自動往復(fù)播種機的機械機構(gòu)及電氣系統(tǒng)設(shè)計

繆 彥

（上饒幼兒師范高等?？茖W(xué)校，江西 上饒 334000）

1 機械機構(gòu)設(shè)計

1.1 機械機構(gòu)組成

系統(tǒng)機械機構(gòu)設(shè)計如圖1所示，核心部分為種床整備裝置，位于整個機構(gòu)前半部分，用于清除小麥秸稈和根茬，實施播種作業(yè)。機械機構(gòu)運動牽引裝置可與拖拉機連接，由拖拉機提供自動往復(fù)播種動力。具體設(shè)計機構(gòu)如下，1為地輪裝置，2為傳動系統(tǒng)，3為擋秸板，其中，地輪裝置和傳動系統(tǒng)可與拖拉機連接。在機構(gòu)主機架上，安裝有肥箱、種箱、肥料分配器、開溝器等播種作業(yè)的輔助部件[1-4]。

圖1 自動往復(fù)播種機機械機構(gòu)及田間作業(yè)模型

1.2 工作原理

機械機構(gòu)主要為系統(tǒng)執(zhí)行自動往復(fù)播種作業(yè)提供必要的力學(xué)結(jié)構(gòu)支撐和連接傳動能量。工作原理如下：機械機構(gòu)與拖拉機進行三點懸掛作業(yè)，由拖拉機給系統(tǒng)機械機構(gòu)提供作業(yè)動能，擋秸板用于分揀秸稈和根茬，機械機構(gòu)底部能夠創(chuàng)造出大于50 cm的播種帶。在地輪裝置的驅(qū)動下，機械機構(gòu)上的開溝器按照電氣系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置進行破土開溝和排肥作業(yè)，高速精密排種器將小麥種子排入種溝中，之后在傳動系統(tǒng)帶動下，對完成排種的種溝進行填埋和壓實。上述作業(yè)過程中，通過調(diào)整開溝器間距、排種器排速、傳動系統(tǒng)運轉(zhuǎn)速率等參數(shù)，能夠調(diào)節(jié)機械機構(gòu)排種作業(yè)動能、力學(xué)性能等物理參量，實現(xiàn)對播種作業(yè)的自動化調(diào)整。具體來說，本系統(tǒng)設(shè)計的播種行距調(diào)節(jié)范圍為15 cm~25 cm，播種深度調(diào)節(jié)范圍為2 cm~8 cm。

2 電氣系統(tǒng)設(shè)計

2.1 自動往復(fù)播種控制單元

以3次自動往復(fù)播種作業(yè)為例，對應(yīng)控制示意圖如圖2所示。采用西門子S7-200型PLC[1]為核心構(gòu)成自動往復(fù)播種控制單元。實際工作時，技術(shù)人員先設(shè)置好播種機的運行速率、播種頻率、開溝深度、播種行距等參數(shù)。開始工作后，播種機運行至傳感監(jiān)測點0位置，PLC向播種機的傳動系統(tǒng)發(fā)送指令，控制播種機從傳感檢測點0位置向傳感監(jiān)測點1直線運行。運行過程中，根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)進行自動排種、開溝、施肥、填土、壓實等作業(yè)，完成傳感監(jiān)測點0~1之間區(qū)域的播種作業(yè)。到達傳感監(jiān)測點1后，PLC控制傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)向，播種機向傳感監(jiān)測點2運行。到達傳感監(jiān)測點2后，在PLC指令控制下，播種機向傳感監(jiān)測點3運行，繼續(xù)完成傳感器監(jiān)測點2~3之間區(qū)域的播種作業(yè)。之后循環(huán)往復(fù)完成剩下區(qū)域的播種作業(yè)。上述控制過程中，PLC可對傳感監(jiān)測點的位置進行精確定位。

圖2 自動往復(fù)播種示意圖

2.2 往復(fù)監(jiān)測傳感器單元

自動往復(fù)播種作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)過程為：PLC對播種機在農(nóng)田區(qū)域位置進行精確定位，并根據(jù)定位反饋值控制播種機傳動系統(tǒng)的速率、方向等參數(shù)。為確保上述過程的精準(zhǔn)性，需設(shè)計往復(fù)監(jiān)測傳感器單元，具體選用Telemecanique公司研發(fā)的XCKM102限位開關(guān)傳感器[2]。該款傳感器具有便攜且安裝、拆卸方便的特點，適合臨時安裝在農(nóng)田播種區(qū)外圍的各傳感監(jiān)測點。此外，該傳感器具有精密性好、抗沖擊、抗振動等特性，符合IEC60947-5-1等國際質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[3]，可對大中型農(nóng)機設(shè)備運動位置進行精準(zhǔn)定位。

具體控制過程為：將各限位開關(guān)傳感器提前埋設(shè)在農(nóng)田播種區(qū)各監(jiān)測點，并與PLC之間建立起I/O連接關(guān)系，各傳感監(jiān)測點默認(rèn)為PLC梯形圖程序中的一個常開觸點。當(dāng)播種機遠(yuǎn)離傳感監(jiān)測點0時，對應(yīng)的常開觸點輸出0，PLC控制播種機進行播種運動作業(yè)。當(dāng)播種機靠近傳感監(jiān)測點1，并達到限位開關(guān)傳感器閥值時，對應(yīng)的常開觸點閉合輸出1，PLC控制播種機傳動系統(tǒng)停止當(dāng)前播種作業(yè)，并轉(zhuǎn)向運動至傳感監(jiān)測點2位置。當(dāng)?shù)竭_傳感監(jiān)測點2位置后，對應(yīng)的常開觸點輸出1，PLC控制播種機向傳感監(jiān)測點3運動并進行播種作業(yè)，之后循環(huán)往復(fù)。

2.3 物理株距監(jiān)測單元

為實現(xiàn)物理株距合理控制，防止出現(xiàn)過密和過疏等問題，選用JCJM公司研發(fā)的U85-210224激光測距傳感器[4]，設(shè)計物理株距監(jiān)測單元模塊。該傳感器能夠在0.03 m~10 m范圍內(nèi)精確測定兩個物體之間的距離，具有測量精度高、響應(yīng)時間短等優(yōu)點，且能與PLC連接通信，完成對播種物理株距的采集、傳輸、響應(yīng)、監(jiān)測控制[5-6]。具體控制過程為：將U85-210224激光測距傳感器安裝在播種機排種器上，并與PLC的I0.5端口連接。播種機進行排種作業(yè)時，傳感器實時檢測相鄰兩個播種坑之間距離，并與預(yù)設(shè)株距參數(shù)比較。若測距反饋值與預(yù)設(shè)值相同，則播種機繼續(xù)執(zhí)行播種作業(yè)；反之系統(tǒng)發(fā)出報警提示信號，PLC向傳動系統(tǒng)發(fā)出停止指令，播種機停止運行。

3 軟件編譯及試驗結(jié)果

3.1 系統(tǒng)軟件程序編譯思路

本系統(tǒng)使用梯形圖程序編寫自動往復(fù)播種作業(yè)程序，具體編寫思路為：1）啟動系統(tǒng)后進行PLC自檢。2）檢測傳感監(jiān)測0位置常開觸點是否閉合，若閉合，PLC發(fā)出高電平信號驅(qū)動播種機的傳動系統(tǒng)，使播種機向傳感監(jiān)測1位置運行。3）播種機運行過程中，按照預(yù)設(shè)的參數(shù)執(zhí)行開溝、施肥、排種、填土、壓實、轉(zhuǎn)向作業(yè)，且各傳感器實時檢測并向PLC反饋各作業(yè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量。若出現(xiàn)問題，PLC向報警系統(tǒng)發(fā)出高電平指令，同時向傳動系統(tǒng)發(fā)出低電平指令，停止播種作業(yè)。4）當(dāng)播種機運動到農(nóng)田播種區(qū)域的最后一個傳感監(jiān)測N位置時，PLC向傳動系統(tǒng)發(fā)出低電平指令，整個系統(tǒng)停機運行。具體程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序編譯流程圖

3.2 田間播種試驗結(jié)果

系統(tǒng)完成設(shè)計和組裝后，在寬150 m、長80 m的試驗田實施播種試驗。設(shè)定小麥播種往復(fù)循環(huán)次數(shù)5次，物理株距25 cm，收集各行播種株距平均值、往復(fù)播種完成情況兩項參數(shù)，允許株距誤差為±1 cm，測試結(jié)果如表1所示。

表1 自動往復(fù)播種試驗結(jié)果

4 結(jié)語

田間播種試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：設(shè)定小麥播種循環(huán)次數(shù)5次、物理株距25 cm時，實際播種作業(yè)循環(huán)次數(shù)達標(biāo)，播種物理株距合格率為100%，且無漏播和重播情況，說明所設(shè)計系統(tǒng)能夠滿足小麥自動往復(fù)播種作業(yè)需求。相信隨著農(nóng)業(yè)機械自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，自動往復(fù)播種技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用案例也將越來越多，對提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動化、智能化、先進性必將產(chǎn)生積極的效應(yīng)。