基于PLC的水稻機械播種量控制系統設計與試驗

龔敏昆

(廣西工業職業技術學院,南寧 530001)

0 引言

水稻是我國最主要的糧食作物,一半的人口以之為主食。水稻輕簡化栽培的最顯著特征是以直播代替了播種和移栽,使得水稻生產前期的農藝操作大幅簡化。水稻直播的操作相對簡單,適合利用農業機械來完成。水稻機械直播不僅具有更高的生產效率,還能節約人工成本,增加成穗率,從而獲得更高的產量。為了滿足實際的需求,人們研制出了多種型號的水稻直播機。楊堅等設計的2BD-8自走型分流式小型水稻直播機采用電磁振動量的大小來調節播種量,獲得了良好的作業性能和較高的功效[1]。梁寶忠等研制了一種適應多種環境的水稻直播機,一次能完成多個作業工序[2]。

目前,水稻直播機械的種類齊全,很好地滿足了不同條件下的作業要求,但普遍存在不能檢測漏播和準確調節播種量的問題[3]。例如,推行直播的早期階段,水稻的產量一直不穩定,原因在于無論是人工撒播還是機械直播,其對播種量的控制不夠精準;不同水稻品種的最適播種量存在差異,當實際播種量不合適時,水稻的生物量和產量都會受到影響,因此對播種精度提出了更高的要求[4]。

播種精度是水稻直播機最主要的性能指標,對最終產量有著直接的影響,該性能的高低大多是由排種器和播種量控制系統決定的。排種器精量播種的關鍵部件,具有多種類型,且外槽輪式和窩眼輪式應用較多,但也有局限性[5]。播種質量監測不僅能夠直接影響水稻直播機的作業精度,還反映了機械的智能化水平[6]。鄭一平等利用光電傳感器和單片機分別對水稻直播機排種器的排種數和播種器的播種量進行實時檢測和顯示,為精量播種奠定了基礎[7-8]。丁時峰等以單片機為核心,設計了一套水稻直播機的漏播檢測裝置,在實際應用中表現出良好的檢測效果和可靠性[9]。檢測到播種狀態后,直播機的控制系統可以根據設定值分析調節量,然后產生信號驅動步進電機改變排種器對種子的容納能力,從而實現精量播種[10-11]。

PLC為可編程控制器,最初是為在工業環境下應用而設計的,其編程和維修方便,可靠性和抗干擾能力都較高,還具有完善的控制功能和良好的性價比。因此,相比其它電子設備PLC更加適合于環境惡劣的田間作業,在農業機械的控制中應用較多[12]。收獲是所有農作物生產必不可少的環節,收獲機械成為農機開發和PLC控制研究的重點領域[13-14]。此外,PLC對農業機械的控制功能還包括變量施肥、穴盤苗移栽和運行狀態檢測等[15-17]。

本文以PLC為核心設計了一個水稻機械播種量的控制系統,并在田間進行水稻直播試驗評價系統對播種量的控制效果,旨在為實現水稻的機械化精量直播提供技術支持。

1 系統組成

播種量控制系統由播種機械和裝載的PLC 設備組成,如圖1所示。水稻直播機械為中機南方的2BD-10型水稻精量旱直播機,由東方紅SG450型輪式拖拉機牽引,配套動力20kW;一次能播種10條,作業幅寬3.0m,行距分為20、25、30cm3檔,株距在1.2～2.0cm之間可調。排種器的主要部件為排種輪,通過步進電機調節排種輪上孔眼的尺寸以達到控制播種量的目的。直播機的排種動力通過鏈條傳輸給排種器軸,驅動排種器工作。該型機械能夠同時完成開溝、起壟、播種和覆土作業,播種效率可以達到0.3hm2/h,傷秧率小于1%,具有良好的適應性。

圖1 播種量控制系統的總體設計Fig.1 General design of control system of sowing rate

控制器采用西門子S7型PLC,由拖拉機的蓄電池提供電源,包括中央處理單元(CPU)、存儲器、編程器、輸入/輸出單元和擴展槽。PLC的核心部件為CPU224,數據輸入點和數據輸出點分別有14個和10個,能夠滿足對播種量控制的需求。PLC具有7個擴展槽,可以將輸入/輸出點擴展至168路數字量和35路模擬量。人機接口是TD200操作界面,用于進行參數設定和運行數據監控。外部設備采集的信息通過TLC1543CN型A/D轉換器轉換為數字信號后發送到CPU,生成的控制指令由MAX538型D/A轉換器轉換為模擬信號后發送給控制執行設備。

2 控制原理

在拖拉機的地輪上安裝一個HAL41F型霍爾傳感器,采集地輪轉動產生的脈沖信號,發送給PLC計算獲得播種機的行進速率。在導種管的末端安裝一個基恩士PS-56R型光電傳感器,利用對射的紅外線捕捉單粒水稻種子落下時產生的電信號。光電傳感器在正常狀況下維持低平電信號,有種子經過時產生高平電信號。因此,設定低平電信號持續達到2s時為種箱排空,高平電信號持續達到2s時為導種管堵塞;按照編制的程序運行,根據機械行進速率和高平電信號的頻率計算瞬時播種量,并與設定值進行比較。PLC完成實際播種量和設定值的比較后,依據兩者之間的差異生成控制指令驅動森創110BYG250C型步進電機正反轉動,通過螺桿調節排種輪上孔眼的尺寸,從而控制播種量。當出現種箱排空或導種管堵塞的狀況時,PLC向一個LTE-1201型聲光報警器發送信號,啟動報警以提醒操作人員排除故障,控制系統工作原理如圖2所示。

圖2 播種量控制系統的工作原理Fig.2 Working principle of control system of sowing rate

3 程序設計

控制系統的程序用S7-200編程專用軟件Micro/WIN32設計,除了主程序外,還可以調用輸入控制子程序、播種量控制子程序及TD200數據控制子程序等。系統開機后首先進行初始化,然后調用經過模塊初始化的子程序,查詢輸入控制子程序和TD200數據控制子程序啟動的充分條件是否滿足。在滿足上述兩個子程序啟動充分條件的前提下,系統再檢查播種量控制子程序啟動的必要條件是否滿足,在得到肯定的結果且CPU運行正常后開始輸入控制量。超過機械閾值的參數會被提升輸入錯誤并且重新輸入,輸入正確的參數則被存入CPU的程序中作為計算控制量的依據。

PLC計算獲得實際的播種量后在控制程序中進行匹配,根據設定值確定相應的調整量,并輸出控制信號。系統共有14個數據輸入點,其中有4個用于輸入機械行駛速率信號,4個用于輸入瞬時播種量信號,6個用于人機界面的系統參數設置。10個數據輸出點中有3個用于輸出步進電機運轉信號,3個用于啟動聲光報警,4個用于輸出播種量和系統的運行狀態。系統中安裝暫停復位程序,出現種箱排空或導種管堵塞的狀況時可以暫停,待故障排除后繼續運行。

4 試驗結果

水稻機械播種量的控制試驗在本單位的試驗基地內進行,使用的水稻品種為天優華占。試驗田塊由機械整理,耕深20cm,形狀規則,前茬作物為油菜。在水稻直播作業中,播種的行距較為穩定,而株距隨機械狀況的變化較大,是影響播種量的主要因素,因此本試驗通過株距來反映對播種量的控制效果。試驗設置機械的播種行距為20cm,株距為2.0cm,行駛速度為0.8、0.9、1.0、1.1m/s共4個。首先,采用人工控制,每個速度下完成0.1hm2的播種,待出苗后各取10個2m的路段測量平均株距。采用PLC控制,進行相同的播種和株距測量,并統計種箱排空和導種管堵塞的實際次數和報警次數。

試驗結果如表1所示。由表1可以看出：人工控制的播種株距隨機械行駛速度的變化較大,與設定值之間的差距明顯,難以精確地控制播種量;在同一速度下,水稻出苗的均勻性差,部分區域存在秧苗過于稀疏或密集的情況,必然對最終的產量造成影響。PLC控制的播種株距隨機械行駛速度的變化較小,與設定值之間的最大差異僅為0.1cm,表現出較高的控制精度。控制系統對所有故障都能及時準確地報警,避免出現空白的田塊,且不同速度播種的水稻出苗分布均勻,為高產提供了保障。

表1 播種量的人工控制和PLC控制效果Table 1 The effect of manual and PLC control to sowing rate

5 結論

為了提高水稻的機械播種精度,以PLC為核心設計了一個播種量控制系統。在2BD-10型水稻直播機上安裝西門子S7型PLC,根據機械行進速率和高平電信號計算實際播種量,并與設定值進行比較。PLC生成控制指令驅動步進電機轉動,通過調節排種輪上孔眼的尺寸來控制播種量,同時對種箱排空或導種管堵塞的狀況發出報警。與人工控制方式相比,PLC控制的水稻播種株距變化及其與設定值之間的差異都較小,表現出較高的控制精度。控制系統對所有故障都能及時準確地報警,水稻出苗分布均勻,有利于獲得高產,為實現水稻的機械化精量直播提供了技術支持。