一種PLC 聯(lián)合控制的小型播種機的設(shè)計與應(yīng)用

谷志鵬

（鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 451150）

隨著時代的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，農(nóng)業(yè)機械化作業(yè)水平越來越高，極大地降低了農(nóng)民勞動強度，成為提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的關(guān)鍵手段。播種是農(nóng)作物種植的重要環(huán)節(jié)之一，農(nóng)作物的播種質(zhì)量對其后期的生長狀況甚至產(chǎn)量都將產(chǎn)生極大影響。再加上我國地形多樣，耕地具有分散特點，單個農(nóng)戶的種植規(guī)模較小，因而小型播種機被廣泛應(yīng)用于播種作業(yè)中[1]。小型播種機的質(zhì)量及體積普遍較小，還需要具備大型播種機同樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能，在很大程度上增加了設(shè)計難度。最新研究表明，應(yīng)用新型結(jié)構(gòu)分析平臺構(gòu)建小型播種機的三維模型，動態(tài)仿真分析了重要零部件，在很大程度上優(yōu)化了機械布局，縮減了設(shè)計周期[2]?；谇叭搜芯砍晒?，改良設(shè)計小型播種機主要是為了提升播種作業(yè)質(zhì)量，實現(xiàn)機械性能相關(guān)指標(biāo)的優(yōu)化，控制播種深度、播種量與施肥量[3]。PLC 作為功能全面、性價比高，擁有較強抗干擾能力及可靠性的可編程控制器，在農(nóng)業(yè)機械上得以廣泛應(yīng)用。所以將PLC 聯(lián)合控制用于小型播種機的設(shè)計研究，并對其進(jìn)行實際應(yīng)用分析，測試播種深度、播種量與施肥量，控制精度，真正提升機械作業(yè)的智能化水平與作業(yè)效率。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

以小型自走式玉米播種機為例，選用48V32AH型蓄電池作為播種機的動力源，此電力裝置的安裝過程十分簡便，整體成本不高。電池驅(qū)動ZLC 型直流電機，最大轉(zhuǎn)速可達(dá)5 000 r/min，額定電壓為48 V，最大輸出功率可達(dá)1.5 W。在工作過程中，經(jīng)鏈條向地輪、播種單體與排肥器輸送工作動力，驅(qū)動輪主要為前輪，完成一個兩排播種作業(yè)，包括播種、施肥和土壤覆蓋多個階段。播種各行間隔為40 cm~60 cm，各列之間的間隔為20 cm~50 cm，播種深度為2 cm~5 cm。整體機械控制布局合理，結(jié)構(gòu)緊湊，0.1 hm2/h的操作效率適合小麥或玉米播種。

2 系統(tǒng)控制硬件配置

小型播種機硬件配置除了蓄電池、結(jié)構(gòu)裝置及傳動裝置外，還包括開溝器、播種單體、排肥器、系統(tǒng)控制模塊。在播種作業(yè)時，開溝器、排肥器、播種單體都是重要的作業(yè)部件，機體可提供主要動力，控制模塊可以實時調(diào)節(jié)，保證播種作業(yè)質(zhì)量[4]。系統(tǒng)控制模塊則由各類傳感器、PLC 及單片機組成聯(lián)合控制核心，這主要由于單片機有著極強的靈活性，可是其抗干擾能力整體不強，PLC 有著良好的抗干擾性與穩(wěn)定性，但是缺乏人機界面與系統(tǒng)兼容性，通過PLC 聯(lián)合單片機控制，可以極大地提升播種深度、播種量和控制精度。

1#PLC 控制站所負(fù)責(zé)的工藝包含了播種機運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息采集、處理與設(shè)備控制，由PLC 主機自動化協(xié)調(diào)控制播種環(huán)節(jié)，包括耕地、排種、填土、壓實、灌溉等，實現(xiàn)主機自動化控制，保證系統(tǒng)順暢運行。

2.1 PS307 5A電源模塊

該模塊主要負(fù)責(zé)向自動化控制系統(tǒng)的其他功能模塊供電，轉(zhuǎn)換120/230 V 交流電壓獲得24 VDC 的額定工作電壓，5 A 額定電流輸出值，在1 號機架位置安裝電源模塊，運用LED指示器輸出24 V 直流電。假若控制24 V 正常額定輸出電壓值，那么電量LED指示燈呈綠色；反之，如果過載輸出電路電壓值，LED指示器則會閃爍。長期固定輸出電流值在5 A~7 A 之間，降低電壓輸出值，延長電源的使用期限。在超出7 A 電流值時，會在降低電壓之后自動回復(fù)，假若輸出短路則會導(dǎo)致電壓為0，LED 指示器亮度減弱，在短路消失之后即可自動恢復(fù)電壓。

2.2 6ES7 314-FA10-0AB0中央處理器

該CPU 處理器的最小執(zhí)行時間為0.1 s，達(dá)到48 MB RAM集成，運用MMC 能夠擴(kuò)大該系統(tǒng)的裝載存儲器容量至8 MB；定時器以及計數(shù)器共計有256 個，靈活設(shè)計拓展接口能夠與1 024 數(shù)字量以及256 模擬量I/O 接口相連接；擁有多接口可滿足32 個網(wǎng)絡(luò)站點的建立，達(dá)到19.2 kbit/s~12 Mbit/s 的網(wǎng)絡(luò)通信速率，一般在設(shè)計中為187.6 kbit/s 左右。

2.3 IM360/IM361接口

控制多個播種單體時，該小型播種機自動化控制的接口模塊設(shè)計用于擴(kuò)招儀表機架和主儀表機架之間的連接功能，該接口型號配置設(shè)計能夠最多實現(xiàn)3個外擴(kuò)機架和主機架之間的連接，每一個接口要求接通24 V 外部電源電壓。

2.4 ET200M遠(yuǎn)程控制

該小型播種機為自動化聯(lián)合控制，設(shè)計了ET200M 控制站，3 臺均經(jīng)I/O 分布式實現(xiàn)現(xiàn)場儀表信號采集，向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)送中央控制器的具體控制指令。選用了西門子PS307 電源接口模板作用于ET200M，以實現(xiàn)主站、從站之間的有效連接，對于PR0FIBUS-DP冗余系統(tǒng)比較適用。

3 系統(tǒng)監(jiān)測及控制功能實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)監(jiān)測控制

為了充分提升小型播種機的整體性能，與PLC監(jiān)測控制技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，充分提高播種深度與播種精度，經(jīng)PLC 將遠(yuǎn)程控制播種信息向遠(yuǎn)程控制室實時反饋，提升玉米播種機的智能化與自動化程度，優(yōu)化改造播種機開溝器，提升播種作業(yè)的自動化程度[5]。

播種作業(yè)過程中，仿形輪會在地表上下浮動，經(jīng)傳感器向PLC 傳遞位移信號，之后PLC 即可計算實際的開溝深度，根據(jù)實際測量的開溝深度對比預(yù)設(shè)深度，運用PLC 輸出下一階段的執(zhí)行動作。運用四連桿結(jié)構(gòu)對開溝深度進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)開溝深度滿足所要求的深度時停止調(diào)節(jié)，即可實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)的整個過程。不僅如此，為了充分提升玉米播種精度，優(yōu)化改造排種器結(jié)構(gòu)，將傳感器與PLC 控制器安裝在導(dǎo)種輪上[6]，即可向PLC 迅速傳遞轉(zhuǎn)速信號，由PLC 計算可得實際導(dǎo)種輪轉(zhuǎn)速，對比實際所測轉(zhuǎn)速與預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速，PLC 輸出下一步的執(zhí)行動作。運用驅(qū)動電機調(diào)整排種輪轉(zhuǎn)速，一旦滿足所要求的深度即可停止調(diào)節(jié)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)過程。

3.2 控制功能的軟件設(shè)計

選用STEP7 編程軟件，作為可以運用于PLC 組態(tài)編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包，其能夠提供所需的一系列工具，包括編程語言、SIMATIC 管理器、硬件及網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、符號編輯器、診斷等。根據(jù)該軟件包的硬件網(wǎng)絡(luò)組態(tài)功能，可以使電力儀表自動化控制更直觀、簡便、易修改，不僅如此，還能夠滿足在線編程、離線編程的便捷操作，方便管理人員根據(jù)實際工作需要創(chuàng)建自動化的便捷解決方案。

該項目具有創(chuàng)建自動化控制具體任務(wù)的相應(yīng)解決操作方案的存儲功能，可以設(shè)計并最終生成相應(yīng)的操作程序與有關(guān)數(shù)據(jù)，主要包括了硬件結(jié)構(gòu)相關(guān)模板參數(shù)以及組態(tài)數(shù)據(jù)，設(shè)計網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)數(shù)據(jù)和相關(guān)編程均在同一項目中收集[7]。在組件過程中，需要充分借助模板樣本來定義可編程控制器的CPU 處理器與各系統(tǒng)功能，可以雙擊硬件組態(tài)啟動相應(yīng)程序。對于硬件存儲推出組態(tài)，可以各自生成組態(tài)相應(yīng)的可編程功能模板，最終成功生成能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可編程功能模塊自定義通信連接的連接表及相應(yīng)的操作程序。在成功完成硬件組態(tài)之后，即可生成模塊編程軟件，在相應(yīng)的對象文件夾內(nèi)存儲可編程軟件，命名為“S7-Program”。對于該程序的子功能菜單，能夠使軟件操作用戶根據(jù)自動化控制功能所需，選擇想要生成的數(shù)據(jù)塊、功能塊等，成功創(chuàng)建一個空白塊之后，設(shè)計相應(yīng)的語句表、功能圖以及梯形圖等程序并輸入即可。

3.3 系統(tǒng)通信控制

建立上位和下位計算機之間的通信連接和配置設(shè)計。通信連接通過TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行，在啟動后或通信中斷的自動檢測后，下位的計算機自動進(jìn)入通信連接建立狀態(tài)，即下級計算機通過UDP 協(xié)議向上級計算機發(fā)送循環(huán)連接請求。如果上面的計算機成功接收啟動請求，再建立客戶端和PLC 之間的連接，就可以向下面的計算機正常發(fā)送信號。在設(shè)計系統(tǒng)自動化控制程序之前，首先設(shè)定系統(tǒng)的驅(qū)動器和軸，再啟動設(shè)定設(shè)計程序，插入新裝置后，編譯設(shè)定，并可在編譯過程中設(shè)計基本參數(shù)，主要包括控制模式、電機功率模塊、電機、編碼器、驅(qū)動速度、通信格式等[8]。

設(shè)計二分配置層的硬件，構(gòu)成PLC 控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)視功能，包含控制通信網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程客戶端和移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為3 層，分別為控制部層、服務(wù)器層、進(jìn)行機械層[9]。根據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)視檢測器的實際動作狀態(tài)，經(jīng)由便攜電話的SMS 發(fā)出特定的控制執(zhí)行命令，動態(tài)地調(diào)整檢測器的執(zhí)行動作，實現(xiàn)檢測器的遠(yuǎn)程操作控制[10]。

4 PLC聯(lián)合監(jiān)測控制的小型播種機性能測試

為了對應(yīng)用PLC 技術(shù)的小型播種機性能進(jìn)行驗證，進(jìn)行PLC 遠(yuǎn)程監(jiān)測控制及播種機性能測試，包括實時數(shù)據(jù)、播種性能參數(shù)監(jiān)測[11-13]。為了方便對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，選用機械式播種機作為測試樣機，在數(shù)據(jù)監(jiān)測后即可得到一系列的播種機相關(guān)數(shù)據(jù)[14-16]。

根據(jù)排種輪的轉(zhuǎn)速監(jiān)測情況，能夠發(fā)現(xiàn)排種輪在調(diào)整轉(zhuǎn)速之前保持平穩(wěn)運行，調(diào)整轉(zhuǎn)速過程中的時間差整體較短，在調(diào)整之后依然有平穩(wěn)轉(zhuǎn)速。對播種機進(jìn)行8 次重播率測試，結(jié)果如表1 所示，播種精度測試結(jié)果顯示，通過8 次測試，播種機有著比較穩(wěn)定的漏播率與重播率，整體測試值均低于1%，可以滿足小型播種機的精密播種要求。

表1 播種精度結(jié)果

5 結(jié)論

綜上，設(shè)計了一種PLC 聯(lián)合控制的小型播種機，由W77E58 型單片機與西門子S7-200 型PLC 技術(shù)實現(xiàn)具體功能，對小型播種機的播種精度與監(jiān)測控制進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)運用PLC 技術(shù)明顯提升了小型播種機的智能化水平，有著較好的播種精度，播種機有著比較穩(wěn)定的漏播率與重播率，整體測試值均低于1%。因此，運用PLC 聯(lián)合控制技術(shù)提高小型播種機的播種質(zhì)量，對我國未來農(nóng)業(yè)機械化水平提升意義重大。