氣吸式排種器電驅(qū)動(dòng)控制性能研究

蘆昌雨 ,張 凱，2，洪 楊

(1 南京信息工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院；2 南京信息工程大學(xué) 大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心：210044，江蘇南京)

隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展，機(jī)械化播種作業(yè)正在逐漸代替人工播種，減少大量的人力和物力。精密播種機(jī)主要分為氣動(dòng)式和機(jī)械式兩種[1]，而氣動(dòng)式精密播種機(jī)又分為氣壓式、氣吸式和氣吹式[2]，其中氣吸式精密播種機(jī)因其吸種快、種子不易破碎、速度快等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)被大面積使用[3]。

精密播種的過程就是按精確的粒數(shù)、間距和播深，將種子播入穴孔中[4]。其技術(shù)核心，就是播種過程中外部控制驅(qū)動(dòng)排種器轉(zhuǎn)動(dòng)，在不同的作業(yè)速度下自動(dòng)調(diào)整和穩(wěn)定控制播種株距[5]。因此，高速精密播種機(jī)最為重要的便是株距的調(diào)控[6]。但由于氣候、地理等因素的影響，田間易產(chǎn)生泥濘不平、濕滑的情況[7]，在播種過程中，播種機(jī)的地輪在泥濘的田中極易出現(xiàn)打滑的問題，這就導(dǎo)致播種機(jī)前進(jìn)速度不穩(wěn)定，與排種器排種的速度不能保持一致，播種距離不均勻，株距參差不齊，大大影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)。

本文以氣吸式排種器為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)一套氣吸式排種器電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以隨時(shí)調(diào)節(jié)株距，滿足播種要求。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的氣吸式播種機(jī)株距電驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)用于株距的控制。氣吸式排種器通過管道與風(fēng)機(jī)相連，風(fēng)機(jī)葉輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生負(fù)壓，排種器的隔板將氣吸室分為負(fù)壓吸種區(qū)和零壓排種區(qū)。大白菜種子在負(fù)壓的作用下被吸附到排種盤的吸種孔上做圓周運(yùn)動(dòng)，當(dāng)種子轉(zhuǎn)出真空室后，由于負(fù)壓的消失，其依靠自身重力或在刮種器作用下落入種溝內(nèi)。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)是一個(gè)具有智能化控制、軟硬件結(jié)合和多協(xié)調(diào)性的綜合性系統(tǒng)，主要由執(zhí)行模塊、采集模塊和控制模塊等三部分組成。采集模塊主要器件包括旋轉(zhuǎn)編碼器和霍爾元件，用來(lái)將收集到的脈沖個(gè)數(shù)以數(shù)字信號(hào)（高速脈沖）的形式傳送至控制器；控制模塊主要器件是可編程控制器和人機(jī)交互觸摸屏，使用者在人機(jī)交互界面上輸入相關(guān)播種指標(biāo)，控制器對(duì)收集來(lái)的信息進(jìn)行分析處理，控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種器進(jìn)行播種作業(yè)；執(zhí)行模塊主要由排種裝置、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器組成，為排種器工作提供動(dòng)力。三個(gè)模塊之間協(xié)同工作、互相配合，共同組成一個(gè)系統(tǒng)，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

1.2 核心模塊選型

本文曾考慮過用單片機(jī)作為控制中心，但是單片機(jī)的主控板受制造工藝、布局結(jié)構(gòu)等因素的影響，抗干擾能力差，故障率高，不適應(yīng)田間惡劣環(huán)境和播種合格率高的要求。此外，單片機(jī)一般應(yīng)用于單站場(chǎng)所，獨(dú)立性較強(qiáng)，而PLC 的應(yīng)用場(chǎng)合一般是工控場(chǎng)所，需要聯(lián)機(jī)運(yùn)行的地方多，比較適合復(fù)雜的控制系統(tǒng)。綜合以上考慮，本文選用西門子公司的S7-200 SMART 型可編程控制器作為排種器株距電控系統(tǒng)的控制核心，實(shí)物如圖2 所示。

圖2 可編程控制器實(shí)物圖

2 排種試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)介紹

室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)是2020 年10 月在山東省科學(xué)院計(jì)算中心的JPS-12 實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的，該臺(tái)架專門用于排種器的性能檢測(cè)，能提供精確的種子粒距、合格指數(shù)、漏播指數(shù)等指標(biāo)，可存儲(chǔ)播種錄像用于反復(fù)觀察分析。臺(tái)架整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)約精巧，主要由氣吸式大白菜排種器、種床、操作控制臺(tái)、噴油器、鋼制臺(tái)架、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、風(fēng)力傳動(dòng)系統(tǒng)等組成，實(shí)物如圖3 所示。

圖3 JPS-12 實(shí)驗(yàn)臺(tái)

在田間測(cè)試播種機(jī)的排種性能時(shí)，播種機(jī)是隨拖拉機(jī)的前進(jìn)而運(yùn)動(dòng)的，實(shí)驗(yàn)臺(tái)正相反，它是用種床帶作為種床，模擬播種機(jī)的田間工作速度而運(yùn)動(dòng)，排種器在試驗(yàn)時(shí)固定不動(dòng)，種床以排種器為參照物相對(duì)移動(dòng)。這樣就把播種機(jī)相對(duì)地面的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成地面相對(duì)于播種機(jī)的移動(dòng)，實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)參考坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換問題，其效果是一樣的。

2.2 試驗(yàn)材料

本次臺(tái)架試驗(yàn)的對(duì)象為“青雜三號(hào)”大白菜種子，由青島國(guó)際苗種有限公司提供，實(shí)物如圖4 所示。因?yàn)榉N子本身的顏色不深，導(dǎo)致排種器落在種床帶上的種子不易觀察，故特將種子染成了紫色。

圖4 “青雜三號(hào)”大白菜種子

2.3 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

排種性能評(píng)價(jià)指標(biāo)可以直觀地反映排種器的排種質(zhì)量，包括排量穩(wěn)定性、漏播率、各行排量一致性、株距合格率、種子破碎率等。本課題主要對(duì)株距合格率、漏播率和重播率進(jìn)行試驗(yàn)。圖5 分別為試驗(yàn)中正常排種、重播、漏播現(xiàn)象和種子在種床帶分布的畫面。

圖5 排種性能指標(biāo)圖

圖6 為排種盤不同轉(zhuǎn)速下排種器的各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)，可以看出：10～30 r/min 的加速階段合格指數(shù)不斷增加直至90.42%，再增加轉(zhuǎn)速合格率逐漸下降；而漏播和重播指數(shù)卻和合格指數(shù)呈相反的走勢(shì)，在30～40 r/min 階段漏播、重播指數(shù)逐漸上升。經(jīng)過比對(duì)可以推出：當(dāng)轉(zhuǎn)速超過某個(gè)臨界值后，由于排種盤離心力增加，部分種子不能正常被吸，造成了漏播指數(shù)的上升和合格指數(shù)的降低。

3 試驗(yàn)與分析

為了檢測(cè)氣吸式排種器株距電控系統(tǒng)的工作性能是否能滿足播種的要求，在實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架進(jìn)行了排種試驗(yàn)，主要探究在播種機(jī)轉(zhuǎn)速確定的情況下排種的株距能否達(dá)到要求，得到不同參數(shù)下排種器的合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)。

3.1 單因素排種試驗(yàn)

在影響氣吸式排種器工作性能的眾多因素中，真空度和排種盤轉(zhuǎn)速是主要影響因子，對(duì)播種機(jī)的效率影響頗為重要。本文也就這兩個(gè)因素進(jìn)行研究分析，固定排種器相關(guān)參數(shù)：株距設(shè)置為400 mm，吸種孔直徑為4.8 mm，排種盤吸種總數(shù)為24。

3.1.1 不同轉(zhuǎn)速試驗(yàn)結(jié)果分析 為了研究排種盤轉(zhuǎn)速對(duì)排種性能的影響，排種盤轉(zhuǎn)速?gòu)?0～40 r/min，每隔5 r/min 分為7 個(gè)水平，真空度保持為3 kPa 不變。在種床帶運(yùn)行平穩(wěn)之后，每個(gè)參數(shù)試驗(yàn)記錄種床帶連續(xù)分布的200 粒種子，重復(fù)3 次取平均值作為最終結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。

圖6 排種盤不同轉(zhuǎn)速試驗(yàn)結(jié)果

3.1.2 不同真空度試驗(yàn)結(jié)果分析 真空度是排種器產(chǎn)生負(fù)壓的根本原因，因此對(duì)真空度的研究是十分重要的。在其他工作參數(shù)相同的情況下，真空度1.5～5 kPa 每隔0.5 kPa 分為8 個(gè)水平，轉(zhuǎn)速保持為30 r/min，在種床帶運(yùn)行平穩(wěn)之后，每個(gè)參數(shù)試驗(yàn)記錄種床帶連續(xù)分布的200 粒種子，重復(fù)3 次取平均值作為最終結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。因?yàn)橐婚_始?xì)馕覂?nèi)的真空度較小，種子難以被吸附在排種盤上，排種器產(chǎn)生了大量漏播，導(dǎo)致漏播指數(shù)很高，隨著負(fù)壓不斷地增加，排種盤的吸附力變大，吸種孔有時(shí)會(huì)吸附多粒種子，這就造成了一個(gè)種穴播種過多的現(xiàn)象，導(dǎo)致重播指數(shù)變大而合格指數(shù)減小。

圖7 不同真空度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2 多因素正交試驗(yàn)

在上述轉(zhuǎn)速試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速在20～30 r/min 時(shí)，播種性能比較好；在上述真空度試驗(yàn)中，真空度在2～3.5 kPa 時(shí)，播種性能比較好。為了研究轉(zhuǎn)速和真空度對(duì)排種性能影響的主次順序以及最優(yōu)參數(shù)組合，對(duì)每個(gè)參數(shù)取3 個(gè)試驗(yàn)水平，考慮到轉(zhuǎn)速與真空度之間存在相互作用關(guān)系，采用正交表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)，正交試驗(yàn)水平如表1 所示。每個(gè)參數(shù)組合試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)種床帶連續(xù)分布的200 粒種子，重復(fù)3 次取平均值作為最終結(jié)果，正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析如表2、表3 所示。

表1 正交試驗(yàn)因素水平

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

表3 試驗(yàn)結(jié)果極差分析

由圖7 可知：當(dāng)真空度在1.5～3 kPa 不斷增加的過程中，合格指數(shù)逐漸增大，在3 kPa 時(shí)達(dá)到峰值89.42%，重播指數(shù)和漏播指數(shù)則逐漸減??；在3～5 kPa時(shí)合格指數(shù)反而呈下降趨勢(shì)，重播指數(shù)快速增長(zhǎng)，漏播指數(shù)則保持穩(wěn)定。通過分析三者變化趨勢(shì)，可以推斷原

極差的大小代表著因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的大小，極差越大，影響越顯著。根據(jù)表2 及表3 的正交試驗(yàn)結(jié)果與極差分析可知：對(duì)于合格指數(shù)和漏播指數(shù)，轉(zhuǎn)速的影響較顯著；對(duì)于重播指數(shù)，真空度影響較顯著；當(dāng)轉(zhuǎn)速為20 r/min、真空度為2.2 kPa 時(shí)，排種性能達(dá)到最佳，合格指數(shù)為93.02%，重播指數(shù)則為4.41%，漏播指數(shù)僅為2.79%，各項(xiàng)性能均符合國(guó)家農(nóng)作物單粒精量播種質(zhì)量指標(biāo)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以步進(jìn)電機(jī)代替地輪為中心，提高株距穩(wěn)定性為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種基于PLC 的以播種機(jī)為載體的氣吸式排種器株距電控系統(tǒng)，制定了電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。根據(jù)臺(tái)架多因素試驗(yàn)可以得出：排種盤轉(zhuǎn)速和真空度對(duì)排種器的排種性能影響較大，當(dāng)轉(zhuǎn)速為20 r/min、真空度為2.2 kPa 時(shí)，排種器的性能最佳，臺(tái)架試驗(yàn)的合格指數(shù)為93.02%，重播指數(shù)為4.41%，漏播指數(shù)為2.79%。

本文通過株距電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究對(duì)播種機(jī)的外形設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行了革新，也為農(nóng)業(yè)自動(dòng)化提供了一些思路，通過實(shí)現(xiàn)株距的一致性提高播種育種質(zhì)量，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。

在實(shí)際研究過程中，由于時(shí)間和場(chǎng)地條件的限制，沒有將臺(tái)架上的試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行比對(duì)，需要在接下來(lái)的工作中做進(jìn)一步的完善。