基于PLC的玉米播種機設計與試驗

胡元乾

(重慶三峽職業學院，重慶 萬州 404155)

0 引言

玉米的凈光合速率比小麥和水稻高出2～3倍，因此產量相對較高。玉米的營養物質以淀粉、蛋白質和脂肪為主，還含有人類所需的大量氨基酸，具有很高的應用價值，成為重要的糧食作物。此外，玉米還可以被加工成輕工業品、醫藥和飼料，是用途廣泛的經濟作物。我國玉米歷年來的種植面積和消費規模都很龐大，在國民經濟中占有重要的地位[1]。

播種作業的季節性強，勞動強度大，是玉米生產過程中一個耗時費力的環節。播種質量對玉米出苗率和整齊度有較大的影響，從而影響到最終的產量。傳統種植模式中的玉米播種由人工完成，不僅效率低，勞動強度大，播種質量也無法得到保證，不能滿足現代農業的要求。機械化程度是農業發展水平的體現，加快推進機械化符合農業現代化的趨勢。玉米機械播種的過程是將種子按照設定的行間距播到田里，再覆土掩埋，功能齊全的機械還能完成施肥作業[2]。

玉米播種機可以代替人工快速地完成播種，作業質量也較高，還節省用種量，是玉米生產中不可缺少的農業機械。為了滿足實際生產的需求，我國開發出了多種類型的玉米播種機，以適應不同的種植區域和模式。任文濤等研制了一種帶有施水和施肥功能的小型播種機，可以用于干旱地區的玉米種植[3]。趙建托等設計了全膜覆蓋的雙壟直插播種裝置，并應用在玉米播種機上[4]。徐良等對粒距的變異系數進行了研究，為適用于山地丘陵的小型玉米播種機型號選擇提供了依據[5]。趙靜等通過優化液壓系統的結構，設計出折疊式的免耕玉米播種機[6]。這些機械的開發提升了我國玉米生產的技術水平，是玉米高產穩產的重要保證。

我國玉米播種機已呈現出良好的發展局面，但在實際應用中仍暴露出一些問題，主要體現為部分性能沒有完全成熟，對播種作業質量造成了影響。首先是排種器的容量固定，一次性容納的不同玉米品種種子數量各異，排種的精度無法保證。其次，部分型號機械的播種株間距不能調整，降低了對玉米品種和種植習慣的適應性。另外，當田間作業環境較為惡劣時，玉米播種機會出現種箱排空和導種管堵塞的現象，若不能及時發現并解決，則會造成大面積的漏播[7]。此外，還會出現地輪打滑而影響播種精度的問題[8]。

為解決上述的問題，可以在播種機的設計階段對其機械部件進行優化，從而獲得合理的結構布局。對于現有的機械，可以加載智能化的監測和控制系統，及時發現并排除問題。目前，玉米播種機智能監測和控制系統有多種類型，核心部件包括單片機、PLC和傳感器等，推動了玉米播種機性能的提升[9-10]。

PLC全稱為可編程序控制器，是一種數字運算的電子操作系統，采用可編程序存儲操作指令，通過傳輸數字和模擬信號來控制機械或生產過程。PLC操作簡單，可靠性和性價比高，在工業生產的機械自動控制中具有明顯的優勢。PLC被安裝在農業機械或設施上，可以實現對變量施肥、穴盤苗移栽及溫室生態條件的精確控制[11-13]。PLC也被用來設計玉米播種機的監測和控制系統，實現了對機械作業質量和行駛方向的精確控制[14]。

為了加深PLC與玉米播種機的整合程度并提高適應能力，本文利用傳感器采集播種機的工作狀態，由PLC分析后生成指令，對播種機的播種深度和排種精度進行控制，并對種箱排空和導種管堵塞引起的漏播進行報警。最后，通過試驗驗證PLC的監測和控制效果，以提高播種機的智能化水平。

1 總體設計和組成部分

1.1 總體設計

機械平臺是RN-Z02型玉米播種機，采用傳動軸式，集播種、施肥和覆土的功能于一體。播種機同時播種3行，行距為45～60cm，株距為16～32cm，最佳播種深度15cm。播種機由1臺東方紅LX604型拖拉機牽引并提供電源，拖拉機前輪輪距160cm，后輪輪距200cm，最小離地間隙32cm，額定功率45kW，行進速度2.0～33.5km/h，最大牽引力為22.5kN，可與RN-Z02型玉米播種機配套使用。

PLC控制器作為核心，與播種機的監測模塊和控制模塊連接，接收監測模塊發來的數據，分析后形成控制指令發送給控制模塊。監測模塊由各型傳感器組成，安裝在播種機的運動部件上用于采集播種機作業過程中的狀態信息，并發送給PLC控制器。控制模塊由驅動電機、馬達和報警裝置組成，安裝在控制執行部件上，接收PLC控制發來的指令后執行對播種機的控制操作。

1.2 組成部分

PLC控制器選用三菱FX3U型，內置的計數器可以捕捉10kHz的脈沖信號，還具有8 000點的數據存儲單元，適用電源為12V的直流電。PLC的內部構成主要為中央處理器CPU、存儲器和編程器。輸入輸出接口數量分別為14個和10個，輸入接口將各種信號轉化為標準邏輯電平，輸出接口則輸出電信號，如圖1所示。

監測模塊包括位移傳感器、霍爾傳感器和光電傳感器。位移傳感器為深圳信為公司的SDVG17型分體式LVDT傳感器，安裝在仿形輪支架上測量隨地表上下浮動的位移信號。霍爾傳感器為HAL41F型，安裝在導種輪上監測轉動信號，PLC根據轉動脈沖信號計算導種輪的實際轉速。光電傳感器為基恩士PS-56R型紅外對射傳感器，安裝在導種管的末端，檢測單粒玉米種子落下時的高平電信號。

圖1 PLC控制器的結構Fig.1 Structure of the PLC controller

控制模塊中用于校正播種深度的部件是驅動電機和四連桿結構，能夠對開溝器的位置進行調節。馬達安裝在導種輪上，利用轉動方向調整導種輪的轉速，從而控制播種精度。報警器與顯示屏整合在一起，安裝在牽引拖拉機上，在種箱排空或導種管堵塞時啟動聲光報警，如圖2所示。

圖2 監測和控制系統的組成部分Fig.2 Components of monitoring and controlling system

2 工作原理

播種機的播種深度和株間距在顯示屏上設定，對種箱排空的認定條件是低平電信號的持續時間達到2s，對導種管堵塞的認定條件是高平電信號的持續時間達到2s。PLC按照設定的運算方式，以采集的播種機狀態信息為基礎進行邏輯判斷，然后形成控制指令發送給執行部件實現對機械的自動控制。在播種機作業過程中，PLC還會對相關數據信息持續進行匯總和存儲。

播種深度即實際的開溝深度，由位移傳感器測量仿形輪隨地表上下移動所產生的位移信號，PLC將實際的開溝深度與設定播種深度比較，確定兩者之間的差異；驅動電機和四連桿結構按照PLC的指令改變開溝器的位置，校正播種深度。播種的株間距由導種輪決定，霍爾傳感器檢測導種輪轉動的脈沖信號，PLC根據轉動信號和機械行駛速度計算株間距，并與設定值比較；驅動電機按照PLC的指令調整轉動方向和速度，校正導種輪的轉速以便維持設定的株間距。光電傳感器產生的低平電信號或高平電信號持續時間達到設定的閾值時，PLC認定出現種箱排空或導種管堵塞的情況，自動啟動聲光報警，提醒操作人員排除故障。

3 程序設計

PLC采用與電氣控制線路圖相似的編程語言梯形圖，界面簡單直觀，編程和調試的周期較短。為解決人機交互能力弱的問題，PLC選用MD2041型文本顯示模式進行人機對話，并用于參數的設定和顯示。該文本還可以直接操作內部輔助繼電器和數據存儲器，減少了數據交換所需接口的數量。PLC的基本指令有20條，還可以根據實際需要設置豐富的功能指令，具有很大的靈活性。

PLC啟動后先將計數器、定時器和輔助繼電器等復位，進行初始化后開始檢測，每次排除故障后也要重新檢測。機械作業的狀態信息和控制參數分別存儲在不同的存儲區域，都通過相同的文本顯示。開機時的顯示頁面用于參數設定，跳轉的頁面用于實時操作。大部分時間顯示的是播種機正常工作的狀態界面，在啟動報警的同時則自動彈出故障顯示界面。

4 試驗結果和分析

將安裝PLC的玉米播種機在4個玉米試驗田中進行試驗，牽引播種機的拖拉機行駛速度為6km/h；設定的播種深度為15cm，株間距為25cm；用于試驗的玉米品種為農華101，每塊試驗田取4 000粒種子進行試驗。播種完成后測量機械的行駛距離，計算得到實際的株間距。在每個試驗田中隨機取10個2m長的播種線段，測量線段上的播種深度，計算平均值后與設定值進行比較，評價播種作業的精度。另外，記錄每次種箱排空后的警報響應時間，以及整個試驗過程中導種管堵塞的情況和報警次數，評價對故障的報警響應能力。

試驗的結果如表1所示。機械的播種深度為14.4～16.0cm，與15cm的設定值差距很小。播種株間距為25.3～26.6cm，都大于25cm的設定值，但差異較小，表明播種機具有較高的作業精度。每次種箱排空時報警器都及時啟動，響應時間為0.6～1.4s。整個試驗過程中導種管堵塞出現了6次，報警器都能及時啟動，沒有出現誤報的情況。

表1 玉米播種機的作業效果Table 1 Operation effect of the corn seeder

5 結論

為加深PLC與玉米播種機的整合程度并提高適應能力，以PLC為核心，利用監測模塊采集播種機工作狀態，分析生成指令后發送給控制模塊實現對播種機的精確控制。試驗表明：播種機的播種深度為14.4～16.0cm，株間距為25.3～26.6cm，與設定值的差異都很小，表現出較高的作業精度；每次出現種箱排空和導種管堵塞時報警器都能及時啟動，沒有出現誤報的情況，具有較高的智能化水平。