煙草精密播種機播種量控制系統設計

吉武俊　張亮亮

摘要： 播種機播種質量的優劣對農作物產量有直接的影響。目前我國的播種機多采用機械結構，造成播種量不易調節、播種不均勻。為了實現播種量可以隨意調節的目的，設計了一種以PLC為主控模塊的控制系統，通過霍爾傳感器監測播種機的行走速度，將傳感器的值與步進電機的轉速通過PLC進行控制和調節，通過觸摸屏將播種機的行走速度、播種量和步進電機的轉速顯示出來。通過實際試驗數據可以看出行距均勻，播種量誤差小于2%，能夠實現農作物需要的播量。

關鍵詞： 煙草；播種機；PLC；傳感器；步進電機

中圖分類號： TP273 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）08-0400-03

在我國，農業生產的自動化和智能化程度是農業發展的重要指標，智能播種機的出現提高了播種的質量和效率，播種效果良好，間距均勻，單位面積播種量誤差小。本研究設計了一種煙草精密播種機播種量控制系統，采用PLC為主控制系統，PLC主要用于工業控制、抗干擾能力好，通過現場試驗數據可以看出控制精度較高，使用霍爾測速傳感器檢測播種機的行走速度，將這個動態的速度傳送給PLC進行分析計算后輸出，步進電機接受這個數值調節自己的轉速，最終實現播種機的前進速度和步進電機的速度可控可調 [1]。為了使播種量穩定可調，當播種機的行走速度發生變化時，步進電機的轉速也發生相應的改變，這樣播種量的誤差減小，行距均勻。此系統成功解決了機械傳動播種時出現的問題，播種量可控可調，播種效果良好，達到農藝要求，實現了播種機的智能化控制，可以在農業生產中廣泛推廣。

1 系統總體設計方案

通過對國內外播種機現狀的分析和研究，結合我國現有播種機在機械方面的優勢和不足，提出了以PLC作為控制系統核心的控制理念，通過PLC分析霍爾傳感器檢測的數據控制步進電機的轉速，使兩者保持同步的關系，最終實現播種量可調 [2]。當霍爾傳感器把播種機的行走速度傳送給可變編程控制器PLC后，PLC通過程序對該信號進行處理，使其轉變為步進電機能夠接受的控制信號，控制信號通過步進電機驅動器細分后就可以得到步進電機的轉速。系統總體設計方案如圖1所示。此系統由霍爾傳感器、主控模塊PLC、I/O接口模塊、執行機構模塊等部分組成，主要工作任務是完成數據的接受、分析計算、輸出控制步進電機等。該系統使用霍爾轉速傳感器檢測播種機的行走速度，用步進電機作為執行機構來控制播種裝置轉動，提高播種的質量。此系統還可以通過觸摸屏對播種量、行距等參數進行控制和重新設定，使用方便 [3]。

2 控制系統硬件選擇

2 1 PLC的選擇

市面上可供選擇的可編程控制器PLC很多，不同國家和廠家的PLC型號指令各不相同、不可通用，我國主要使用的PLC是德國西門子和日本三菱品牌，這2個品牌的PLC資料齊全，軟硬件完整。本研究設計的系統根據需要選擇德國西門子S7-200型可編程控制器PLC。西門子PLC編程指令較三菱的簡單，過程控制和通信控制是西門子PLC的強項，西門子PLC擴展模塊中模擬量模塊價格相對便宜，執行指令速度較快，一般在0 8～1 2 ms；存儲器容量為2 kb；數字量有248個點；模擬量有35路。

PLC輸入模塊采用24 V直流電壓，傳感器、手動開關、限位開關及編碼器可以直接連接到PLC的輸入點，把PLC的控制信號轉變為CPU能夠接受及處理的數字信號。圖2為PLC 的輸入電路，由于此系統是使用在播種機上，播種機上的電瓶輸出低電壓，所以PLC選擇采用24 V直流電壓。為了提高抗干擾能力，輸入電路采用光電耦合電路隔離，光電耦合主要由發光二極管以及光電三極管組成。當輸入信號閉合后，光電耦合器接通，把外部傳感器檢測的信號輸入到PLC內部。

西門子PLC的輸出模塊有繼電器輸出形式和晶體管輸出形式，主要作用是將輸入PLC的信號通過CPU處理后的控制信號轉化為現場需要的強電信號輸出。輸出多選用接觸器、電磁閥等外部設備。本研究設計的系統使用晶體管輸出形式，所以負載電路的電壓是24 V直流電。如果有輸出信號時，光電耦合器接通，晶體管有輸出信號，輸出電路接通，負載開始工作（圖3） [4]。 2 2 觸摸屏的選取

人機界面是完成操作者和設備之間的輸入、傳送、接受信息的一個接口裝置，主要實現人和設備信息交互，是實現自動化控制的一部分。觸摸屏是人機交互輸入部分的新型設備，是一種可輸入、可操作的設備，可以通過串行接口進行通信 [5]，串行通訊接口如表1所示。可以實時反映PLC上的狀態，對PLC內部存儲器進行一些讀寫操作。觸摸屏由4部分（液晶顯示、控制模塊、觸摸面板、數據存儲模塊）組成，可以模擬顯示開關、按鈕、指示燈等，這些功能可基本替代一些電氣元件的功能，適用于一些惡劣環境，替代普通的計算機作為人機交互界面，具有人機交互性好、可靠性較高、編程比較簡單、和PLC通訊方式簡便等優點。本研究設計的系統人機界面使用西門子Smart 700型觸摸屏，具有編程簡單、實時性較好、功能強大、可靠性較高、通訊簡單、使用壽命較長、兼容性較好等優點。

2 3 傳感器模塊電路

檢測系統由傳感器、測量轉換電路、執行機構、顯示裝置等構成。傳感器是其中重要的組成部分，對整個系統的性能起決定性作用。霍爾傳感器集成度高、體積小、安裝簡便、價格便宜，可在惡劣的環境中使用，根據測速原理分為接觸式和非接觸式2種。霍爾傳感器應用霍爾效應實現磁電轉換，但是體積比普通磁電傳感器小很多，外圍電路簡單、集成度高，因此在測速場合中多使用霍爾傳感器非接觸式測量。該速度傳感器主要由霍爾速度傳感器、永久磁鐵、葉輪3個部分組成 [6]。當葉片旋轉時霍爾傳感器就會收到脈沖磁場，會有接通和斷開的動作。傳感器原理圖如圖4所示?；魻杺鞲衅魇褂?2 V電源電壓，為了和單片機的5 V電壓相連，使用D1穩壓管降壓，為了加強霍爾傳感器輸出負載的大小，給霍爾傳感器3端口加了一個上拉電阻R1。endprint

由于PLC收取傳感器信號進行處理和計算，輸出控制步進電機和播種機的速度保持一定的對應關系，所以就要求傳感器的信號實時準確，由于西門子PLC內部有計數器CTU和定時器TON，傳感器的輸出脈沖相當于1個編碼器，西門子PLC可以直接收取這些信號。

2 4 步進電機模塊控制電路

步進電機能夠實現良好的定位功能，同時具有價格不高、編程簡單等優點，廣泛應用在數控定位系統中。步進電機相當于1個能產生電磁轉矩的電磁鐵，電機的氣隙厚度產生電磁導線。其工作原理是將數字式脈沖信號轉變為角位移的執行機構，轉過的角度與脈沖個數直接相關，收到1個脈沖就會移動1步，能夠實現準確定位。步進電機控制系統如圖5所示。編程時需要將位移的角度轉換成脈沖個數送入步進電機。

步進電機在實際控制電路中，由于受到機械摩擦以及制造方面的精度影響，會對其定位精度產生很大的影響，為了克服這些影響，在實際使用中需要配合驅動器實現精度的控制。本研究使用DQ2722M型驅動器，主要是對步進電機的電流進行細分，初始電流1 2 A，最高電流7 0 A，中間分為16個檔位，由于該步進電機需要裝在播種機上，播種機需要大的輸出轉矩，所以選擇電流6 5 A。要使驅動器的細分端子D1、D2、D3、D4為ON、ON、ON、OFF狀態，PLC和步進電機驅動器之間需要使用保護電阻，防止大電流對驅動器的損壞，從而影響步進電機的正常工作 [7]。接口電路如圖6所示。 3 軟件設計

根據播種機播種量的控制要求，確定主程序的總體思路。主程序的功能是收集傳感器的檢測信號傳送給PLC內部進行處理計算，輸出控制步進電機的速度，最終實現播種機的前進速度與步進電機的速度保持一致，這樣就能保證播種機速度發生變化時單位面積播種量誤差不大，最終實現兩者之間的一種隨動關系。主流程如圖7所示。

4 展望

該播種機的設計是針對煙草種植，也可推廣到其他農作物的播種現場中。

播種機播種量的精度有待提高，減小誤差率，可通過試驗數據的反復驗證，得出更加準確的步進電機和播種機之間的速度對應關系。

由于步進電機使用的是低速電機，電機的振動對播種量的精度會有影響，可以選用更加穩定的傳感器和電機。

參考文獻：

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