基于PLC的玉米播種機設計與試驗

胡元乾

(重慶三峽職業(yè)學院，重慶 萬州 404155)

0 引言

玉米的凈光合速率比小麥和水稻高出2～3倍，因此產量相對較高。玉米的營養(yǎng)物質以淀粉、蛋白質和脂肪為主，還含有人類所需的大量氨基酸，具有很高的應用價值，成為重要的糧食作物。此外，玉米還可以被加工成輕工業(yè)品、醫(yī)藥和飼料，是用途廣泛的經濟作物。我國玉米歷年來的種植面積和消費規(guī)模都很龐大，在國民經濟中占有重要的地位[1]。

播種作業(yè)的季節(jié)性強，勞動強度大，是玉米生產過程中一個耗時費力的環(huán)節(jié)。播種質量對玉米出苗率和整齊度有較大的影響，從而影響到最終的產量。傳統(tǒng)種植模式中的玉米播種由人工完成，不僅效率低，勞動強度大，播種質量也無法得到保證，不能滿足現(xiàn)代農業(yè)的要求。機械化程度是農業(yè)發(fā)展水平的體現(xiàn)，加快推進機械化符合農業(yè)現(xiàn)代化的趨勢。玉米機械播種的過程是將種子按照設定的行間距播到田里，再覆土掩埋，功能齊全的機械還能完成施肥作業(yè)[2]。

玉米播種機可以代替人工快速地完成播種，作業(yè)質量也較高，還節(jié)省用種量，是玉米生產中不可缺少的農業(yè)機械。為了滿足實際生產的需求，我國開發(fā)出了多種類型的玉米播種機，以適應不同的種植區(qū)域和模式。任文濤等研制了一種帶有施水和施肥功能的小型播種機，可以用于干旱地區(qū)的玉米種植[3]。趙建托等設計了全膜覆蓋的雙壟直插播種裝置，并應用在玉米播種機上[4]。徐良等對粒距的變異系數(shù)進行了研究，為適用于山地丘陵的小型玉米播種機型號選擇提供了依據(jù)[5]。趙靜等通過優(yōu)化液壓系統(tǒng)的結構，設計出折疊式的免耕玉米播種機[6]。這些機械的開發(fā)提升了我國玉米生產的技術水平，是玉米高產穩(wěn)產的重要保證。

我國玉米播種機已呈現(xiàn)出良好的發(fā)展局面，但在實際應用中仍暴露出一些問題，主要體現(xiàn)為部分性能沒有完全成熟，對播種作業(yè)質量造成了影響。首先是排種器的容量固定，一次性容納的不同玉米品種種子數(shù)量各異，排種的精度無法保證。其次，部分型號機械的播種株間距不能調整，降低了對玉米品種和種植習慣的適應性。另外，當田間作業(yè)環(huán)境較為惡劣時，玉米播種機會出現(xiàn)種箱排空和導種管堵塞的現(xiàn)象，若不能及時發(fā)現(xiàn)并解決，則會造成大面積的漏播[7]。此外，還會出現(xiàn)地輪打滑而影響播種精度的問題[8]。

為解決上述的問題，可以在播種機的設計階段對其機械部件進行優(yōu)化，從而獲得合理的結構布局。對于現(xiàn)有的機械，可以加載智能化的監(jiān)測和控制系統(tǒng)，及時發(fā)現(xiàn)并排除問題。目前，玉米播種機智能監(jiān)測和控制系統(tǒng)有多種類型，核心部件包括單片機、PLC和傳感器等，推動了玉米播種機性能的提升[9-10]。

PLC全稱為可編程序控制器，是一種數(shù)字運算的電子操作系統(tǒng)，采用可編程序存儲操作指令，通過傳輸數(shù)字和模擬信號來控制機械或生產過程。PLC操作簡單，可靠性和性價比高，在工業(yè)生產的機械自動控制中具有明顯的優(yōu)勢。PLC被安裝在農業(yè)機械或設施上，可以實現(xiàn)對變量施肥、穴盤苗移栽及溫室生態(tài)條件的精確控制[11-13]。PLC也被用來設計玉米播種機的監(jiān)測和控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對機械作業(yè)質量和行駛方向的精確控制[14]。

為了加深PLC與玉米播種機的整合程度并提高適應能力，本文利用傳感器采集播種機的工作狀態(tài)，由PLC分析后生成指令，對播種機的播種深度和排種精度進行控制，并對種箱排空和導種管堵塞引起的漏播進行報警。最后，通過試驗驗證PLC的監(jiān)測和控制效果，以提高播種機的智能化水平。

1 總體設計和組成部分

1.1 總體設計

機械平臺是RN-Z02型玉米播種機，采用傳動軸式，集播種、施肥和覆土的功能于一體。播種機同時播種3行，行距為45～60cm，株距為16～32cm，最佳播種深度15cm。播種機由1臺東方紅LX604型拖拉機牽引并提供電源，拖拉機前輪輪距160cm，后輪輪距200cm，最小離地間隙32cm，額定功率45kW，行進速度2.0～33.5km/h，最大牽引力為22.5kN，可與RN-Z02型玉米播種機配套使用。

PLC控制器作為核心，與播種機的監(jiān)測模塊和控制模塊連接，接收監(jiān)測模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)，分析后形成控制指令發(fā)送給控制模塊。監(jiān)測模塊由各型傳感器組成，安裝在播種機的運動部件上用于采集播種機作業(yè)過程中的狀態(tài)信息，并發(fā)送給PLC控制器?？刂颇K由驅動電機、馬達和報警裝置組成，安裝在控制執(zhí)行部件上，接收PLC控制發(fā)來的指令后執(zhí)行對播種機的控制操作。

1.2 組成部分

PLC控制器選用三菱FX3U型，內置的計數(shù)器可以捕捉10kHz的脈沖信號，還具有8 000點的數(shù)據(jù)存儲單元，適用電源為12V的直流電。PLC的內部構成主要為中央處理器CPU、存儲器和編程器。輸入輸出接口數(shù)量分別為14個和10個，輸入接口將各種信號轉化為標準邏輯電平，輸出接口則輸出電信號，如圖1所示。

監(jiān)測模塊包括位移傳感器、霍爾傳感器和光電傳感器。位移傳感器為深圳信為公司的SDVG17型分體式LVDT傳感器，安裝在仿形輪支架上測量隨地表上下浮動的位移信號?；魻杺鞲衅鳛镠AL41F型，安裝在導種輪上監(jiān)測轉動信號，PLC根據(jù)轉動脈沖信號計算導種輪的實際轉速。光電傳感器為基恩士PS-56R型紅外對射傳感器，安裝在導種管的末端，檢測單粒玉米種子落下時的高平電信號。

圖1 PLC控制器的結構Fig.1 Structure of the PLC controller

控制模塊中用于校正播種深度的部件是驅動電機和四連桿結構，能夠對開溝器的位置進行調節(jié)。馬達安裝在導種輪上，利用轉動方向調整導種輪的轉速，從而控制播種精度。報警器與顯示屏整合在一起，安裝在牽引拖拉機上，在種箱排空或導種管堵塞時啟動聲光報警，如圖2所示。

圖2 監(jiān)測和控制系統(tǒng)的組成部分Fig.2 Components of monitoring and controlling system

2 工作原理

播種機的播種深度和株間距在顯示屏上設定，對種箱排空的認定條件是低平電信號的持續(xù)時間達到2s，對導種管堵塞的認定條件是高平電信號的持續(xù)時間達到2s。PLC按照設定的運算方式，以采集的播種機狀態(tài)信息為基礎進行邏輯判斷，然后形成控制指令發(fā)送給執(zhí)行部件實現(xiàn)對機械的自動控制。在播種機作業(yè)過程中，PLC還會對相關數(shù)據(jù)信息持續(xù)進行匯總和存儲。

播種深度即實際的開溝深度，由位移傳感器測量仿形輪隨地表上下移動所產生的位移信號，PLC將實際的開溝深度與設定播種深度比較，確定兩者之間的差異；驅動電機和四連桿結構按照PLC的指令改變開溝器的位置，校正播種深度。播種的株間距由導種輪決定，霍爾傳感器檢測導種輪轉動的脈沖信號，PLC根據(jù)轉動信號和機械行駛速度計算株間距，并與設定值比較；驅動電機按照PLC的指令調整轉動方向和速度，校正導種輪的轉速以便維持設定的株間距。光電傳感器產生的低平電信號或高平電信號持續(xù)時間達到設定的閾值時，PLC認定出現(xiàn)種箱排空或導種管堵塞的情況，自動啟動聲光報警，提醒操作人員排除故障。

3 程序設計

PLC采用與電氣控制線路圖相似的編程語言梯形圖，界面簡單直觀，編程和調試的周期較短。為解決人機交互能力弱的問題，PLC選用MD2041型文本顯示模式進行人機對話，并用于參數(shù)的設定和顯示。該文本還可以直接操作內部輔助繼電器和數(shù)據(jù)存儲器，減少了數(shù)據(jù)交換所需接口的數(shù)量。PLC的基本指令有20條，還可以根據(jù)實際需要設置豐富的功能指令，具有很大的靈活性。

PLC啟動后先將計數(shù)器、定時器和輔助繼電器等復位，進行初始化后開始檢測，每次排除故障后也要重新檢測。機械作業(yè)的狀態(tài)信息和控制參數(shù)分別存儲在不同的存儲區(qū)域，都通過相同的文本顯示。開機時的顯示頁面用于參數(shù)設定，跳轉的頁面用于實時操作。大部分時間顯示的是播種機正常工作的狀態(tài)界面，在啟動報警的同時則自動彈出故障顯示界面。

4 試驗結果和分析

將安裝PLC的玉米播種機在4個玉米試驗田中進行試驗，牽引播種機的拖拉機行駛速度為6km/h；設定的播種深度為15cm，株間距為25cm；用于試驗的玉米品種為農華101，每塊試驗田取4 000粒種子進行試驗。播種完成后測量機械的行駛距離，計算得到實際的株間距。在每個試驗田中隨機取10個2m長的播種線段，測量線段上的播種深度，計算平均值后與設定值進行比較，評價播種作業(yè)的精度。另外，記錄每次種箱排空后的警報響應時間，以及整個試驗過程中導種管堵塞的情況和報警次數(shù)，評價對故障的報警響應能力。

試驗的結果如表1所示。機械的播種深度為14.4～16.0cm，與15cm的設定值差距很小。播種株間距為25.3～26.6cm，都大于25cm的設定值，但差異較小，表明播種機具有較高的作業(yè)精度。每次種箱排空時報警器都及時啟動，響應時間為0.6～1.4s。整個試驗過程中導種管堵塞出現(xiàn)了6次，報警器都能及時啟動，沒有出現(xiàn)誤報的情況。

表1 玉米播種機的作業(yè)效果Table 1 Operation effect of the corn seeder

5 結論

為加深PLC與玉米播種機的整合程度并提高適應能力，以PLC為核心，利用監(jiān)測模塊采集播種機工作狀態(tài)，分析生成指令后發(fā)送給控制模塊實現(xiàn)對播種機的精確控制。試驗表明：播種機的播種深度為14.4～16.0cm，株間距為25.3～26.6cm，與設定值的差異都很小，表現(xiàn)出較高的作業(yè)精度；每次出現(xiàn)種箱排空和導種管堵塞時報警器都能及時啟動，沒有出現(xiàn)誤報的情況，具有較高的智能化水平。