基于變頻器的種子包衣機(jī)電氣控制系統(tǒng)研究

趙鵬舉

(重慶電子工程職業(yè)學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，重慶 401331)

0 引言

大部分作物都以種子作為最初的形態(tài)，經(jīng)過(guò)生長(zhǎng)發(fā)育獲得產(chǎn)量，優(yōu)良的種子能為農(nóng)業(yè)豐收奠定基礎(chǔ)。種子加工是提高種子質(zhì)量的重要手段，也是種子商品化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。研究表明：經(jīng)過(guò)加工處理的種子出苗整齊強(qiáng)壯，單產(chǎn)可以提高5%～10%，因此種子加工一直以來(lái)都受到各方的重視[1]。種子包衣是一項(xiàng)起源于歐美國(guó)家的種子加工技術(shù)，有利于提高種子的技術(shù)含量，實(shí)現(xiàn)種子的標(biāo)準(zhǔn)化。種子包衣技術(shù)是根據(jù)不同需求在種子表面包裹一層含有相應(yīng)成分的種衣劑，由農(nóng)藥、微肥和植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑按照一定的比例混合而成，能促進(jìn)種子的發(fā)芽和生長(zhǎng)。種子包衣集成了多個(gè)農(nóng)業(yè)學(xué)科的技術(shù)，節(jié)約資源且對(duì)環(huán)境友好，為綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了有效的技術(shù)支撐。

種子包衣的方式有人工包衣和機(jī)械包衣兩種。人工包衣是將種子和種衣劑倒入體積較小的容器中，通過(guò)人工翻動(dòng)、揉搓和攪拌將兩者混合。人工包衣的速度慢，效率低，操作人員容易受到包衣劑的毒害，僅適用于用種量小的作物[2]。種子的機(jī)械化包衣以攪龍、噴霧滾筒或分散盤為工作部件，將種衣劑均勻地包裹到種子的表面，由種子包衣機(jī)完成，作業(yè)效率高，污染較小，是當(dāng)前種子包衣普遍采用的方式。

種子包衣機(jī)最早出現(xiàn)在歐美國(guó)家，至今已經(jīng)有近百年的研究歷史，形成了齊全的類型。上述國(guó)家包衣機(jī)的穩(wěn)定性和適應(yīng)性強(qiáng)，自動(dòng)化程度高，很好地滿足了種子加工的需求[3]。我國(guó)的種子包衣機(jī)與國(guó)外相比起步較晚，但發(fā)展很快，已經(jīng)研制出了多個(gè)成熟的機(jī)型，其性能在實(shí)踐中得到了驗(yàn)證[4-5]。由于受設(shè)計(jì)思想和技術(shù)水平的制約，我國(guó)的種子包衣機(jī)自動(dòng)化程度不高，包衣劑損失量大，作業(yè)效果與現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的要求之間有一定差距，影響了機(jī)械的推廣應(yīng)用[6]。針對(duì)上述問題，需要吸收國(guó)外的先進(jìn)設(shè)計(jì)思想和制造經(jīng)驗(yàn)，引入新型技術(shù)加強(qiáng)對(duì)作業(yè)過(guò)程的監(jiān)測(cè)控制，才能推動(dòng)我國(guó)種子包衣機(jī)整體性能的提升。

種子包衣機(jī)的結(jié)構(gòu)大致可以分為種子供給裝置、種衣劑供給裝置、混合裝置、攪拌輸送裝置和控制系統(tǒng)5個(gè)部分，其控制系統(tǒng)與其它的各個(gè)部分都有關(guān)聯(lián)，發(fā)揮著重要的協(xié)調(diào)作用。因此，要改善機(jī)械整體性能，控制系統(tǒng)的升級(jí)是關(guān)鍵。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于種子包衣機(jī)的報(bào)導(dǎo)大多集中在控制系統(tǒng)方面，研究人員從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，設(shè)計(jì)了多種類型的控制系統(tǒng)和方法。早期的種子包衣機(jī)設(shè)計(jì)都側(cè)重于機(jī)械部分，控制部分雖然實(shí)現(xiàn)了電氣化，但是只能通過(guò)電機(jī)的開關(guān)來(lái)決定加料的時(shí)機(jī)，無(wú)法對(duì)加入的物料量和混合程度進(jìn)行精確控制。隨著技術(shù)進(jìn)步和設(shè)計(jì)思想的更新，可編程邏輯控制器(PLC)、單片機(jī)、傳感器和微芯片被應(yīng)用于包衣機(jī)，提高了控制的精度和效果[7-10]。在軟件方面，楊婉霞等將智能專家系統(tǒng)引入包衣機(jī)控制過(guò)程，通過(guò)專家的領(lǐng)域知識(shí)和規(guī)則推理達(dá)到了精準(zhǔn)包衣的目的[11]。

現(xiàn)有的各型種子包衣機(jī)大多采用變頻器來(lái)對(duì)喂料電機(jī)和供液電機(jī)進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)種子量和種衣劑的精確供給。變頻器是將變頻技術(shù)與微電子技術(shù)結(jié)合，通過(guò)改變電源頻率來(lái)調(diào)節(jié)交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的電力設(shè)備。作為一種成熟的傳動(dòng)控制裝置，變頻器對(duì)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍寬、精確性和可靠性好，調(diào)節(jié)效率高，且操作方便[12]。基于上述的優(yōu)點(diǎn)，變頻器在電氣行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，主要在電動(dòng)機(jī)調(diào)速、綠色發(fā)電和變頻電源3個(gè)方面[13]，具體的生產(chǎn)領(lǐng)域則包括食品加工和煤炭化工機(jī)械等[14-15]。

目前，種子包衣機(jī)上安裝變頻器主要用于調(diào)節(jié)喂料電機(jī)和供液電機(jī)，而對(duì)后續(xù)的混合和輸送環(huán)節(jié)重視程度不夠。為此，設(shè)計(jì)了基于變頻器的種子包機(jī)電氣控制系統(tǒng)，將變頻器與PLC結(jié)合，對(duì)包衣過(guò)程中的物料供給、混合和輸送環(huán)節(jié)進(jìn)行精確控制，以提高包衣機(jī)的作業(yè)效率和質(zhì)量。

1 總體設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)以5B-5型種子包衣機(jī)為安裝平臺(tái)，是由農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所在吸收國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上根據(jù)我國(guó)具體國(guó)情研制的種子包衣機(jī)。該型機(jī)械為甩盤霧化式，適用于小麥、玉米、棉花和水稻等作物，生產(chǎn)能力可以達(dá)到5t/h。種子包衣機(jī)除固定的支架結(jié)構(gòu)外，還包括種子供給裝置、種衣劑供給裝置、混合裝置、攪拌輸送裝置和電氣控制系統(tǒng)5個(gè)工作部分?？刂葡到y(tǒng)與其它的4個(gè)部分都緊密關(guān)聯(lián)，協(xié)調(diào)機(jī)械整體的正常運(yùn)行。電氣控制系統(tǒng)的核心是PLC和變頻器，其它部件還有操作顯示屏、各型傳感器器、報(bào)警裝置和D/A轉(zhuǎn)換器，如圖1所示。

2 組成部分

種子包衣機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的整體，電氣控制系統(tǒng)除了控制核心外，還帶有外圍電路、操作顯示屏、通信接口和轉(zhuǎn)換器等部件。此外，控制系統(tǒng)涉及到多個(gè)傳感器、電機(jī)、閥門和開關(guān)的信號(hào)輸入輸出，因此核心控制器必須具備大量數(shù)據(jù)信息的快速處理能力。PLC采用的是PHILIPS公司的2114型微控制器，包括ARM7TDMI-S內(nèi)核、128kb的高速存儲(chǔ)器、4路10位的D/A轉(zhuǎn)換器、2個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART和高速I2C接口，具有ISP和IAP功能。2114型PLC最多能承載19個(gè)輸出信號(hào)端和16個(gè)輸入信號(hào)端，通過(guò)RS485串行接口與其它設(shè)備連接。

操作顯示屏為L(zhǎng)S2223WC型，用于設(shè)定包衣機(jī)的工作參數(shù)和電氣開關(guān)閾值，并顯示機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)。傳感器共有3種：料位傳感器為CJA41型電容接近開關(guān)，安裝在喂料器下方，用于檢測(cè)種子供給量；供液傳感器為CYG3002型壓力開關(guān)，安裝在量筒中，用于檢測(cè)種衣劑供給量；堵塞傳感器為PRL100型阻旋物位開關(guān)，安裝在出料口上，用于檢測(cè)攪拌軸的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。傳感器采集的信息最終匯集到PLC中，經(jīng)過(guò)處理后為形成控制決策提供依據(jù)。聲光報(bào)警器為BC-3B型，在出料口堵塞時(shí)暫停作業(yè)進(jìn)程，并啟動(dòng)聲光報(bào)警以提示操作人員排除故障。

PLC形成控制指令后，通過(guò)DAC7631E型數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為可以識(shí)別的模擬信號(hào)并發(fā)送到變頻器。變頻器采用西門子公司的MacroMaster系列變頻器，經(jīng)過(guò)USS通信協(xié)議接收PLC發(fā)來(lái)的控制信息，并能反饋接收信息的應(yīng)答。變頻器的標(biāo)準(zhǔn)RS485接口以半雙工形式傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與PLC之間的通信，接受的控制指令包括啟停、參數(shù)設(shè)置和頻率調(diào)整等。上述通信方式的抗干擾能力強(qiáng)，可靠性好，具有較高的通信速率和質(zhì)量。

變頻器通過(guò)改變頻率來(lái)調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物料喂入量和混合及輸送設(shè)備運(yùn)行速度的無(wú)級(jí)變頻調(diào)節(jié)和精確控制?？刂葡到y(tǒng)中的變頻器有4個(gè)，分別控制喂料電機(jī)、供液電機(jī)、混液電機(jī)和輸送電機(jī)。喂料電機(jī)驅(qū)動(dòng)喂料器的葉輪旋轉(zhuǎn)，決定了種子供給的數(shù)量和連續(xù)性。供液電機(jī)驅(qū)動(dòng)計(jì)量泵，可以將種衣劑藥液定量地抽入量筒中?；煲弘姍C(jī)同步驅(qū)動(dòng)種子拋撒盤和藥液霧化盤，轉(zhuǎn)速對(duì)包衣的均勻度有重要影響。輸送電機(jī)驅(qū)動(dòng)攪拌軸使種子和藥液進(jìn)一步混合，同時(shí)沿著槽體向外輸送，防止包衣后的種子堆積堵塞。

3 軟件設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)

控制系統(tǒng)的軟件是嵌入式的μC/OS-II實(shí)時(shí)操作程序，內(nèi)核代碼小，可移植性強(qiáng)。μC/OS-II程序具有任務(wù)時(shí)間管理、任務(wù)間通信同步和內(nèi)存管理的功能，可以移植到2114型控制器中實(shí)現(xiàn)與變頻器之間的連接和通信。以處理器與編譯器之間的3個(gè)函數(shù)為基礎(chǔ)，處理器利用內(nèi)嵌匯編語(yǔ)言移植μC/OS-II程序。處理器不同功能的底層函數(shù)由關(guān)鍵詞聲明，在調(diào)用聲明函數(shù)時(shí)經(jīng)過(guò)軟中斷進(jìn)入管理模式，根據(jù)不同的功能號(hào)啟動(dòng)變頻器的開關(guān)、參數(shù)設(shè)置和頻率調(diào)整等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械的電氣控制。電氣控制程序如圖2所示。

圖2 種子包衣機(jī)的電氣控制流程

包衣機(jī)電源開啟后先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化(即藥液桶補(bǔ)液)，喂料室和混合倉(cāng)清空及相關(guān)的電機(jī)開啟；然后在操作顯示屏上輸入生產(chǎn)率、種子容重和藥種比等參數(shù)，由PLC的軟件程序計(jì)算出種子和種衣劑的供給量。機(jī)械開始運(yùn)行后，變頻器1和4根據(jù)PLC的指令調(diào)節(jié)到相應(yīng)的頻率，控制各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)精確的藥種配比。料位傳感器和液壓傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)物料的供應(yīng)狀況，反饋給PLC以便對(duì)變頻器的頻率及時(shí)進(jìn)行修正。同時(shí)，PLC還根據(jù)物料的供應(yīng)狀況改變變頻器2和3的頻率，使混液電機(jī)和輸送電機(jī)保持合適的轉(zhuǎn)速，既保證作業(yè)的順利進(jìn)行，又減少了電量的消耗。當(dāng)喂料室空倉(cāng)后，喂料電機(jī)停止，然后供液電機(jī)、混液電機(jī)和輸送電機(jī)依次延時(shí)數(shù)秒后停止，便于物料的充分混合、攪拌和輸送。當(dāng)堵塞傳感器檢測(cè)到出料口堵塞時(shí)，所有的電機(jī)停止且啟動(dòng)聲光報(bào)警，待排除故障后再次運(yùn)行。。

4 功能測(cè)試

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)電氣控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試的作物種子為小麥、玉米和大豆。包衣劑為福多種衣劑，在使用前添加紅色染料作為警示，以便于觀察種子的包衣效果。設(shè)置種子包衣機(jī)的生產(chǎn)率5t/h，藥種比1:50，小麥、玉米和大豆種子的容重分別為780、770、810kg/m3。試驗(yàn)結(jié)束后，統(tǒng)計(jì)實(shí)際生產(chǎn)率、種子破損率、包衣合格率和自動(dòng)清機(jī)度，評(píng)價(jià)該系統(tǒng)的控制性能。

試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可知：3種作物種子的包衣生產(chǎn)率分別為4.94、5.08、4.97t/h，與設(shè)定值極為接近，表明電氣系統(tǒng)能夠精確地控制生產(chǎn)效率；種子破損率最高僅為0.15%，包衣合格率和自動(dòng)清機(jī)度分別超過(guò)96%和98%，表現(xiàn)出理想的包衣質(zhì)量。

表1 電氣控制系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了基于變頻器的種子包衣機(jī)電氣控制系統(tǒng)，將變頻器與PLC結(jié)合，對(duì)包衣過(guò)程中的物料供給、混合和輸送環(huán)節(jié)進(jìn)行精確控制。在對(duì)3種作物的測(cè)試中，安裝該控制系統(tǒng)的種子包衣機(jī)生產(chǎn)率與設(shè)定值極為接近，表明系統(tǒng)能夠精確地控制生產(chǎn)效率。經(jīng)過(guò)包衣的種子破損率最高僅為0.15%，包衣合格率和自動(dòng)清機(jī)度分別超過(guò)了96%和98%，表現(xiàn)出理想的包衣質(zhì)量。系統(tǒng)通過(guò)變頻器對(duì)各環(huán)節(jié)上電機(jī)進(jìn)行精確控制，獲得了良好的效果，可以用來(lái)提高種子包衣機(jī)的作業(yè)效率和質(zhì)量。