單穗玉米水分、質(zhì)量連續(xù)測(cè)量及封裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張　晗，孫江宏，王　成，宋　鵬，陳子龍，趙　勇

(1.北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京　100192；2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京　100097)

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單穗玉米水分、質(zhì)量連續(xù)測(cè)量及封裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張晗1,2，孫江宏1，王成2，宋鵬2，陳子龍2，趙勇2

(1.北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京100192；2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京100097)

摘要：設(shè)計(jì)了基于電容式水分測(cè)量裝置的考種設(shè)備，可以自動(dòng)連續(xù)測(cè)量單穗玉米籽粒的水分、質(zhì)量的數(shù)據(jù)，并對(duì)測(cè)量完的整穗玉米籽粒進(jìn)行封裝噴碼。整機(jī)由斗式送料機(jī)構(gòu)、電容式水分測(cè)量?jī)x、翻轉(zhuǎn)模塊、封裝機(jī)及控制部分組成。根據(jù)整機(jī)的工作原理，采用帶傳動(dòng)和料斗組合實(shí)現(xiàn)籽粒的輸送，LDS-1G型電容式水分測(cè)量裝置來(lái)獲取籽粒水分、質(zhì)量參數(shù)；配備自動(dòng)封裝的模塊，利用SIEMENS LOGO!邏輯控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)環(huán)節(jié)的控制，配合籽粒參數(shù)的測(cè)量。針對(duì)玉米籽粒試驗(yàn)驗(yàn)證表明：其最大測(cè)量速度為12s/穗，處理最大通量可達(dá)7 200穗/天。

關(guān)鍵詞：玉米；自動(dòng)考種;高通量測(cè)量;含水量;自動(dòng)封裝

0引言

在玉米遺傳育種過(guò)程中，獲取玉米種子籽粒的相關(guān)性狀是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。為了獲得玉米單穗籽粒個(gè)數(shù)、穗長(zhǎng)、粒長(zhǎng)、粒寬、水分、千粒質(zhì)量等表型參數(shù)，需要投入大量的人力和物力。因此，研發(fā)考種系統(tǒng)來(lái)替代或部分替代人來(lái)進(jìn)行種子性狀參數(shù)獲取，具有重要的意義。當(dāng)前的自動(dòng)化考種設(shè)備主要針對(duì)種子粒數(shù)獲取、種子形態(tài)及質(zhì)量測(cè)量[1-3]，在獲取籽粒含水量參數(shù)的方面缺少參數(shù)自動(dòng)化獲取的系統(tǒng)。目前，在種子水分測(cè)量方面有一些測(cè)量設(shè)備，測(cè)量方式主要分為直接法和間接法兩類(lèi)：直接法主要有烘干、蒸餾等方法，可以較為準(zhǔn)確地反映種子的水分，但程序復(fù)雜、測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)。快速測(cè)量的儀器多采用間接法，主要包括電阻式[4]、電容式[5]及紅外式測(cè)量[6]等。其中，電容式獲取參數(shù)快速穩(wěn)定不需要對(duì)籽粒預(yù)處理，為自動(dòng)化連續(xù)測(cè)量提供了可行性。本文利用電容式水分測(cè)量作為種子的測(cè)量模塊，增加自動(dòng)控制和封裝后處理等內(nèi)容，設(shè)計(jì)一種快速、自動(dòng)化程度高的種子水分、質(zhì)量連續(xù)測(cè)量封裝系統(tǒng)。

1總體設(shè)計(jì)方案

1.1技術(shù)要求

設(shè)計(jì)一定結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)玉米單穗種子的水分、質(zhì)量的連續(xù)測(cè)量并封裝單穗全部籽粒的處理過(guò)程，利用電容式水分測(cè)量技術(shù)對(duì)種子進(jìn)行水分測(cè)量；使用邏輯控制器自動(dòng)控制整個(gè)系統(tǒng)從送料到籽粒水分測(cè)量、質(zhì)量測(cè)量及封裝的自動(dòng)運(yùn)行。課題研發(fā)設(shè)備主要針對(duì)玉米的單穗籽粒進(jìn)行水分及質(zhì)量測(cè)量。樣機(jī)試驗(yàn)對(duì)象選用經(jīng)不同程度曬干處理的玉米進(jìn)行脫粒所得籽粒，成熟期玉米含水量變化范圍在15%～42%之間[7]。

1.2整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

整機(jī)主要由斗式送料機(jī)構(gòu)、電容式水分測(cè)量?jī)x、翻轉(zhuǎn)模塊、封裝機(jī)及控制部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.送料帶　2.料斗　3.光電開(kāi)關(guān)

工作原理為：玉米籽粒經(jīng)過(guò)考種系統(tǒng)的前處理環(huán)節(jié)后，進(jìn)入斗式送料機(jī)構(gòu)的料斗中。送料機(jī)構(gòu)由寬度為25cm的PVC傳動(dòng)帶和3個(gè)梯臺(tái)型料斗組合構(gòu)成。當(dāng)傳送到端部的料斗位于卸料位置時(shí)，后面的料斗位于進(jìn)料位置進(jìn)行上料。卸料后的玉米籽粒經(jīng)漏斗進(jìn)入水分測(cè)量?jī)x器當(dāng)中，由光電傳感器延時(shí)觸發(fā)，控制水分、質(zhì)量數(shù)據(jù)采集，采集數(shù)據(jù)保存到計(jì)算機(jī)當(dāng)中。數(shù)據(jù)采集完畢，電機(jī)帶動(dòng)測(cè)量模塊翻轉(zhuǎn)110°左右，將籽粒傾倒入封裝機(jī)構(gòu)進(jìn)行封裝貼碼，同時(shí)測(cè)量模塊復(fù)位觸發(fā)下一輪的送料測(cè)量。

控制部分主要由光電傳感器、電感感應(yīng)開(kāi)關(guān)、西門(mén)子LOGO! 12/24RC邏輯控制器、交流電機(jī)速度控制器、門(mén)電路和開(kāi)關(guān)電源組成。動(dòng)力部分由兩個(gè)1.1kW交流電機(jī)提供。

2關(guān)鍵部件原理設(shè)計(jì)及介紹

2.1送料輸送結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

根據(jù)整機(jī)工作原理及完成動(dòng)作要求，送料帶送料高度包括籽粒封裝初始高度0.6m、水分測(cè)量模塊旋轉(zhuǎn)空間0.4m及送料后玉米籽粒下落經(jīng)收集漏斗進(jìn)入測(cè)量模塊的高度0.3m。整個(gè)送料帶所應(yīng)送料高度在1.3m，前處理后種子進(jìn)料位置高度在1.3m以上，送料料斗的容積應(yīng)保證容納750mL以上玉米籽粒。

設(shè)計(jì)相應(yīng)的收集漏斗避免卸料過(guò)程中的籽粒遺失，通過(guò)建立籽粒拋射模型來(lái)確定收集料斗的位置。收集漏斗安裝要保證在送料料斗運(yùn)動(dòng)軌跡以外(圖2中虛線位置)，保證不發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，同時(shí)安裝位置要保證籽粒全部落入料斗內(nèi)，需要計(jì)算收集漏斗的大小和安裝位置。如圖2所示，料斗斜面頂點(diǎn)O點(diǎn)為原點(diǎn)，帶送料方向?yàn)閥軸建立直角坐標(biāo)系進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)料斗停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，玉米籽粒仍以原來(lái)的速度拋射而出，進(jìn)行卸料，速度在0.08～0.24m/s之間。

圖2　送料卸料示意圖

料斗運(yùn)動(dòng)掃過(guò)的虛線包含的區(qū)域，在區(qū)域以外進(jìn)行安裝，即可保證收集漏斗安裝位置不與料斗運(yùn)動(dòng)發(fā)生干涉。通過(guò)建立的坐標(biāo)軸，列出公式為

(1)

vt=L

(2)

vmax=0.24m/s，vmin=0.08m/s。由式(1)、式(2)式可得：L=1.35～4.05mm。

為保證完全收集玉米籽粒，收集漏斗的直徑應(yīng)大于2(Lmax-Lmin)，安裝位置應(yīng)保證籽粒所有落點(diǎn)都在收集漏斗內(nèi)。

2.2水分、質(zhì)量測(cè)量模塊

水分、質(zhì)量測(cè)量裝置使用LDS-1G 型電容式水分測(cè)量裝置，帶有RS-232通訊串口傳送測(cè)量數(shù)據(jù)。玉米籽粒由送料機(jī)構(gòu)進(jìn)入水分測(cè)量裝置后，籽粒質(zhì)量大于閾值后觸發(fā)測(cè)量，測(cè)量時(shí)間在2s左右。測(cè)量的水分、質(zhì)量數(shù)據(jù)直接寫(xiě)入計(jì)算機(jī)中保存，每組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)一組編碼，在最后封裝完成后貼碼碼；籽粒進(jìn)入測(cè)量裝置后延時(shí)5s，進(jìn)行翻轉(zhuǎn)卸料；玉米籽粒進(jìn)入封裝模塊封裝貼碼。

在水分測(cè)量模塊翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上安裝有2個(gè)電感接近開(kāi)關(guān)接收模塊翻轉(zhuǎn)到位的信號(hào)。在模塊上固定感應(yīng)金屬，通過(guò)金屬與電感接近開(kāi)關(guān)靠近來(lái)觸發(fā)翻轉(zhuǎn)和復(fù)位的信號(hào)。

在水分測(cè)量過(guò)程中，不同作物籽粒作為介質(zhì)對(duì)電容測(cè)量產(chǎn)生的影響不同，影響測(cè)量的精度。針對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象玉米籽粒使用(105±2℃)電烘箱恒重法測(cè)量(標(biāo)準(zhǔn)法)籽粒標(biāo)準(zhǔn)含水量數(shù)據(jù)[8]，生成新的校核曲線，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校核。

選擇鮮實(shí)的玉米經(jīng)不同程度晾干后，獲得玉米籽粒，使用LDS-1G 型電容式水分測(cè)量裝置和(105±2℃)電烘箱恒重法分別進(jìn)行測(cè)量，針對(duì)60組玉米進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。

圖3　105±2℃電烘箱恒重法測(cè)量法對(duì)LDS-1G型電容式水分測(cè)量校核

由實(shí)驗(yàn)得到校核方程y=1.126x-5.418，相關(guān)系數(shù)R2=0.987。電容是水分測(cè)量?jī)x與(105±2℃)電烘箱恒重法測(cè)量所得數(shù)據(jù)相關(guān)性較高，經(jīng)校核后可準(zhǔn)確地表示籽粒水分含量。

2.3封裝模塊工作原理

封裝模塊使用復(fù)合PE/PET薄膜作為封裝材料，經(jīng)過(guò)加熱電阻熱封后形成封裝袋進(jìn)行封裝，如圖4所示。

圖4　封裝工作示意圖

玉米籽粒測(cè)量完畢后，卸料進(jìn)入收集漏斗中，沿漏斗進(jìn)入下方的封裝袋中；籽粒進(jìn)入封裝袋底部后，由加熱的刀片進(jìn)行切割封口；封裝袋切割后，轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)剩余封裝袋進(jìn)入封裝位置。

2.4系統(tǒng)控制時(shí)序

2.4.1系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作前，操作者應(yīng)對(duì)水分測(cè)量?jī)x進(jìn)行復(fù)位，保證其水平測(cè)量位置；系統(tǒng)上電之后，首先通過(guò)LOGO!人機(jī)界面啟動(dòng)程序，系統(tǒng)檢測(cè)測(cè)量?jī)x是否處在水平位置，確認(rèn)成功后系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，進(jìn)行循環(huán)的上料、測(cè)量、封裝的過(guò)程。其工作流程如圖5所示。

2.4.2控制系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用8點(diǎn)輸入和4點(diǎn)輸出SIEMENS LOGO! 12/24RC作為控制系統(tǒng)，硬件電路如圖6所示。

該系統(tǒng)中共使用了4個(gè)I輸入信號(hào)端和4個(gè)Q輸出信號(hào)端。圖6中輸入點(diǎn)：SA為緊急制動(dòng)信號(hào)，SB1為光電傳感器觸發(fā)信號(hào)，用于料斗抵達(dá)卸料位置時(shí)觸發(fā)信號(hào)停止傳送帶；SB2為1號(hào)電感應(yīng)開(kāi)關(guān)觸發(fā)信號(hào)，用于判斷水分測(cè)量?jī)x處在水平位置；SB3為1號(hào)電感應(yīng)開(kāi)關(guān)觸發(fā)信號(hào)為水分測(cè)量模塊的翻轉(zhuǎn)限位信號(hào)。輸出點(diǎn)：YV1～YV3用于給電機(jī)控制器信號(hào)，分別對(duì)應(yīng)送料電機(jī)啟動(dòng)和水分測(cè)量模塊電機(jī)的正轉(zhuǎn)與翻轉(zhuǎn)，YV4控制封裝模塊啟動(dòng)封裝。

該控制系統(tǒng)軟件編制采用LOGO! Soft Comfort V7.0 編程軟件。系統(tǒng)程序由特殊功能塊構(gòu)成，可以和梯形圖相互轉(zhuǎn)化。系統(tǒng)的功能塊圖如圖7所示。

圖5　系統(tǒng)工作流程

圖6　LOGO!控制系統(tǒng)輸入/輸出接線圖

圖7　功能塊圖

啟動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)人機(jī)界面運(yùn)行系統(tǒng)控制程序。

1)啟動(dòng)運(yùn)行。給I4開(kāi)關(guān)上電，控制端口啟動(dòng)。

2)上料檢測(cè)。系統(tǒng)在上料運(yùn)行前會(huì)檢測(cè)水分測(cè)量?jī)x是否處在水平位，如1號(hào)電感應(yīng)開(kāi)關(guān)(I2)處在觸發(fā)狀態(tài)則傳送帶運(yùn)行上料，否則要對(duì)水分測(cè)量?jī)x復(fù)位至水平位置。

3)進(jìn)料測(cè)量。傳送帶料斗運(yùn)行的卸料位置，觸發(fā)光電開(kāi)關(guān)，玉米籽粒由重力作用進(jìn)入水分測(cè)量?jī)x，同時(shí)向下一個(gè)料斗內(nèi)倒入待檢測(cè)玉米。電腦記錄此時(shí)水分測(cè)量?jī)x的水分和質(zhì)量讀數(shù)。

4)測(cè)量卸料。進(jìn)料測(cè)量開(kāi)始后5s系統(tǒng)完成單穗玉米水分、質(zhì)量的測(cè)量。翻轉(zhuǎn)模塊帶動(dòng)水分測(cè)量?jī)x翻轉(zhuǎn)卸料，翻轉(zhuǎn)110°左右觸發(fā)2號(hào)電感應(yīng)開(kāi)關(guān)，翻轉(zhuǎn)停止。水分測(cè)量?jī)x中的籽粒進(jìn)入封裝系統(tǒng)中。

5)封裝復(fù)位。水分測(cè)量?jī)x卸料2s后觸發(fā)封裝，封裝系統(tǒng)對(duì)該批籽粒進(jìn)行封裝碰碼。同時(shí)，水分測(cè)量?jī)x復(fù)位至水平位置觸發(fā)1號(hào)電感應(yīng)開(kāi)關(guān)，完成一次測(cè)量，進(jìn)入下一次測(cè)量循環(huán)。

3樣機(jī)試驗(yàn)及性能分析

樣機(jī)設(shè)計(jì)完成后，針對(duì)玉米籽粒，并由人工輔助倒入送料斗，進(jìn)行連續(xù)測(cè)量獲取水分?jǐn)?shù)據(jù)，觀察過(guò)程中有無(wú)籽粒的丟失、并統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)速率和時(shí)間。

啟動(dòng)系統(tǒng)，在水分測(cè)量的過(guò)程中連續(xù)上料，保證系統(tǒng)的循環(huán)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程系統(tǒng)籽粒無(wú)丟失，水分、質(zhì)量測(cè)量?jī)x獲取的數(shù)據(jù)與籽粒使用烘干法獲得數(shù)據(jù)相關(guān)性R2在0.98以上。處理1組玉米籽粒平均時(shí)間在12s左右，24h的處理通量可以達(dá)到7 200穗。

4結(jié)論

結(jié)合遺傳育種對(duì)高通量自動(dòng)考種系統(tǒng)的需求，完成了水分、質(zhì)量及封裝機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和研制，確定該環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)和控制，能夠?qū)崿F(xiàn)玉米籽粒的高通量水分、質(zhì)量快速連續(xù)測(cè)量。該機(jī)構(gòu)的控制器可以實(shí)現(xiàn)與PLC的通訊，方便與其他考種模塊的連接，為以后全自動(dòng)考種系統(tǒng)提供一個(gè)可連接的后處理模塊。其可以替代人工對(duì)種子籽粒的水分和質(zhì)量的測(cè)量，配合其他的數(shù)據(jù)可以得出千粒質(zhì)量、容重等表型參數(shù)，節(jié)約了遺傳育種中種子參數(shù)獲取中投入的人力，同時(shí)提高了效率。

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Continuously Measuring and Packaging System Design for Single Spike of Corn Grain on Moisture and Weight

Zhang Han1,2， Sun Jianghong1， Wang Cheng2，Song Peng2， Chen Zilong2， Zhao Yong2

(1.School of Electromechanical Engineering， Beijing Information Science & Technology University， Beijing 100192, China; 2.Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture，Beijing 100097,China)

Abstract：Design seed testing equipment based on capacitive moisture measuring device, can be continuous automatic measuring data of corn seed moisture, weight, and the measurement of Seed packaging printing. System consists of bucket elevator mechanism, capacitive moisture meter, flip module, packaging machines and control components. According to the working principle of the machine with belt transmission and hopper implements the grain transportation,LED-1G type capacitive moisture measuring device for grain moisture, weight parameters, equipped with automatic packaging module, using the SIEMENS LOGO! logic controller to realize the control of each link and the grain parameters measurement. For maize seed test verification maximum measuring speed is 12 seconds for each per ear, day to handle the maximum throughput of up to 7200 spike.

Key words：corn; automatic seed testing; high flux measurement; water content; automatic packaging

文章編號(hào)：1003-188X(2016)06-0181-04

中圖分類(lèi)號(hào)：S237；TH137

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：張晗(1991-),男，安徽淮北人，碩士研究生，(E-mail) zhangfan67@126.com。通訊作者：孫江宏(1968-)，男，北京人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail) sunjh99@bistu.edu.cn。

基金項(xiàng)目：北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目(D151100004215002)

收稿日期：2015-05-18