農(nóng)田土壤自動(dòng)鉆孔播種機(jī)的設(shè)計(jì)

周志博

（江西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330000）

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

1.1 設(shè)計(jì)需求

隨著自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)農(nóng)田播種作業(yè)的自動(dòng)化程度不斷提升。但常規(guī)的自動(dòng)化播種作業(yè)僅能實(shí)現(xiàn)播種功能，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田土壤鉆孔播種一體化自動(dòng)作業(yè)。目前，也有一些農(nóng)機(jī)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)田土壤鉆孔播種一體化作業(yè)，但作業(yè)精度、自動(dòng)化程度、效率并不高，相關(guān)的技術(shù)優(yōu)化工作有待改善。文章設(shè)計(jì)了一款基于西門子S7-200 型PLC 的農(nóng)田土壤自動(dòng)鉆孔播種機(jī)設(shè)備，可在農(nóng)田土壤間自動(dòng)鉆出直徑和深度分別為10 cm 和5 cm 的深孔，在孔底定量播種農(nóng)作物種子，并在農(nóng)機(jī)牽引力的帶動(dòng)下連續(xù)作業(yè)，通過田間測(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的精度、自動(dòng)化程度和作業(yè)效率，為農(nóng)田播種自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)改良提供參考。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，見圖1，整個(gè)系統(tǒng)以西門子S7-200型PLC為硬件控制核心，通過編程實(shí)現(xiàn)農(nóng)田土壤自動(dòng)鉆孔播種控制作業(yè)。主要的機(jī)械機(jī)構(gòu)包括：鉆孔播種機(jī)構(gòu)。在程序控制下，按照預(yù)設(shè)的參數(shù)完成對(duì)農(nóng)田土壤位置識(shí)別、鉆孔、播種一體化作業(yè)；提升下降機(jī)構(gòu)。由鉸鏈傳動(dòng)裝置和限位開關(guān)等構(gòu)成，控制鉆頭提升、下降動(dòng)作，并為定量自動(dòng)播種提供動(dòng)作條件；動(dòng)力牽引機(jī)構(gòu)。由普通的牽引拖拉機(jī)、懸掛機(jī)架、液壓缸、伸縮式連架桿等構(gòu)成，在PLC 程序控制下有節(jié)奏地牽引整個(gè)系統(tǒng)完成鉆孔、播種一體化作業(yè)。此外，系統(tǒng)還引入EM235 模擬量采集控制模塊，實(shí)時(shí)采集牽引拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)速，并反饋給PLC，由PLC 程序?qū)崿F(xiàn)“轉(zhuǎn)速采集-鉆孔-播種”循環(huán)過程，精準(zhǔn)控制農(nóng)田土壤自動(dòng)鉆孔播種節(jié)奏。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The overall structure block diagram of the system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 鉆孔播種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

鉆孔播種機(jī)構(gòu)是該系統(tǒng)的核心機(jī)械機(jī)構(gòu)，主要完成對(duì)田間土壤識(shí)別、鉆孔、定量播種等作業(yè)。機(jī)械結(jié)構(gòu)自上而下由種子存儲(chǔ)箱、排種鏈輪、調(diào)速電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、定向排土定位長(zhǎng)銷、排種口、螺旋鉆子構(gòu)成。具體的作業(yè)流程為：在拖拉機(jī)牽引帶動(dòng)下，鉆孔播種機(jī)構(gòu)進(jìn)入田間；機(jī)構(gòu)行至作業(yè)區(qū)域后，拖拉機(jī)自動(dòng)停止，機(jī)構(gòu)對(duì)土壤作業(yè)面進(jìn)行有效識(shí)別，并在傳動(dòng)系統(tǒng)的帶動(dòng)下驅(qū)動(dòng)螺旋鉆子由原位垂直下降，帶動(dòng)2 個(gè)鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆土，形成2個(gè)播種坑后，傳統(tǒng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)鉆頭上升至原位；待鉆頭回到原位后，啟動(dòng)排種口開關(guān)，在排種鏈輪的驅(qū)動(dòng)下，種子依次通過存儲(chǔ)箱、排種口、螺旋鉆子兩側(cè)排入深坑，完成整套作業(yè)動(dòng)作；待完成2個(gè)播種坑的作業(yè)后，拖拉機(jī)重新啟動(dòng)運(yùn)行至下一個(gè)作業(yè)點(diǎn)。上述鉆孔播種過程在PLC 程序控制下完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化作業(yè)，通過連接在機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部位的傳感器對(duì)鉆孔深度、直徑、播種量、螺旋鉆子上升下降限位進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，確保作業(yè)精度。

2.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC 輸入端的主要檢測(cè)位包括：螺旋鉆子1 上升限位傳感器（I0.3）、螺旋鉆子2上升限位傳感器（I0.5）、螺旋鉆子2下降限位傳感器（I0.2）、螺旋鉆子2 上升限位傳感器（I0.4）、排種口開關(guān)打開傳感器（I0.0）、鉆孔深度檢測(cè)傳感器（I0.1）、鉆孔直徑檢測(cè)傳感器（I0.6）。PLC 輸出端的主要檢測(cè)位包括：排種鏈輪驅(qū)動(dòng)線圈位（Q0.0）、螺旋鉆子1 上升接觸器線圈（Q0.2）、螺旋鉆子2 上升接觸器線圈（Q0.4）、螺旋鉆子1 下降接觸器線圈（Q0.1）、螺旋鉆子2下降接觸器線圈（Q0.3）、拖拉機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)線圈位（Q0.5）。設(shè)備螺旋鉆子部分的PLC 輸入輸出控制設(shè)計(jì)示意圖，見圖3。

圖2 鉆孔播種機(jī)構(gòu)機(jī)械設(shè)計(jì)圖Fig.2 The drawing of drilling and sowing mechanism

圖3 螺旋鉆子部分輸入輸出控制設(shè)計(jì)圖Fig.3 The diagram of input and output control of spiral drill sub part

2.3 提升下降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)備的提升下降機(jī)構(gòu)主要用于驅(qū)動(dòng)螺旋鉆子的上升下降動(dòng)作，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用了鉸鏈驅(qū)動(dòng)裝置，將其置于拖拉機(jī)后的連接板上，包括懸掛點(diǎn)、伸縮式連桿、螺旋鉆子、液壓缸等部件。其中，懸掛點(diǎn)是提升下降機(jī)構(gòu)與拖拉機(jī)之間的接觸點(diǎn)，用于對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行固定；伸縮式連桿用于調(diào)節(jié)提升下降機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)靈活度；液壓缸為機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力源。提升下降機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)同樣受PLC 程序的控制，運(yùn)動(dòng)判斷的依據(jù)來源于鉆子上升下降限位傳感器、鉆孔深度檢測(cè)傳感器、鉆孔直徑檢測(cè)傳感器3個(gè)邏輯位。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及應(yīng)用測(cè)試

3.1 梯形圖程序設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)梯形圖程序系統(tǒng)由主控程序、鉆孔播種子程序、拖拉機(jī)牽引調(diào)速子程序3 部分組成。其中，鉆孔播種子程序的執(zhí)行流程為：鉆頭上限位判斷-鉆頭下降-鉆頭下降至下限位-鉆孔-鉆孔參數(shù)達(dá)標(biāo)-鉆頭上升-鉆頭上升至上限位-排種口開關(guān)打開傳感器判斷-排種作業(yè)；拖拉機(jī)遷移調(diào)速子程序的執(zhí)行流程為：?jiǎn)?dòng)系統(tǒng)-拖拉機(jī)牽引帶動(dòng)設(shè)備運(yùn)行至鉆孔區(qū)域-拖拉機(jī)調(diào)速電機(jī)停止-等待鉆孔播種-鉆孔播種作業(yè)結(jié)束-拖拉機(jī)調(diào)速電機(jī)啟動(dòng)-拖拉機(jī)牽引帶動(dòng)設(shè)備運(yùn)行至下一個(gè)鉆孔區(qū)域-停止系統(tǒng)。系統(tǒng)主控梯形圖程序的執(zhí)行流程，見圖4。

圖4 系統(tǒng)梯形圖程序設(shè)計(jì)流程Fig.4 The program design flow of system ladder diagram

3.2 應(yīng)用測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，在寬50 m，長(zhǎng)70 m 的試驗(yàn)田內(nèi)進(jìn)行鉆孔播種試驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)過程中，設(shè)定拖拉機(jī)牽引運(yùn)行速度為低檔5 km/h，鉆孔直徑設(shè)置為10 cm，鉆孔深度設(shè)置為5 cm，隨機(jī)抽取5排種子鉆坑進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表1。

表1 鉆孔播種測(cè)試結(jié)果Tab.1 The test results of drilling and seeding

4 結(jié)語(yǔ)

田間測(cè)試結(jié)果表明：在預(yù)設(shè)值基礎(chǔ)上進(jìn)行自動(dòng)鉆孔播種作業(yè)的合格率為100%，漏播率為0%。整個(gè)鉆孔播種作業(yè)的自動(dòng)化程度較高，驗(yàn)證了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用性能優(yōu)異。隨著農(nóng)業(yè)自動(dòng)化作業(yè)程度不斷提升，基于自動(dòng)控制技術(shù)研發(fā)的農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備產(chǎn)品也將越來越多，對(duì)提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)的精度、效率和智能性會(huì)產(chǎn)生積極的作用。