基于PLC的玉米機(jī)械播種量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王貴麗,耿艷利,劉小凡

(1.河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河北 邢臺(tái) 054000;2.河北工業(yè)大學(xué) 人工智能與數(shù)據(jù)科學(xué)學(xué)院,天津 300130)

0 引言

玉米是我國(guó)的主要糧食作物之一,具有產(chǎn)量高、價(jià)值高、對(duì)種植環(huán)境無(wú)氣候和地址條件要求的優(yōu)點(diǎn),在我國(guó)種植范圍非常廣[1]。玉米播種是玉米種植的關(guān)鍵環(huán)節(jié),我國(guó)傳統(tǒng)的玉米播種方式是玉米點(diǎn)播或者條播,但效率低下、耗時(shí)較長(zhǎng)、播種質(zhì)量不高,導(dǎo)致出苗率低,影響玉米產(chǎn)量。播種量是玉米播種的關(guān)鍵指標(biāo),播種量的高低也會(huì)影響玉米的出苗率、均勻性和產(chǎn)量[2-3],對(duì)于玉米播種量的控制和調(diào)節(jié)也是玉米播種的關(guān)鍵問(wèn)題。因此,研究高效率的機(jī)械精密播種機(jī),提高播種效率并適度調(diào)節(jié)播種量,對(duì)玉米播種具有重要意義。

機(jī)械式玉米播種機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠性高、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn),相較于傳統(tǒng)的播種機(jī),其對(duì)土壤的干擾更小,尤其對(duì)土壤原有的水分和養(yǎng)分影響小。機(jī)械播種機(jī)的核心部件是排種器,其工作原理是將種箱的種子轉(zhuǎn)化為種子流,在重力的作用下分離出種子流中的單粒種子進(jìn)行投種。

可編程控制器(PLC)是一種可以用來(lái)完成用戶操作指令(如邏輯判斷、計(jì)數(shù)、運(yùn)算等)的工控裝置[4],其程序采用梯形圖語(yǔ)言和工業(yè)控制用操作指令進(jìn)行編制[5],具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于安裝調(diào)試、抗干擾能力強(qiáng)及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。因此,本文將PLC應(yīng)用于機(jī)械玉米播種機(jī),對(duì)玉米播種量的控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 總體設(shè)計(jì)路線

玉米機(jī)械播種量控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由傳感器模塊、無(wú)線傳輸模塊、PLC控制模塊、光電驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)和排種器組成。

圖1 玉米機(jī)械播種量控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

1.2 傳感器模塊

傳感器一般由感知元件和轉(zhuǎn)換器件組成,作用是將獲取的外界信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),并最終傳輸給控制系統(tǒng)。傳感器的類(lèi)型需要按照精確度、測(cè)量方式和靈敏度等進(jìn)行選擇。對(duì)于本文來(lái)說(shuō),主要選取3個(gè)傳感器:①種箱傳感器,用于監(jiān)控種箱內(nèi)的種子數(shù)量;②排種管傳感器,用于監(jiān)控排種管的種子堵塞,是否存在漏播、重播等現(xiàn)象;③速度傳感器,用于監(jiān)控播種臺(tái)的移動(dòng)速度,適時(shí)調(diào)整種子的下落速度。

1.3 無(wú)線傳輸模塊

傳感器和控制器之間的信息傳輸采用ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。ZigBee終端負(fù)責(zé)采集接收各傳感器信息,協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)將接收到的信息通過(guò)串口傳遞給PLC控制器。無(wú)線傳輸?shù)姆绞讲粌H可以簡(jiǎn)化設(shè)備線路,減少線路故障,還可以提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.4 PLC控制模塊

PLC控制模塊作為播種機(jī)的控制單元,需要完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的精確控制,且需要能夠兼容與觸摸屏和各傳感器的連接。三菱PLC的兼容性和穩(wěn)定性較好,擅長(zhǎng)控制步進(jìn)和完成復(fù)雜的動(dòng)作,且有專(zhuān)門(mén)的定位指令[6],因此采用三菱PLC進(jìn)行控制,其電路圖如圖2所示。

圖2 PLC電路圖。

PLC的工作過(guò)程主要包括3個(gè)階段:①輸入采樣階段,用于完成數(shù)據(jù)的讀取并存儲(chǔ)到響應(yīng)的單元;②程序執(zhí)行階段,即PLC按照從左至右、從上至下的順序讀取程序,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并將結(jié)果更新存儲(chǔ)或輸出;③輸出刷新階段,即刷新電路信息,并向相關(guān)外部設(shè)備發(fā)送指令[7]。

1.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元

電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元主要包括光電驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)。通過(guò)利用光電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī),進(jìn)而控制排種器進(jìn)行排種,并可以根據(jù)播種情況和播種臺(tái)移動(dòng)速度對(duì)播種量進(jìn)行調(diào)整控制。

1.6 排種器

排種器有型孔式、氣力式及外槽輪等類(lèi)型的排種器。其中,外槽輪排種器相對(duì)于其他類(lèi)型排種器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性好、運(yùn)行可靠性和適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn),能夠充分滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求。因此,本文選用外槽輪排種器,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 排種器結(jié)構(gòu)示意圖。

2 播種量控制軟件設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種器排種,其輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器與排種器的排種軸連接,兩者同步旋轉(zhuǎn),因此步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)和排種器的播種量存在一定的關(guān)系。根據(jù)排種器的結(jié)構(gòu),排種軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)排種器工作,使種箱內(nèi)的玉米種子排種,且旋轉(zhuǎn)頻率越快,玉米種子的排除速度越快,播種量越大。排種器排種軸轉(zhuǎn)數(shù)Nt和播種量M的關(guān)系為

M=kNt+b

其中,k和b均為常數(shù)。因此,排種軸的轉(zhuǎn)數(shù)和播種量是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,且排種軸和步進(jìn)電機(jī)同步旋轉(zhuǎn),可以通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制播種量。式中,k和b可以通過(guò)試驗(yàn)確定。

當(dāng)播種臺(tái)的運(yùn)行速度改變時(shí),步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速同時(shí)改變,即播種臺(tái)運(yùn)行速度快,則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速加快;播種臺(tái)運(yùn)行速度減慢,則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速減慢。為了能夠根據(jù)播種臺(tái)的行進(jìn)速度實(shí)時(shí)調(diào)整播種量,需要確定播種臺(tái)行進(jìn)速度和步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系。

假設(shè)播種臺(tái)播種的單位面積為S,播種臺(tái)行進(jìn)速度為v,步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速為vt,轉(zhuǎn)數(shù)為N,排種器的擺幅為W。在單位面積S內(nèi)的播種量M一定,其值與播種臺(tái)行進(jìn)速度和步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān),則播種臺(tái)播種單位面積所需時(shí)間t1為

傳動(dòng)比為i,則步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速vt為

對(duì)比以上兩個(gè)公式得

結(jié)合排種器排種軸轉(zhuǎn)數(shù)和播種量的函數(shù)關(guān)系得

此式即為播種臺(tái)的運(yùn)行速度v和步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速vt的關(guān)系。

3 播種量試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證該試驗(yàn)裝置性能,將該裝置分別在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和田間環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)[8]。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境干擾因素少,工作條件簡(jiǎn)單,因此在該環(huán)境下對(duì)試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行研制,在此狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)不需要考慮環(huán)境對(duì)設(shè)備的影響,可縮短研制時(shí)間,但試驗(yàn)環(huán)境對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果有局限性。因此,為了充分驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)備的可行性,在設(shè)備研制完成后將該設(shè)備在田間進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

1)排種器排種軸轉(zhuǎn)數(shù)Nt和播種量M函數(shù)關(guān)系的確定。首先需要確定函數(shù)關(guān)系中的k和b,調(diào)整步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速,采集不同轉(zhuǎn)速下排種軸的轉(zhuǎn)數(shù)和播種量,結(jié)果如表1所示。

表1 排種軸轉(zhuǎn)數(shù)Nt和播種量M關(guān)系。

通過(guò)對(duì)表格中的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,得到排種器排種軸轉(zhuǎn)數(shù)和播種量的關(guān)系為

M=0.0941Nt-0.0305

由于播種機(jī)不工作時(shí),轉(zhuǎn)速Nt為0,播種量M為0,因此對(duì)上式進(jìn)行修正,得到修正后的函數(shù)關(guān)系為

M=0.0941Nt

2)實(shí)際播種量M′的確定。在觸摸屏輸入播種量M值,啟動(dòng)播種器開(kāi)始工作,此時(shí)播種臺(tái)的運(yùn)行速度為v,單位播種面積為667m2,步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)比i為1,排種器的擺幅W為2m,將數(shù)據(jù)帶入函數(shù)關(guān)系式得

簡(jiǎn)化得到以下函數(shù)關(guān)系

vt=1.848vM

由該式可知:當(dāng)播種量M確定時(shí),播種臺(tái)運(yùn)行速度v和步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速vt隨動(dòng)關(guān)系即可確定。在種箱內(nèi)放入玉米種子,并設(shè)定播種機(jī)運(yùn)行距離為100m,對(duì)排種器進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。通過(guò)在觸摸屏輸入不同的參數(shù),為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確,每個(gè)輸入?yún)?shù)進(jìn)行兩次試驗(yàn),并取平均值,記錄實(shí)際播種量M′,結(jié)果如表2所示。

表2 播種量輸入?yún)?shù)M與實(shí)際播種量M′關(guān)系。

通過(guò)對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,得到播種量參數(shù)M和實(shí)際播種量M′的函數(shù)關(guān)系為

M′=0.1936M+0.3428

3.3 田間試驗(yàn)

選取一塊較平整的土地作為試驗(yàn)田,利用該排種器對(duì)玉米進(jìn)行播種。按照玉米生長(zhǎng)的環(huán)境,確定玉米的行距為20cm,一共播種15行,排種器擺幅2m,每畝播種量定為6kg,播種量的輸入?yún)?shù)為28。將以上參數(shù)輸入觸摸屏,啟動(dòng)播種量控制系統(tǒng),播種器開(kāi)始工作。在播種器工作過(guò)程中,觀察排種器正常工作,步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)良好和玉米種子的分布均勻。田間試驗(yàn)證明:該播種器能夠完成玉米的播種。

3.4 播種質(zhì)量驗(yàn)證

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),播種器的播種質(zhì)量要達(dá)到種子均勻性的變異系數(shù)小于40%(10cm分段)。因此,需要在種床上進(jìn)行播種質(zhì)量試驗(yàn)。在種床帶上涂抹油使落到種床帶上的種子位置不變動(dòng),設(shè)置步進(jìn)電機(jī)速度為2.8km/h,待播種器穩(wěn)定工作一段時(shí)間后停止。任意選取種床帶上50cm的距離,均分為5部分,統(tǒng)計(jì)每部分的種子數(shù)量,并計(jì)算試驗(yàn)的變異系數(shù)(變異系數(shù)=標(biāo)準(zhǔn)偏差/平均值)。為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,該試驗(yàn)進(jìn)行3次,結(jié)果如表3所示。

由表3可知:該播種機(jī)播種量控制系統(tǒng)達(dá)到了國(guó)際的播種均勻性的標(biāo)準(zhǔn)要求,能夠滿足用戶的使用要求。

4 結(jié)論

1)針對(duì)玉米的播種量設(shè)計(jì)了玉米機(jī)械播種機(jī),該設(shè)備的主要組成為各傳感器模塊、無(wú)線傳輸模塊、PLC控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元和排種器。同時(shí),設(shè)計(jì)了播種量控制系統(tǒng),使播種量可以根據(jù)播種臺(tái)運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)整。

2)設(shè)計(jì)的玉米播種器經(jīng)過(guò)了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和田間試驗(yàn),結(jié)果表明:系統(tǒng)均能夠穩(wěn)定工作,實(shí)現(xiàn)了播種量和播種太行進(jìn)速度的匹配。

3)田間試驗(yàn)表明:播種質(zhì)量均勻性能夠達(dá)到變異系數(shù)小于40%的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),性能能夠滿足用戶的使用需求。