基于PLC技術(shù)的水稻點播機控制系統(tǒng)設(shè)計

楊曉珍 鐘衛(wèi)鵬 唐緒偉

摘要：針對目前水稻點播機稻種數(shù)量檢測機制不完善、播種過程相互耦合控制復(fù)雜的現(xiàn)狀，設(shè)計了一種基于PLC技術(shù)的水稻點播閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在常見氣吸式點播機機械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將播種實施過程劃分為排種、檢測與投種3個階段，簡化播種過程控制的難度;并且改良了以電容傳感器為硬件核心的檢測環(huán)節(jié)，減小了電容邊緣效應(yīng)與稻種以隨機姿態(tài)組合通過檢測區(qū)域引起的檢測誤差;能夠自動回收數(shù)量不合格的種子群，減輕了使用者的工作量;投種器的使用避免了落種時的彈跳，讓種子可以準確入穴。試驗表明：相比以往稻種數(shù)量的檢測方式，不同數(shù)量的種子群通過本系統(tǒng)檢測環(huán)節(jié)而引起的電容變化范圍不再出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，可靠的反饋信號讓直播機系統(tǒng)能夠正確判斷稻種的數(shù)量，達到播種的精確控制。

關(guān)鍵詞：水稻點播機;PLC;精量播種;電容傳感器

中圖分類號： S223.2+3? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）17-0178-04

收稿日期：2021-06-02

基金項目：湖南省教育廳科學研究項目（編號：19C1490）。

作者簡介：楊曉珍（1972—），女，湖南會同人，碩士，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)機械創(chuàng)新設(shè)計與試驗研究及職業(yè)教育教學管理。E-mail：215409838@QQ.com。

通信作者：鐘衛(wèi)鵬，碩士，助教，主要從事復(fù)雜系統(tǒng)檢測與控制。E-mail：1642475784@QQ.com。

我國是人口大國、農(nóng)業(yè)大國，如何提高糧食產(chǎn)量始終都是人們關(guān)注的熱點。水稻是我國的主要農(nóng)作物。據(jù)考古發(fā)掘，早在7 000年以前我國的先民們就開始種植水稻。至今，水稻已成為世界上一半以上人口的主食。最初先民們以直播的方式種植水稻，自漢代以后才發(fā)明了育苗移栽技術(shù)并沿用至今。2020年的國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示：我國的水稻播種面積達到了3 008萬hm2，如此巨大的數(shù)量造成了我國水稻種植區(qū)域廣、土地集中程度不同、氣候差異大的現(xiàn)狀，從而導(dǎo)致了各地水稻品種不一、種植方式不同。水稻的育苗移栽技術(shù)步驟繁多，對水資源消耗大。在農(nóng)村人口老齡化、環(huán)境治理、生產(chǎn)成本提高等諸多因素影響下，水稻的機械化種植得到了極大的推廣。

農(nóng)作物種植的機械化包含了耕、種、收這3個方面，其中播種過程的機械化與自動化程度最低、實現(xiàn)難度大[1]。為了推動機械化種植的全面化，許多能人志士都投入到水稻點播機的研發(fā)中來，力求將農(nóng)技與農(nóng)機深度結(jié)合[2-4]。王在滿等選用光電傳感器作為排種器出種數(shù)量的檢測器件，并將前人常用的點陣式光電傳感器布局改變?yōu)槊嬖焦怆妭鞲衅鳝h(huán)形布置，這樣的設(shè)計減少了光電傳感器的檢測死區(qū)，關(guān)鍵的光電傳感器檢測脈沖寬度是通過高速攝像頭反復(fù)測定，提高了檢測的精度;但是即便這樣精心的設(shè)計，還是無法克服多粒種子同時穿越檢測區(qū)域?qū)е碌恼`判[5]。文獻[6]以彈射式耳勺型水稻穴直播排種器作為監(jiān)測系統(tǒng)的研究載體，使用壓電材料作為傳感器，檢測種子數(shù)量的原理類似于稱重。機器在田間作業(yè)時，不可控因素太多（例如機器行進時的顛簸、機器本身的振動、種子在壓電材料上隨機撞擊產(chǎn)生的偏差電壓）。這些因素疊加使得同一數(shù)量種子撞擊壓電材料產(chǎn)生的檢測結(jié)果像步槍射擊的彈著點一樣是一個范圍。尤其是當排種器運行過快時，不同數(shù)量種子沖擊結(jié)果的范圍會出現(xiàn)明顯的重疊現(xiàn)象，以至于檢測結(jié)果出現(xiàn)較大的誤差。文獻[7]運用EDEM軟件對氣吸式精密播種機振動種盤中水稻種群運動進行模擬仿真，分析了不同頻率、振幅、種層厚度對種群空間分布密度的影響，為氣吸式精密播種機的設(shè)計提供了依據(jù)。文獻[8]以霍爾傳感器檢測點播機的速度與位移，以電容傳感器檢測排種器出種量。使用電容傳感器可以避免光電傳感器無法檢測多粒稻種同時穿越檢測區(qū)域的情況，但文獻[5]指出當種子通過電容傳感器引起的電容變化量較小時，檢測精度會受到寄生電容和環(huán)境的影響。

在前人不斷的努力下點播機的機械化程度不斷提高，但研究的重心放在如何檢測各項農(nóng)藝指標是否符合要求，而對不符要求的結(jié)果不能實現(xiàn)自動處理，需要人工干預(yù)。本研究擬設(shè)計一種新型點播機系統(tǒng)，采用氣動排種器及PLC控制技術(shù)，實現(xiàn)單粒精密播種。它以電機為前進動力源，通過各種電動、氣動元件的動作，實現(xiàn)播種過程的機械化及電氣自動化。

1 機械平臺設(shè)計

本研究所設(shè)計排種器在文獻[9]的基礎(chǔ)上進行改進與設(shè)計，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。在本設(shè)計中，排種輪使用步進電機驅(qū)動。

排種器的導(dǎo)種管后連接檢測輪。檢測輪的外形與限位結(jié)構(gòu)同左輪手槍的轉(zhuǎn)輪類似，有多個柱形檢測槽。每個檢測槽都帶有特定的磁編碼與高度可調(diào)的底板，方便定位與調(diào)節(jié)容積。其整體由步進電機帶動傳動皮帶驅(qū)動。1個步進電機可以通過皮帶驅(qū)動多個檢測輪旋轉(zhuǎn)。每1處傳動皮帶處都裝有1個簡易離合器。該離合器使用氣動控制，正常狀態(tài)下，離合器使皮帶繃緊;離合狀態(tài)下，使皮帶松開失去傳動作用，從而實現(xiàn)多個檢測輪的解耦控制。檢測輪的設(shè)計目的有2點：（1）配合電容傳感器對種子群數(shù)量進行檢測，使其具有良好的工作條件;（2）緩存符合要求的種子群，排除不符合要求的種子群。檢測輪后端一方面與投種器相連，另一方面與種子回收箱連接，連接處有以氣動閥控制的隔板分開。檢測槽上設(shè)有投種位、填充位、檢測位與回收位。它們被依次排列在相鄰的4個槽位上。投種位與回收位之間相隔幾個槽位作為緩存位。這些緩存位能夠在發(fā)生排種數(shù)量異常時，及時補上空缺避免影響整個播種節(jié)奏。

檢測合格的種子群被送入投種器。投種器由固定的柱體與可活動的扁頭椎體嵌套組成。扁頭椎體由步進電機帶動其上的齒槽進行驅(qū)動，其頂端能夠開合釋放種子。初始狀態(tài)下，扁頭椎體頭部在扭力彈簧的作用下保持閉合。開啟時，由氣泵向投種器中施加氣壓將種子從中吹出。

排種器、檢測輪以及投種器，這三者之間的關(guān)系就好比電腦系統(tǒng)中CPU、內(nèi)存以及硬盤之間的關(guān)系。排種器運行速度最快，但容易出錯。檢測輪運行速度次之，能發(fā)現(xiàn)排種器的故障，并能暫存數(shù)量合適的種子群。投種器是最終執(zhí)行機構(gòu)，運行速度最慢，需要通過前面2個環(huán)節(jié)對種子數(shù)量進行把控。前人的設(shè)計往往對這3個環(huán)節(jié)不加以區(qū)分，導(dǎo)致控制系統(tǒng)各部分出現(xiàn)強耦合作用，控制難度加大。

2 電氣回路設(shè)計

本設(shè)計的控制核心是三菱FX3U-32MT/DS系列的PLC。內(nèi)置16入/16出（晶體管漏型）端子，能直流24 V供電，可擴展模塊多，具有良好的可塑性與抗擾性，能夠適應(yīng)田間地頭復(fù)雜的工作條件。點播機運行時，PLC不但需要對出種數(shù)量、穴距與埋種深度進行控制，還要能對堵塞等故障做出自檢報警。

由排種器設(shè)計可知，當其發(fā)生堵塞故障時，導(dǎo)種管將無法導(dǎo)出稻種。因此，只需將導(dǎo)種管某一段使用透明材料制成，并安裝上面元式光電傳感器，就能對排種器輸出進行實時監(jiān)控。在排種器以固定速度運行時，控制系統(tǒng)會定期接受到光電傳感器一個信號。如果發(fā)生堵塞故障，光電傳感器將停止發(fā)出信號。此外，在排種器上還安裝有霍爾傳感器，能夠?qū)崟r向PLC發(fā)送位置信息，方便PLC對排種器進行定位。

穴距與埋種深度的測量同為距離測量，但由于點播機在田間行駛時存在打滑的可能而投種器不需要考慮這種情況，因此只需對穴距控制引入霍爾傳感器檢測即可?；魻杺鞲衅鞅话惭b在測地輪之上，測地輪被點播機拖動前行并在其表面鑲嵌抓地紋理，故不存在打滑的可能，能確保距離測量準確。

出種數(shù)量的檢測主要由安裝在檢測輪上的電容傳感器完成。相對于空氣而言，稻種的介電常數(shù)明顯要大一些。種子群從導(dǎo)種管輸出后落入檢測槽，隨著檢測輪轉(zhuǎn)動。圓形的平行板電容就安裝在正對著檢測槽的上下方。為減小電容的邊緣效應(yīng)，減弱輸入與輸出的非線性關(guān)系，其直徑要比檢測槽大2 mm。根據(jù)平行板電容器大小的計算公式（1）可知：當電容外形固定、電壓穩(wěn)定時，電容大小與介電常數(shù)有線性關(guān)系。

C=εS/d。（1）

式中：C為電容大小;ε為介電常數(shù);S為平行金屬板的相對面積;d為2板之間的距離。

為了讓種子群落入檢測槽后能讓傳感器產(chǎn)生足夠明顯的信號，檢測槽的容積要盡量接近規(guī)定數(shù)量種子的體積。電容傳感器以二極管雙T型交流電橋電路作為檢測電路。該檢測電路有以下特點[10]：（1）電源頻率、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定;（2）線路簡單，可全部集中在探頭內(nèi)，縮短了短路布線、減輕了分布電容的影響;（3）適用于具有線性特性的單組式和差動式電容式傳感器;（4）輸出阻抗可以人為設(shè)定，且與電容無關(guān)，克服了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點。

檢測電路的輸出被放大后由AD轉(zhuǎn)換傳入PLC內(nèi)部。電氣回路的整體框圖如圖2所示。

3 控制流程設(shè)計

系統(tǒng)開始運行時首先進行自檢程序。自檢程序包括但不限于檢查通訊網(wǎng)絡(luò)各部分是否成功通信、各氣動與電動部件是否正常運行、系統(tǒng)運行時是否堵種。系統(tǒng)自檢成功則進入運行程序，反之停機并發(fā)出報警提示。

排種器的運行過程參見文獻[9]。當檢測輪運行時，檢測槽收集從導(dǎo)種管落下的種子。當接收到

排種器完成1次排種的信號后，檢測輪旋轉(zhuǎn)1個槽位，下一個填種好的槽位被送入電容傳感器中檢測種子數(shù)量。如果檢測正常，PLC將把這個檢測槽標記為正常，反之為異常?；厥瘴坏臍鈩娱y會根據(jù)檢測槽的狀態(tài)而開啟或關(guān)閉。異常狀態(tài)會一直持續(xù)到檢測槽重新回到填種位才會恢復(fù)為正常。PLC上的計數(shù)器接收到霍爾傳感器脈沖數(shù)達到額定數(shù)量時，即點播機運行到指定位置，點播機暫停。投種器插入土壤指定深度后返回一段距離為投種器打開留下空間。氣泵運行將種子從中吹出后，投種器收回，點播機繼續(xù)前進完成一次播種。整個系統(tǒng)的程序流程如圖3所示。

4 試驗結(jié)果與分析

檢測輪不但是點播機控制系統(tǒng)重要的反饋回路，并且還是整個執(zhí)行機構(gòu)的中間環(huán)節(jié)，起到承上啟下的作用，其設(shè)計的優(yōu)劣直接影響到系統(tǒng)的控制精度。而排種器與投種器結(jié)構(gòu)簡單，執(zhí)行結(jié)果穩(wěn)定，文獻[9]對排種器的性能有詳細分析，故在此著重對檢測輪的設(shè)計效果進行試驗驗證。

以文獻[8]設(shè)計的傳感器作為對照進行試驗，并稱之為對照組。2020年4月中旬，在懷化職業(yè)技術(shù)學院安江校區(qū)試驗田進行播種試驗，水稻品種為金珍早絲。試驗一共選擇了2塊面積都為0.5 hm2的區(qū)域進行，播種的行距為160 mm，點播機以 7 km/h 的速度行駛。在上述條件下分別對含有 1～6粒稻種的種子群進行電容變化量測量，每一種情況反復(fù)進行100次試驗，結(jié)果如圖4所示。

前人對試驗數(shù)據(jù)的分析多集中于結(jié)果的線性度分析卻忽略監(jiān)測系統(tǒng)的其他指標，從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)輸出不穩(wěn)定。圖4中的豎線是不同稻種數(shù)量對應(yīng)的電容變化范圍，豎線上的叉點代表變化的均值。在對照組的結(jié)果中種子數(shù)量對電容變化量的影響是一個比較大的范圍，導(dǎo)致這樣結(jié)果的原因不單單只有文獻[5]提出的觀點。通過計算，種子群在機械擾動下以不同姿態(tài)組合通過傳感器的檢測區(qū)會影響到電容的變化量[11-12]。以上2種因素最終造成了對照組結(jié)果的大幅度搖擺性。對照組數(shù)據(jù)的搖擺性隨著稻種數(shù)量增加而遞增，甚至出現(xiàn)了范圍的部分重疊現(xiàn)象，反映到檢測結(jié)果上就是傳感器有一定概率分不清稻種的數(shù)量。而設(shè)有檢測輪的試驗組數(shù)據(jù)就有著良好的穩(wěn)定性。從試驗數(shù)據(jù)上可以得出檢測輪的設(shè)計合理，能有效提高檢測系統(tǒng)的重復(fù)性。

5 結(jié)論

本研究從解決點播機電氣自動化程度低、補種需要人工干預(yù)的問題出發(fā)，設(shè)計了一種基于PLC技術(shù)的水稻點播機。在繼承前人優(yōu)秀設(shè)計的基礎(chǔ)上，將點播機運行過程明確劃分成排種、檢測、投種3段。讓點播機各運行部分控制過程解耦，提高了播種精度。關(guān)鍵的檢測輪借鑒了左輪手槍的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，減弱了影響傳感器檢測精度的2個因素。試驗證明這樣的設(shè)計能夠切實優(yōu)化傳感器的檢測精度，提高點播機的工作效率。

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