速度，最終實(shí)現(xiàn)播種機(jī)的前進(jìn)速度與步進(jìn)電機(jī)的速度保持一致，這樣就能保證播種機(jī)速度發(fā)生變化時(shí)單位面積播種量誤差不大，最終實(shí)現(xiàn)兩者之間的一種隨動(dòng)關(guān)系。主流程如圖7所示。

4 展望

該播種機(jī)的設(shè)計(jì)是針對(duì)煙草種植，也可推廣到其他農(nóng)作物的播種現(xiàn)場(chǎng)中。

播種機(jī)播種量的精度有待提高，減小誤差率，可通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的反復(fù)驗(yàn)證，得出更加準(zhǔn)確的步進(jìn)電機(jī)和播種機(jī)之間的速度對(duì)應(yīng)關(guān)系。

由于步進(jìn)電機(jī)使用的是低速電機(jī)，電機(jī)的振動(dòng)對(duì)播種量的精度會(huì)有影響，可以選用更加穩(wěn)定的傳感器和電機(jī)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周海波 水稻秧盤育秧精密播種機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[D] 長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2009

[2]王娟平 玉米穴播穴施水機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D] 楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2005：121-129

[3]陳 風(fēng)，李志鑫，王維新，等 移栽機(jī)落苗檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J] 石河子大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，22（5）：439-440

[4]邵 琰，錢東平 STC89C52RC單片機(jī)在幼苗移栽機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J] 農(nóng)機(jī)化研究，2010，32（5）：121-124

[5]周建峰 穴播穴施水播種機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D] 楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2006：11-21

[6]黃操軍，陶 冶，許秀英 基于SDI-12的播種機(jī)種肥監(jiān)測(cè)傳感器研究[J] 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，24（2）：80-83

[7]張 濤 步進(jìn)電機(jī)快速定位方法研究[D] 北京：北方工業(yè)大學(xué)，2012endprint