玉米播種機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

侯亞娟

(焦作技師學(xué)院,河南 焦作 454000)

0 引言

玉米作為世界上重要的糧食作物之一,是一種多用途的作物,不僅為人類提供主要食物來源,還用于飼料、工業(yè)原料和生物能源的生產(chǎn)[1-3]。玉米在全球糧食供應(yīng)中占有顯著地位,在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展中起到了重要作用。

在傳統(tǒng)玉米種植過程中,播種深度不均勻可能導(dǎo)致作物生長(zhǎng)不一致,進(jìn)而影響產(chǎn)量和質(zhì)量[4]。此外,農(nóng)民在操作傳統(tǒng)播種機(jī)時(shí)人工勞動(dòng)強(qiáng)度大[5-6]。勞動(dòng)密集型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不僅增加了勞動(dòng)力成本,還會(huì)限制勞動(dòng)力的吸納,尤其是在一些地區(qū),這可能導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模和效率受到限制。

因此,基于PLC技術(shù),設(shè)計(jì)一種玉米播種機(jī)電氣控制系統(tǒng),結(jié)合自動(dòng)控制算法,進(jìn)一步提高玉米播種機(jī)的作業(yè)效率,改善播種質(zhì)量,并通過田間試驗(yàn)驗(yàn)證其有效性和可推廣性。研究結(jié)果成為提高玉米播種機(jī)效率及產(chǎn)量提供新得發(fā)展思路。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)要求

玉米播種機(jī)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)玉米播種作業(yè)要求如表1所示[7-8],玉米播種最佳間距通常為30～35 cm,間距合格率、漏播率和重播率的控制是確保播種精確性和效率的關(guān)鍵因素。合格的間距合格率表示絕大多數(shù)種子都被按照所需間距播種,而較低的漏播率和重播率則表明減少了種子的浪費(fèi)和不均勻分布。這些要求有助于提高產(chǎn)量、降低生產(chǎn)成本,并促進(jìn)玉米種植的可持續(xù)性。

表1 玉米播種機(jī)性能指標(biāo)

1.2 控制方案

針對(duì)玉米播種機(jī)控制要求,本文采用基于PLC技術(shù)的電氣控制系統(tǒng),主要分為玉米播種株距控制和振幅控制兩個(gè)關(guān)鍵部分。

1.2.1 播種株距控制

播種株距是關(guān)鍵參數(shù),直接控制玉米植株之間的間距,從而影響作物生長(zhǎng)。在電氣控制系統(tǒng)中,通過PLC技術(shù)自動(dòng)調(diào)整播種機(jī)工作參數(shù),實(shí)現(xiàn)所需的播種株距,同時(shí),傳感器可以監(jiān)測(cè)播種株距,并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋給PLC控制器,以便及時(shí)調(diào)整和修正。主要控制原理如圖1所示。

圖1 基于PLC技術(shù)下玉米株距控制原理

1.2.2 播種振幅控制

振幅控制是確保種子均勻分布的關(guān)鍵因素,直接影響播種的均勻性和質(zhì)量。在電氣控制系統(tǒng)中,智能控制系統(tǒng)可以根據(jù)土壤特性和播種需求,自動(dòng)調(diào)整播種機(jī)的振幅,以確保種子的均勻分布,同時(shí),傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)振幅,并將數(shù)據(jù)反饋給PLC控制器,以便隨時(shí)調(diào)整振幅參數(shù),確保漏播率和重播率都控制在≤5%[9],控制原理如圖2所示。

圖2 基于PLC技術(shù)下玉米播種機(jī)振幅控制原理

2 硬件設(shè)計(jì)與選型

玉米播種機(jī)智能控制系統(tǒng)硬件部分以PLC為核心,通過采集工作速度、播種機(jī)振幅信息等完成對(duì)各個(gè)作業(yè)部分的控制,本文將硬件部分劃分為主控系統(tǒng)、信息采集模塊、報(bào)警電路模塊。

2.1 主控系統(tǒng)

玉米播種機(jī)主控系統(tǒng)是智能控制系統(tǒng)的核心,負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)、調(diào)整和協(xié)調(diào)各個(gè)部分,以確保播種機(jī)的正常運(yùn)行和達(dá)到播種目標(biāo)。主控系統(tǒng)負(fù)責(zé)收集來自各種傳感器的數(shù)據(jù),包括土壤特性、播種機(jī)狀態(tài)、種子流量等信息,這些數(shù)據(jù)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)播種過程,并作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)用于后續(xù)的控制決策;控制算法用于分析傳感器數(shù)據(jù)、計(jì)算目標(biāo)參數(shù)(如株距、振幅等)并制定控制策略,同時(shí)考慮土壤條件、作物需求和其他因素,以優(yōu)化播種結(jié)果。主控系統(tǒng)通過執(zhí)行器控制播種機(jī)各個(gè)部分,以調(diào)整播種株距、振幅和其他參數(shù)。可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)播種過程,并根據(jù)傳感器反饋的信息不斷調(diào)整播種機(jī)的操作,確保播種精確性和一致性,主控系統(tǒng)會(huì)提供友好的用戶界面,使操作員能夠監(jiān)控播種機(jī)的狀態(tài),設(shè)置參數(shù)并進(jìn)行故障排除。主控系統(tǒng)負(fù)責(zé)記錄播種過程的數(shù)據(jù),包括播種數(shù)量、株距、振幅和其他關(guān)鍵參數(shù),以便用于后續(xù)分析、報(bào)告和管理,自動(dòng)化功能允許播種機(jī)在不需要人工干預(yù)的情況下自主進(jìn)行操作,以提高生產(chǎn)效率并減輕操作員的工作負(fù)擔(dān)。

S7-200是西門子(Siemens)公司生產(chǎn)的一款PLC控制器,廣泛用于工業(yè)自動(dòng)化和控制系統(tǒng)中,具有穩(wěn)定性高、可靠性好、性能優(yōu)越以及豐富的通信和擴(kuò)展能力等特點(diǎn),適用于各種自動(dòng)化控制應(yīng)用。因此,本文選擇西門子S7-200作為主處理器[10]。

2.2 信息采集模塊

信息采集模塊允許控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和處理來自不同傳感器和設(shè)備的信息,以支持自動(dòng)控制和決策,通常與PLC、SCADA系統(tǒng)或其他控制器一起使用,用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理的功能。本研究信息采集模塊傳感器類型、布置方案及物理連接方式如表2所示。

表2 基于PLC玉米播種機(jī)信息采集模塊的設(shè)計(jì)

2.3 報(bào)警電路模塊

報(bào)警電路模塊是玉米播種機(jī)智能控制系統(tǒng)中重要的一部分,用于監(jiān)測(cè)和報(bào)警關(guān)鍵事件或異常情況。電路設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)如表3所示。

表3 報(bào)警電路設(shè)計(jì)方案

3 自動(dòng)控制算法的實(shí)現(xiàn)

本文使用Python的matplotlib庫(kù)編寫控制算法程序,結(jié)果在控制顯示臺(tái)進(jìn)行顯示,控制算法控制邏輯和操作代碼如下,“record_state”用于記錄每個(gè)時(shí)間步的播種機(jī)狀態(tài),然后plot_results使用“matplotlib庫(kù)”在控制臺(tái)中繪制圖形,表示電機(jī)速度和播種機(jī)狀態(tài)的變化。播種機(jī)的狀態(tài)通過時(shí)間的步驟進(jìn)行記錄,最后在程序運(yùn)行結(jié)束后,調(diào)用plot_results來顯示圖形。

3 自動(dòng)控制算法的實(shí)現(xiàn)

本文使用Python的matplotlib庫(kù)編寫控制算法程序,結(jié)果在控制顯示臺(tái)進(jìn)行顯示,控制算法控制邏輯和操作代碼如下,“record_state”用于記錄每個(gè)時(shí)間步的播種機(jī)狀態(tài),然后plot_results使用“matplotlib庫(kù)”在控制臺(tái)中繪制圖形,表示電機(jī)速度和播種機(jī)狀態(tài)的變化。播種機(jī)的狀態(tài)通過時(shí)間的步驟進(jìn)行記錄,最后在程序運(yùn)行結(jié)束后,調(diào)用plot_results來顯示圖形。

import time

import matplotlib.pyplot as plt

class CornSeeder:

def __init__(self):

self.motor_speed = 0

self.seed_dispenser = False

def start_motor(self,speed):

print(f"啟動(dòng)電機(jī),速度:{speed}")

self.motor_speed = speed

def stop_motor(self):

print("停止電機(jī)")

self.motor_speed = 0

def dispense_seed(self):

print("播種")

self.seed_dispenser = True

def stop_dispenser(self):

print("停止播種")

self.seed_dispenser = False

class ControlSystem:

def __init__(self,seeder):

self.seeder = seeder

self.time_steps =[]

self.motor_speeds =[]

self.seed_dispenser_status =[]

def record_state(self,time_step):

self.time_steps.append(time_step)

self.motor_speeds.append(self.seeder.motor_speed)

self.seed_dispenser_status.append(self.seeder.seed_dispenser)

def plot_results(self):

plt.figure(figsize=(10,5))

plt.subplot(2,1,1)

plt.plot(self.time_steps,self.motor_speeds,label='Motor Speed')

plt.xlabel('Time (s)')

plt.ylabel('Motor Speed')

plt.legend()

plt.subplot(2,1,2)

2000級(jí)曼巴扎倉(cāng)第一屆醫(yī)學(xué)生久麥多杰，32歲，梳著一個(gè)略顯花白的小辮子，他在共和縣開了一家藏醫(yī)診所，當(dāng)曼巴扎倉(cāng)的病人太多時(shí)他就回來分擔(dān)活佛壓力。他回顧10年的學(xué)醫(yī)生涯時(shí)說：

plt.step(self.time_steps,self.seed_dispenser_status,where='post',label='Seed Dispenser')

plt.xlabel('Time (s)')

plt.ylabel('Seed Dispenser Status')

plt.legend()

plt.tight_layout()

plt.show()

def run(self):

print("啟動(dòng)播種機(jī)控制系統(tǒng)")

self.seeder.start_motor(100)

self.record_state(0)

time.sleep(2)

# 模擬播種過程

self.seeder.dispense_seed()

self.record_state(2)

time.sleep(5)

self.seeder.stop_dispenser()

self.record_state(7)

# 停止播種機(jī)

self.seeder.stop_motor()

self.record_state(12)

print("播種機(jī)控制系統(tǒng)停止")

self.plot_results()

# 實(shí)例化播種機(jī)和控制系統(tǒng)

seeder = CornSeeder()

control_system = ControlSystem(seeder)

# 運(yùn)行控制系統(tǒng)

control_system.run()

-結(jié)束播種操作

4 田間試驗(yàn)

基于電氣自動(dòng)化的玉米播種機(jī)智能控制系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)果如表4所示,表明系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計(jì)和性能要求,具備高度的穩(wěn)定性和可靠性,以確保高效的播種操作。

表4 性能測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

通過對(duì)傳統(tǒng)玉米播種機(jī)存在的播種深度不均勻、人工勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題的分析,本文提出了一種基于電氣自動(dòng)化技術(shù)的玉米智能播種機(jī)控制方案,該方案采用了傳感器技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)和自動(dòng)化控制算法,以改善播種機(jī)的性能和效率。選擇西門子S7-200PLC控制器作為核心控制單元,配備了各種傳感器和執(zhí)行器,以實(shí)現(xiàn)對(duì)播種深度、播種速度、土壤濕度、種子流量和振幅等參數(shù)的智能控制。

性能測(cè)試結(jié)果表明,玉米播種機(jī)智能控制系統(tǒng)在播種深度均勻性、控制精度、濕度檢測(cè)準(zhǔn)確性、流量均勻性、報(bào)警可靠性、響應(yīng)時(shí)間、振幅控制等關(guān)鍵性能方面表現(xiàn)出色。系統(tǒng)不僅提高了播種機(jī)的自動(dòng)化水平,還減輕了農(nóng)民的勞動(dòng)負(fù)擔(dān),從而提高了玉米生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。