蔬菜育苗播種流水線壓穴滾筒裝置改進與控制系統設計

孫 晗，郭廣川，唐 帥，薛金林，林相澤，李 群

蔬菜育苗播種流水線壓穴滾筒裝置改進與控制系統設計

孫 晗1，郭廣川1，唐 帥1，薛金林1※，林相澤1，李 群2

（1. 南京農業大學工學院，南京 210031；2. 江蘇云馬農機制造有限公司，鹽城 224199）

為進一步提高蔬菜育苗播種流水線的控制精度和生產效率，對現有蔬菜育苗播種流水線進行了改進設計。首先將被動壓穴滾筒改造為主動壓穴滾筒；然后進行了流水線控制系統總體方案改進設計，完成了以傳送帶速度檢測與控制、壓穴裝置的初始化與位置控制和播種裝置的初始化與位置控制為核心內容的控制系統設計；最后進行了流水線的播種試驗。試驗結果表明主動壓穴裝置修正了被動型壓穴出現偏差的問題，流水線的播種合格率大于90.8%，空穴率小于5.3%，重播率小于3.9%，最高生產效率可以達到800盤/h。該改進設計提高了播種流水線的播種控制精度和生產效率。

農業機械；試驗；控制系統；播種流水線；工廠化育苗

0 引 言

工廠化育苗可以提升種苗成活率，降低勞動力成本投入，從而提高經濟效益[1-4]，而蔬菜育苗播種流水線是蔬菜工廠化育苗中的重要裝備，通過其可以自動實現鋪土、壓穴、播種、覆土等作業環節，能極大地提高生產效率[5-8]。

國際上生產播種流水線的公司有美國Blackmore公司與SEEDERMAN公司、英國Hamilton公司、意大利MOSA公司等[9-11]。Blackmore公司的播種流水線產品能夠播種不同類型的種子，播種效率為300盤/h[12]。SEEDERMAN公司的GS1半自動針式播種，更適用于小型溫室育苗，播種效率在120盤/h左右[13]。英國Hamilton公司用氣吸式播種滾筒，能夠適應市面上所有的育苗盤和種子，可以完成對一個育苗盤進行單行、多行播種[14]。

近年來，我國的蔬菜育苗播種流水線也取得了較大的進展[15-17]。浙江博仁工貿有限公司生產的2YB-500-GT、2YB-G30A、2YB-G60型號育苗流水線，采用氣吸滾筒式播種機構，對球形種子播種效果較好，生產效率可達600盤/h[18]；浙江臺州一鳴設備有限公司生產的YM-0911型號育苗流水線，能夠播種直徑在0.1-5 mm的蔬菜和花卉種子，生產效率可達360盤/h[19]；劉中正等[20]設計的智能化蔬菜育苗流水線通過將播種滾筒上的吸嘴的形狀結構設計為三層形式，解決了由于氣腔內壓力分布不均和氣流不穩定導致的吸嘴堵塞問題，試驗表明該流水線的播種合格率可達93%，生產效率為450 盤/h；張峰峰等[21]設計的自動蔬菜穴盤育苗流水線具有穴盤進給裝置，通過氣吸式多路吸嘴并聯播種機構實現多路同步播種。

蔬菜育苗流水線的研發促進了蔬菜工廠化育苗的大力發展，但總體而言，國內生產的蔬菜育苗流水線存在的問題多是難以在提高生產效率的同時保證播種精度[22-25]，所以仍需要在流水線的壓穴和播種結構及其控制系統上進行研究。因此，本文在江蘇云馬農機制造有限公司生產的2BSL-320型育苗播種流水線的基礎上，對壓穴滾筒結構與控制系統進行改進，以期進一步提高播種流水線的播種控制精度和生產效率。

1 流水線整機結構與技術指標

1.1 結構與工作原理

蔬菜育苗播種流水線機械結構包括鋪土裝置、掃土裝置、壓穴裝置、播種裝置、覆土裝置、傳動裝置如圖1所示。

接通流水線的氣路和電路后，在播種流水線的線首位置放上空育苗盤并隨著流水線傳送帶移動，到達鋪土裝置（圖2a）時電機帶動箱中的培養土落入育苗盤，經過掃土裝置（圖2b）由滾筒上的毛刷旋轉清掃表層多余的培養土；到達壓穴裝置（圖2c）時對育苗盤壓出種穴，本文采用的壓穴結構是在原有結構基礎上進行改進的，原有的壓穴滾筒沒有步進電機驅動控制，只是在合適的位置安裝上兩塊擋板，下文將詳細介紹；隨后播種裝置（圖2d）向對應的種穴置入一粒蔬菜種子，播種滾筒共包含72個吸種孔，氣腔可與負壓、大氣壓和正壓導氣孔相連，實現吸種、落種和吹掃；最后經覆土裝置并覆上薄土，掃土裝置掃去多余培養土，取下播種完成的育苗盤完成整個播種流程。

1.2 流水線播種技術指標

播種流水線的設計要滿足工程技術指標需求，設計出蔬菜種子能夠正常出芽的育苗播種流水線，本文的改進需滿足如表1所示的播種技術指標。

表1 蔬菜育苗播種流水線播種技術指標

2 壓穴滾筒裝置改進

原有的育苗播種流水線上的壓穴滾筒為被動型壓穴滾筒，即在滾筒上裝有兩塊擋板。當傳送帶移動的育苗盤撞擊該壓穴滾筒的前置擋板時，壓穴滾筒隨著育苗盤的移動而轉動。單個育苗盤經過后，壓穴滾筒正好轉動一周。

在實際生產中，被動型壓穴滾筒的工作效果不佳。壓穴滾筒與育苗盤構成的是開環系統，二者初次對準并進行一個周期壓穴后，由于滾筒質量不均勻，在慣性的影響下，滾筒會前后擺動，壓穴位置出現誤差，壓頭難以對準種穴中心。數個育苗盤工作后，系統的累計誤差增加，導致流水線連續工作的精度大幅降低。

基于被動型壓穴滾筒的不足，本文進行改造設計。卸掉原結構的擋板，并補上壓頭，然后添加行程開關、步進電機與齒輪傳動機構，形成主動型壓穴滾筒，利用步進電機來精準控制壓穴滾筒轉動的角度、速度、位置。

經過改進的主動型壓穴滾筒的工作原理是，當育苗盤經過壓穴裝置時，觸發安裝在壓穴滾筒下方的行程開關。微控制器向壓穴裝置的步進電機驅動器發送脈沖信號，步進電機通過傳動齒輪來帶動壓穴滾筒隨著育苗盤轉動，并在育苗盤上壓出種穴。當育苗盤完全經過壓穴滾筒時，步進電機停止轉動，壓穴滾筒停止，等待流水線傳送帶上下一個育苗盤的到來。

圖3為滾筒與壓頭結構圖，要使壓頭在育苗盤中的每個育苗穴的中心位置壓出播種穴孔，需要兩個壓頭圓周弧長S與育苗盤相鄰兩個種穴中心孔距D相等。壓頭圓周陣列數量N用式（1）表示。

式中R為壓穴滾筒的柱體半徑，m；h為壓頭高度，m。

注：S為相鄰壓頭圓周弧長，m；R為壓穴滾筒的柱體半徑，m；h為壓頭高度，m。

Note:Sis arc length of the two adjacent indenters, m;Ris the radius of the cavitation roller cylinder, m; his the height of the indenter, m.

圖3 滾筒與壓頭結構圖

Fig.3 Structure of roller and indenter

壓穴滾筒的結構設計需要考慮穴盤的尺寸排列。

本文選用的是6行12列高度為45 mm的72穴孔的穴盤，因此壓穴滾筒上的壓穴頭的行數設計為6行，為了兼容更多規格的穴盤，壓穴頭的列數設計為15列。所設計的主動型壓穴裝置與壓穴滾筒結構及原被動型壓穴滾筒如圖4所示。

3 控制系統設計

3.1 控制系統總體設計

蔬菜育苗播種流水線控制系統包含硬件電路與軟件系統，如圖5所示。

硬件電路包括微控制器、傳感器和執行器。微控制器采用Arduino Mega2560單片機[26-28]。在傳感器方面，主要包含轉速傳感器、角位移傳感器、行程開關等。轉速傳感器為歐姆龍E6B2-CWZ6C編碼器，安裝在育苗流水線一側，與流水線傳動軸同軸轉動，直接測量流水線傳送帶的實際速度，從而間接測量流水線傳送帶上育苗盤的速度。角位移傳感器為GTCA3636非接觸/磁感應角度位移傳感器，檢測壓穴滾筒和播種滾筒轉動的實時角度值，由于壓穴和播種滾筒的控制精度較高，兩個裝置各安裝一個傳感器。行程開關為OMRON Z-15GW22-B接觸式行程開關，用來檢測育苗流水線傳送帶上的育苗盤的位置，其安裝位置分別在鋪土裝置、壓穴裝置、播種裝置和覆土裝置。

流水線控制系統中的執行器包括步進電機、交流電機、步進電機驅動器和交流電機變頻調速器。步進電機安裝在壓穴裝置中、播種裝置中，壓穴裝置中采用普菲德86BYG-250H步進電機，播種裝置采用F-86BYG18120天晨時代步進電機，轉矩均為12 N·m。壓穴裝置中采用的電機驅動器是普菲德DMA860H驅動器，播種裝置采用普菲德MA860H驅動器。采用三個220 V三相交流減速電機驅動傳送帶，功率均為120 W，覆土裝置處的交流電機通過400 W調速器控制，其他位置的交流電機通過750 W調速器統一控制，均采用川沃嵌入式變頻器。

控制系統的軟件主要針對各關鍵部件設計以完成鋪土、壓穴、播種、覆土等作業，主要內容為育苗盤各工位的位置檢測、傳送速度檢測與控制及電機轉速的控制。總體設計流程如圖6所示。

3.2 傳送帶速度檢測與控制

為了提高壓穴裝置、播種裝置的控制精度，兩裝置的滾筒轉速自動匹配流水線傳送帶速度。流水線傳送帶即使在同一個輸入信號下，實際速度值仍然存在小幅度波動，為降低干擾對控制精度的影響，滾筒與傳送帶速度匹配時，采用傳送帶的實際速度值，而非設定速度值。

3.2.1 傳送帶速度檢測

流水線傳送帶的速度直接影響壓穴與播種時的控制精度，需要準確檢測傳送帶的速度，并保證壓穴滾筒與播種滾筒的轉速與之相匹配。傳送帶速度由轉速傳感器來檢測，其檢測程序如圖7所示。

3.2.2 速度開環控制

由于壓穴裝置、播種裝置是伺服控制系統，兩裝置滾筒的轉動只是跟隨傳送帶速度實際值。為了降低微控制器處理指令需求，流水線傳送帶速度采用開環方式控制。工控機發送指令，微控制器接收后執行對應生產效率的速度調節函數，并向交流變頻電機調速器發送調速指令[29-30]。

為獲取不同生產效率所需的傳送帶速度，通過試驗辨識獲取傳送帶速度與變頻電機調速器的調速頻率值之間的對應關系，如式（2）所示[31-32]。

式中V()是當前采樣時刻傳送帶上育苗盤的速度值，m/s；1是系數，由試驗辨識獲取得到；f()是變頻電機調速器的調速頻率值，Hz。

又因為生產效率與傳送帶速度之間有如下線性關系，即

式中η()是當前控制周期生產效率設定值，盤/h；l是育苗盤的長度，m。

根據式（2）與式（3），得到生產效率與調速頻率值之間的對應關系，如式（4）所示，其中2是系數。

3.3 壓穴裝置初始化與位置校正

3.3.1 壓穴滾筒位置初始化

壓穴滾筒工作前需要設置初始位置，即確定壓穴滾筒的初始位置壓頭。在整個壓穴滾筒的15行壓頭中，設定第1行、第6行、第11行壓頭為初始壓頭。工作時根據壓穴裝置角度傳感器輸出，判斷電機需要正轉還是反轉，從而實現壓穴滾筒的快速初始化。

根據壓穴滾筒轉動的運行機理，建立控制輸入變量Q()與下一個控制周期步進電機轉動的脈沖數量P(1)之間的離散時域數學表達式，如式（5）所示。

式中，P(1)是下一個控制周期步進電機轉動的脈沖數量，個；Q()是當前采樣時刻壓頭角度實際數字量，(°)；Q是設定初始壓頭角度數字量（=1,2,3，分別對應于第1行、第6行與第11行的初始壓頭），(°)；N是步進電機驅動器設置微步數，設為3 200；是A/D轉換器分辨率，為1 024。

3.3.2 壓穴裝置的位置校正

為了提高壓穴滾筒的壓穴位置的控制精度，采用基于角度反饋的閉環速度控制，如圖8所示。壓穴滾筒在完成一次壓穴過程后，壓穴裝置的角度傳感器采集壓穴滾筒當前角度值，并上傳給微控制器；微控制器計算采集到的角度值與設定的角度值之間的差值，如果差值為零，則不對步進電機進行補償。如果差值不為零，根據差值正負及數值大小，對上一個壓穴過程中產生的位置誤差進行校正。

3.4 播種裝置初始化與位置校正

3.4.1 播種滾筒位置初始化

播種裝置初始化是指吸附種子過程初始化，即工作前需要播種滾筒轉動一定角度以使一定數量的吸種孔吸附上種子，并停在一定的位置。行程開關觸發后，播種滾筒轉動，把吸附的種子播種到壓穴后的種穴里，實現播種。

選定12行吸種孔中某一行為初始吸種行，對12行吸種孔的角度位置進行標定。根據播種裝置滾筒轉動的運行機理，建立角度位置輸入變量Q()與電機轉動所需要脈沖輸出變量P(1)之間的時域離散數學表達式，如式（6）所示。

式中P(1)是下一個控制周期步進電機轉動的脈沖數量；Q()是當前時刻吸種孔角度位置值，（°）；Q1是初始吸種孔角度位置設定值，（°）；N是步進電機驅動器設置微步數，值為1 000。

3.4.2 播種滾筒的位置校正

與壓穴裝置的位置校正相似，為提高播種滾筒位置的控制精度，采用基于角度反饋的位置校正。

播種滾筒在完成一次播種過程后，播種裝置的角度傳感器采集播種滾筒的當前角度值，并傳給微控制器；微控制器對比當前角度值與設定角度值。如果兩者差值不為零，則控制滾筒正轉或反轉以校正上一個播種過程中產生的位置誤差。反饋校正在每一次播種過程完成后進行校正，所以每次播種過程引起的偏差比較小。

4 流水線試驗

在所研發的蔬菜育苗播種流水線（如圖9所示）上分別進行傳送帶速度與控制、壓穴裝置控制與播種裝置控制試驗。試驗育苗盤采用黑色聚氯乙烯72孔育苗盤，為便于觀察試驗結果，采用白色粉末狀育苗土和“秦油2號”油菜種子，種子千粒質量為3.56 g。臺架試驗要求電控系統準確控制生產作業，且在生產效率為800盤/h的情況下播種合格率大于90%。

4.1 傳送帶速度與控制試驗

根據前文，傳送帶速度檢測與控制主要是找出傳送帶速度、調速頻率值與生產效率之間的關系，即通過實驗辨識求出式（2）與式（4）中的系數值。

首先通過變頻電機調速器上的調速旋鈕來設定頻率值，然后通過電腦上串口監視器來顯示傳感器反饋值，由傳感器反饋值計算得到傳送帶速度值。記錄3次5～50 Hz不同頻率值時的傳送帶速度值，如表2所示。根據表2，可以得到式（2）中的辨識系數1=0.002 56。因此，可得到式（4）中系數2=9.216。另外，試驗用育苗盤的長度l=0.54 m。

然后設定不同生產效率值，通過式（2）與式（4）可以得到生產效率設定值與調速頻率值、速度設定值之間的對應關系，同時通過測量轉速傳感器數據獲得實際傳送帶的速度值。表3為試驗中得到的數據。

表2 速度傳感器采集數據表

表3 不同生產效率下的調速頻率值與速度值

試驗結果表明，在不同生產效率設定值下，速度設定值與測量值之間誤差很小，速度控制誤差的最大值為8.3%，滿足速度控制要求。

4.2 壓穴裝置控制試驗

通過對改進后的被動式壓穴裝置進行試驗，對比開環與閉環控制的壓穴效果。由于壓穴裝置對控制精度要求較高，如果壓穴過程調用串口數據顯示功能，會導致壓穴滾筒轉速降低，影響實際壓穴效果，故僅將壓穴中心相對種穴中心的偏移量作為壓穴質量的參考。

壓穴裝置開環控制時，步進電機會出現丟步現象，導致壓頭初始位置改變，圖10a中可以看出，從首排壓穴開始即出現了較為明顯的誤差，偏移量為9.8 mm，此后系統的累積誤差不斷增加，造成整體的壓穴效果出現較大偏差，末排壓穴中心偏移種穴中心12.5 mm。

采用壓穴裝置閉環反饋控制時，可以對壓穴滾筒的位置進行校正補償，每一排的壓頭落點都在中心，從而能夠解決壓穴位置偏差現象，如圖10b所示。

4.3 播種裝置控制試驗

前期試驗表明，原播種流水線的最高生產效率為600 盤/h，在此情況下，其播種合格率僅為74.6%。

通過調節播種裝置的吹掃口氣壓、播種滾筒內部的負壓值以及清堵氣壓，實現播種裝置每個吸種孔吸附一顆種子的要求。試驗中吹掃正壓值設定為11 kPa、振動正壓值設定為163 kPa、清堵正壓值設定為10 kPa、負壓吸附值設定為7.2 kPa，進行了數組播種試驗，試驗結果如表4所示。

圖11為生產效率依次為200、400、600、800盤/h的播種情況。試驗結果表明，隨著生產效率的提高，播種合格率逐漸下降，但是生產效率800 盤/h的情況下合格率仍可達到90.8%，空穴率為5.3%，重播率為3.9%，試驗結果滿足設計要求。

表4 不同生產效率下播種試驗數據

5 結 論

1）為進一步提高蔬菜育苗播種流水線的控制精度和生產效率，將2BSL-320型蔬菜育苗播種流水線的被動型壓穴滾筒改造為主動型壓穴滾筒，并完成了以傳送帶速度檢測與控制、壓穴裝置的初始化與控制和播種裝置的初始化與控制為核心內容的控制系統設計。最后分別進行了傳送帶速度檢測與控制、壓穴裝置的初始化與控制和播種裝置的初始化與控制等試驗。

2）試驗結果表明，傳送帶的速度誤差控制在8.3%以內；改進的主動型壓穴裝置成功修正了被動型壓穴出現偏差的問題；流水線的播種合格率在90.8%以上，相比原裝置，播種速度和合格率都得到了提高，生產效率為800 盤/h時，空穴率在5.3%以下，重播率在3.9%以下。該改進設計可以實現蔬菜育苗播種的農藝生產要求和設備的技術要求指標，并且提高了播種流水線的播種控制精度和生產效率。

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Improvement of hole pressing roller device and design of the control system for vegetable seedling’s seeding assembly line

Sun Han1, Guo Guangchuan1, Tang Shuai1, Xue Jinlin1※, Lin Xiangze1, Li Qun2

(1.,,210031,; 2..,,224199,)

An automatic seedling machine line has been widely used for the seedling of vegetables and fruits in an intensive and efficient farming. It is a high demand for higher accuracy, production efficiency, and quality of seeding in the current vegetable seeding line. In this study, an improved active hole pressing roller device was designed with a new control system for a vegetable seeding line. The existing 2BSL-320 seeding assembly line was also optimized, including the soil paving, soil sweeping, hole pressing, seeding, soil covering, and transmission devices. The specific procedure was as followed. First of all, the seedling tray was filled with the soil at the soil paving device, where the brush was used to sweep the excess culture soil. The low accuracy of the original passive hole pressing roller was attributed to the uneven quality of the roller during the swing operation, where the seedling tray hit the baffle to rotate. Therefore, a new baffle was designed to replace the indenters in the device, resulting in the fact that the rotation was controlled by a stepping motor. Specifically, the arc length of two adjacent indenters was equal to the distance between the two centers of adjacent holes in the seedling tray. As such, 16 rows of indenters were installed for one revolution of the roller. The active hole pressing roller was then used to accurately press out the seed holes. Taking the Arduino Mega2560 as the control core, the control system of the seeding line mainly included the speed detection and control of the conveyor belt, while the initialization and control of the hole pressing and seeding device. Furthermore, a sensor system was selected, including the speed encoder, angle sensor, and a travel switch. A real-time measurement was made on the speed of the conveyor belt, the angular displacement of the hole pressing and seeding drum, as well as the position of the seedling tray on the conveyor belt. The actuator included the stepping and AC geared motor driven by stepper motor driver and AC motor frequency converter, respectively. Finally, the white powdery nursery soil and "Qinyou No. 2" rapeseed were taken to optimize the bench test. According to the requirement of technical standards, the seeding pass rate was greater than 90% when the production efficiency was 800 trays/h. After that, the speed control accuracy of the conveyor belt was verified under the given production efficiency of 100-800 trays/h. A comparison was made to evaluate the performance of the hole pressing with/without the closed-loop control. The open-loop controlled hole pressing roller was offset the seed hole center by 9.8-12.5 mm. A closed-loop control was also added. It was found that the hole pressing precision of the closed-loop control system was greatly improved, where each pressure head was pressed in the center of the seed cavity. Moreover, the highest production efficiency reached 800 trays/h in the seeding test. The results showed that the seeding pass rate of the seeding assembly line was greater than 90.8%, the repeat seeding rate was less than 3.9% and the empty rate was less than 5.3%, meeting the test requirements. Consequently, an automated seeding assembly line was developed to improve the traditional one that was controlled by a single-chip microcomputer and driven by a stepping motor. The control accuracy was also greatly improved under a higher production efficiency. The finding can offer a strong reference for the automatic vegetable seedlings.

agricultural machinery; experiment; control system; seeding assembly line; factory seedling

孫晗，郭廣川，唐帥，等. 蔬菜育苗播種流水線壓穴滾筒裝置改進與控制系統設計[J]. 農業工程學報，2021，37(22)：41-48.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.005 http://www.tcsae.org

Sun Han, Guo Guangchuan, Tang Shuai, et al. Improvement of hole pressing roller device and design of the control system for vegetable seedling’s seeding assembly line[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(22): 41-48. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.005 http://www.tcsae.org

2021-08-16

2021-10-25

江蘇省農業自主創新資金項目（CX(19)2025）

孫晗，博士生，研究方向為農業裝備控制與智能化。Email：18088786141@163.com

薛金林，教授，博士生導師，研究方向為農業裝備測控與智能化。Email：xuejinlin@njau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.005

S223.2

A

1002-6819(2021)-22-0041-08