基于PLC的玉米精量播種控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李正義,任振輝,王艷君

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,河北 保定 071001)

0 引言

玉米作為我國主要的糧食作物之一,其播種主要面臨耕作面積大、耗時(shí)長、所需勞動力強(qiáng)度大等問題,因而利用現(xiàn)代化技術(shù)手段進(jìn)行玉米播種已成為發(fā)展的必須[1]。目前,玉米播種機(jī)主要分為機(jī)械式和電動式兩種,精量播種可實(shí)現(xiàn)種子株距的均勻性和良好的出苗率[2],國內(nèi)為增加播種機(jī)的工作效率和排種精度大都以單片機(jī)作為控制核心[3]。排種器作為精量播種機(jī)最關(guān)鍵的部件之一,其最主要的控制方式為氣動式驅(qū)動和地輪驅(qū)動[4-5],采用光電傳感器和霍爾傳感器是當(dāng)前播種機(jī)的主要測速方式[6-7],在實(shí)地播種過程中,由于環(huán)境惡劣,非接觸式播種結(jié)構(gòu)會引起較大誤差。由于PLC具有較強(qiáng)的抗干擾能力和良好的穩(wěn)定性,將PLC應(yīng)用于播種控制系統(tǒng)可以有效檢測播種信息,實(shí)現(xiàn)精量排種控制,既可以提高播種機(jī)的工作效率,還可以節(jié)省勞動力和資源,滿足現(xiàn)代播種農(nóng)藝要求。

1 播種機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 播種機(jī)結(jié)構(gòu)

玉米精量播種機(jī)由拖拉機(jī)連接支架、種箱、肥箱、底肥鏟、開溝器、測速驅(qū)動輪、旋轉(zhuǎn)編碼器、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、控制箱、PLC、直流12V轉(zhuǎn)24V升壓模塊、覆土輪及排種盤軸等構(gòu)成,如圖1所示。

1.拖拉機(jī)連接支架 2.肥箱 3.控制箱 4.PLC 5.直流12V轉(zhuǎn)24V升壓模塊 6.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器 7.種箱 8.步進(jìn)電機(jī) 9.排種盤軸 10. 旋轉(zhuǎn)編碼器 11.驅(qū)動輪 12.覆土輪 13.開溝器 14.電機(jī)支架 15.底肥鏟圖1 玉米精量播種機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the corn precision planter

1.2 工作原理

采用拖拉機(jī)提供動力傳輸牽引播種機(jī)播種。由于拖拉機(jī)電源輸出為直流12V,而本文選用的PLC、電機(jī)驅(qū)動器、旋轉(zhuǎn)編碼器輸入電壓均為直流24V,因此選用一個(gè)12V轉(zhuǎn)24V的升壓模塊以滿足電源需求。線路連接無誤后,打開電源(含過載保護(hù)),播種機(jī)開始工作。旋轉(zhuǎn)編碼器通過驅(qū)動輪檢測播種機(jī)的運(yùn)行速度,并以脈沖形式將檢測信號發(fā)送到PLC,PLC通過高速計(jì)數(shù)器端口接收并在內(nèi)部進(jìn)行處理,將其作為高速脈沖輸出到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器,驅(qū)動安裝在排種器軸上的電機(jī),實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動排種器排種。當(dāng)播種機(jī)的速度發(fā)生變化時(shí),驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速會產(chǎn)生相應(yīng)的變化,編碼器產(chǎn)生不同的脈沖數(shù)。為滿足變化,編碼器和驅(qū)動輪同軸轉(zhuǎn)動,編碼器將檢測到的變化信號傳送到PLC,PLC將信號處理后轉(zhuǎn)換為步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速以控制排種器,從而實(shí)現(xiàn)播種速度決定排種量的大小。

2 播種機(jī)控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)編碼器、PLC及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器和步進(jìn)電機(jī)等,如圖2所示。

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用西門子公司生產(chǎn)的S7-200 224XP型號的PLC作為核心機(jī)構(gòu),具有14DI和10DO接口,兩個(gè)RS232數(shù)據(jù)傳輸端口,高速計(jì)數(shù)器頻率200kHz,采用晶體管輸出型。系統(tǒng)接線圖如圖3所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the control system

圖3 系統(tǒng)接線圖Fig.3 The diagram of system wiring

2.1.1 旋轉(zhuǎn)編碼器設(shè)計(jì)及接收信號裝置

播種機(jī)的排種器直接決定種子間距的均勻性,利用電動式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械式不僅能夠提高播種機(jī)的工作效率,還能實(shí)現(xiàn)播種間距在140～360mm范圍之間任意調(diào)整,以滿足不同播種環(huán)境下的不同播種量。旋轉(zhuǎn)編碼器直接用于檢測播種機(jī)的工作速度,為防止裝有編碼器的驅(qū)動輪打滑,專門設(shè)計(jì)了一種防滑驅(qū)動輪。該驅(qū)動輪由直徑為10mm的鋼筋制成,且外邊緣表面焊接了直徑為10mm、長度50mm的鋼筋制成的防滑齒,驅(qū)動輪直徑為700mm。

表1 編碼器參數(shù)Table 1 Encoder parameters

2.1.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制及安裝

步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動排種器的部件,是一種將脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移信號的裝置,因其控制方便、精度高、無累積誤差等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。通過改變步進(jìn)電機(jī)的步長控制電機(jī)的速度：當(dāng)接收到PLC發(fā)送的一個(gè)脈沖時(shí),在驅(qū)動器作用下電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度,帶動排種器轉(zhuǎn)動一定的角度,實(shí)現(xiàn)排種器的精量播種。步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動器采取共陰極的連接方式,接線圖如圖4所示。本文采用86型BGY159兩相混合式步進(jìn)電機(jī),驅(qū)動器型號為MA860H,傳輸信號電壓在5～24V之間,可省去串聯(lián)限流電阻,使接線簡單、便捷。其工作參數(shù)如表2所示。

圖4 步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動器接線圖Fig.4 Wiring of stepper motor and driver

表2 步進(jìn)電機(jī)工作參數(shù)Fig 2 Stepper motor operating parameters

步進(jìn)電機(jī)安裝于排種軸上,同時(shí)帶動四行播種單體播種。電機(jī)驅(qū)動軸與排種盤軸之間設(shè)有一個(gè)二次傳動軸,使電機(jī)與排種盤之間的傳動比為2∶1。

PLC高速輸出口提供的脈沖信號用于改變步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速[9],其轉(zhuǎn)速和脈沖頻率的關(guān)系為

式中V—電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min);

P—脈沖頻率;

θ—電機(jī)固有頻率角(°);

n—細(xì)分?jǐn)?shù)。

PLC通過接收的旋轉(zhuǎn)編碼器變化的脈沖數(shù)控制電機(jī)產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)速,使排種器依據(jù)播種機(jī)的實(shí)時(shí)工作條件實(shí)現(xiàn)精量播種。

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)播種間距要求編寫PLC程序,精準(zhǔn)檢測編碼器輸出信號,控制步進(jìn)電機(jī)精確排種,實(shí)現(xiàn)PLC對播種機(jī)的精量控制。本文中采用STEP 7-MicroWIN 作為程序編輯軟件,I0.0作為高速計(jì)數(shù)器輸入脈沖端口,檢測編碼器輸出脈沖數(shù);Q0.0作為高速脈沖輸出端口,完成程序編寫。

2.2.1 編碼器信號讀取程序

編碼器用于檢測播種機(jī)的行駛速度,控制PLC提供精確的脈沖輸出,驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)準(zhǔn)確定位。文中將PLC的I0.0口用作高速計(jì)數(shù)器端口,并且具有高速計(jì)數(shù)器HC0工作模式的高速計(jì)數(shù)器端口作為編碼器的脈沖輸出端口。對程序進(jìn)行初始化,執(zhí)行 HSC操作,將控制字節(jié)SMB37、初始值寄存器SMD38及工作模式寫入高速計(jì)數(shù)器HC0中,梯形圖程序如圖5所示。

2.2.2 高速脈沖輸出程序

S7-200包含兩個(gè)脈沖串輸出或脈寬調(diào)制(PTO/PWM),可以生成高速脈沖或脈寬調(diào)制波形,分別是高速輸出Q0.0和Q0.1。本文采用PTO輸出,Q0.0作為輸出端口。定義控制字節(jié)SMB67,通過PLC內(nèi)部處理計(jì)算出脈沖周期并存入SMW68,設(shè)置脈沖數(shù)SMD72,激活Q0.0,梯形圖程序如圖6所示。

圖5 編碼器信號檢測梯形圖Fig.5 Ladder diagram of encoder signal detection

圖6 高速脈沖輸出程序梯形圖Fig.6 Ladder diagram of high-speed pulse output program

3 PLC控制的玉米排種性能測試

為了測試PLC控制玉米精量播種機(jī)的播種性能,在河北省深澤縣農(nóng)哈哈機(jī)械集團(tuán)進(jìn)行了播種試驗(yàn)?？刂圃O(shè)備安裝于勺型玉米播種機(jī)上,由于地輪表面較為光滑故播種打滑現(xiàn)象較為嚴(yán)重,出現(xiàn)重播現(xiàn)象造成種子浪費(fèi)嚴(yán)重,因此應(yīng)用電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的地輪驅(qū)動排種器,改善了排種器的重播現(xiàn)象,提高了播種株距的均勻性。采用電機(jī)驅(qū)動排種時(shí),地輪只起支撐播種機(jī)行走的作用,與排種無關(guān),降低了種子的重播現(xiàn)象。播種所選用的玉米種子為冀農(nóng)特選-冀農(nóng)1號,千粒質(zhì)量344g、含水率13%。

3.1 不同速度的播種檢測

按照農(nóng)戶的實(shí)際播種要求,播種機(jī)的播種速度一般在3.6～5.4km/h之間,本試驗(yàn)中規(guī)定播種株距為280mm。由于驅(qū)動輪直徑為700mm,則驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)一周下落的玉米種子粒數(shù)M為

計(jì)算結(jié)果約為8粒種子。當(dāng)播種機(jī)的速度改變時(shí),相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)將改變,驅(qū)動排種盤以不同的速度播種。由于電機(jī)驅(qū)動軸與排種軸的傳動比為2∶1,因此在電機(jī)轉(zhuǎn)動360°時(shí),排種盤轉(zhuǎn)動180°,播種精度如表3所示。

表3 不同速度下的播種精度Table 3 Seeding accuracy at different speeds

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

由表3可知,當(dāng)播種機(jī)以不同的速度工作時(shí),對播種精度產(chǎn)生如下影響：

1)在不同的播種速度下玉米種子的播種精度不同,但播種精度均維持在95%以上,可知基于PLC的玉米播種控制系統(tǒng)能夠較為準(zhǔn)確地進(jìn)行精量播種;

2)當(dāng)播種機(jī)的播種速率不斷增加時(shí),播種精度呈降低趨勢,當(dāng)播種速率最大為5.28km/h時(shí),播種機(jī)播種精度最低為95.6%;

3)播種機(jī)的工作速率應(yīng)保持在2.64～4.62km/h之間,由于還需滿足高效、節(jié)能要求,因此應(yīng)將播種速率保持在4.22～4.62km/h之間。在此播種速度內(nèi),播種精度在97%以上,最大重播率為2.4%,最大漏播率為2.2%,滿足播種農(nóng)藝需求。

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)的基于PLC的玉米精量播種控制系統(tǒng),采用步進(jìn)電機(jī)代替地輪控制排種器,實(shí)現(xiàn)了電動式精量播種代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械式播種,提高了工作效率和播種性能。

2)利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動排種器排種,工作性能可靠,定位準(zhǔn)確,降低了排種誤差,減小了由傳統(tǒng)機(jī)械控制帶來的操作復(fù)雜及靈敏度低等問題。

3)采用旋轉(zhuǎn)編碼器測速,設(shè)計(jì)了防滑測速驅(qū)動輪,增加了編碼器的測速精度,降低了排種器的誤動作率,使排種精度更加準(zhǔn)確。

4)播種機(jī)正常工作時(shí),播種精度保持在95%以上,控制系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定可靠,滿足農(nóng)藝上對玉米精量播種的要求。