基于PLC技術的水稻點播機控制系統設計

楊曉珍 鐘衛鵬 唐緒偉

摘要：針對目前水稻點播機稻種數量檢測機制不完善、播種過程相互耦合控制復雜的現狀，設計了一種基于PLC技術的水稻點播閉環控制系統。該系統在常見氣吸式點播機機械結構的基礎上，將播種實施過程劃分為排種、檢測與投種3個階段，簡化播種過程控制的難度;并且改良了以電容傳感器為硬件核心的檢測環節，減小了電容邊緣效應與稻種以隨機姿態組合通過檢測區域引起的檢測誤差;能夠自動回收數量不合格的種子群，減輕了使用者的工作量;投種器的使用避免了落種時的彈跳，讓種子可以準確入穴。試驗表明：相比以往稻種數量的檢測方式，不同數量的種子群通過本系統檢測環節而引起的電容變化范圍不再出現重疊現象，可靠的反饋信號讓直播機系統能夠正確判斷稻種的數量，達到播種的精確控制。

關鍵詞：水稻點播機;PLC;精量播種;電容傳感器

中圖分類號： S223.2+3? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）17-0178-04

收稿日期：2021-06-02

基金項目：湖南省教育廳科學研究項目（編號：19C1490）。

作者簡介：楊曉珍（1972—），女，湖南會同人，碩士，副教授，主要從事農業機械創新設計與試驗研究及職業教育教學管理。E-mail：215409838@QQ.com。

通信作者：鐘衛鵬，碩士，助教，主要從事復雜系統檢測與控制。E-mail：1642475784@QQ.com。

我國是人口大國、農業大國，如何提高糧食產量始終都是人們關注的熱點。水稻是我國的主要農作物。據考古發掘，早在7 000年以前我國的先民們就開始種植水稻。至今，水稻已成為世界上一半以上人口的主食。最初先民們以直播的方式種植水稻，自漢代以后才發明了育苗移栽技術并沿用至今。2020年的國家統計局數據顯示：我國的水稻播種面積達到了3 008萬hm2，如此巨大的數量造成了我國水稻種植區域廣、土地集中程度不同、氣候差異大的現狀，從而導致了各地水稻品種不一、種植方式不同。水稻的育苗移栽技術步驟繁多，對水資源消耗大。在農村人口老齡化、環境治理、生產成本提高等諸多因素影響下，水稻的機械化種植得到了極大的推廣。

農作物種植的機械化包含了耕、種、收這3個方面，其中播種過程的機械化與自動化程度最低、實現難度大[1]。為了推動機械化種植的全面化，許多能人志士都投入到水稻點播機的研發中來，力求將農技與農機深度結合[2-4]。王在滿等選用光電傳感器作為排種器出種數量的檢測器件，并將前人常用的點陣式光電傳感器布局改變為面元式光電傳感器環形布置，這樣的設計減少了光電傳感器的檢測死區，關鍵的光電傳感器檢測脈沖寬度是通過高速攝像頭反復測定，提高了檢測的精度;但是即便這樣精心的設計，還是無法克服多粒種子同時穿越檢測區域導致的誤判[5]。文獻[6]以彈射式耳勺型水稻穴直播排種器作為監測系統的研究載體，使用壓電材料作為傳感器，檢測種子數量的原理類似于稱重。機器在田間作業時，不可控因素太多（例如機器行進時的顛簸、機器本身的振動、種子在壓電材料上隨機撞擊產生的偏差電壓）。這些因素疊加使得同一數量種子撞擊壓電材料產生的檢測結果像步槍射擊的彈著點一樣是一個范圍。尤其是當排種器運行過快時，不同數量種子沖擊結果的范圍會出現明顯的重疊現象，以至于檢測結果出現較大的誤差。文獻[7]運用EDEM軟件對氣吸式精密播種機振動種盤中水稻種群運動進行模擬仿真，分析了不同頻率、振幅、種層厚度對種群空間分布密度的影響，為氣吸式精密播種機的設計提供了依據。文獻[8]以霍爾傳感器檢測點播機的速度與位移，以電容傳感器檢測排種器出種量。使用電容傳感器可以避免光電傳感器無法檢測多粒稻種同時穿越檢測區域的情況，但文獻[5]指出當種子通過電容傳感器引起的電容變化量較小時，檢測精度會受到寄生電容和環境的影響。

在前人不斷的努力下點播機的機械化程度不斷提高，但研究的重心放在如何檢測各項農藝指標是否符合要求，而對不符要求的結果不能實現自動處理，需要人工干預。本研究擬設計一種新型點播機系統，采用氣動排種器及PLC控制技術，實現單粒精密播種。它以電機為前進動力源，通過各種電動、氣動元件的動作，實現播種過程的機械化及電氣自動化。

1 機械平臺設計

本研究所設計排種器在文獻[9]的基礎上進行改進與設計，其具體結構如圖1所示。在本設計中，排種輪使用步進電機驅動。

排種器的導種管后連接檢測輪。檢測輪的外形與限位結構同左輪手槍的轉輪類似，有多個柱形檢測槽。每個檢測槽都帶有特定的磁編碼與高度可調的底板，方便定位與調節容積。其整體由步進電機帶動傳動皮帶驅動。1個步進電機可以通過皮帶驅動多個檢測輪旋轉。每1處傳動皮帶處都裝有1個簡易離合器。該離合器使用氣動控制，正常狀態下，離合器使皮帶繃緊;離合狀態下，使皮帶松開失去傳動作用，從而實現多個檢測輪的解耦控制。檢測輪的設計目的有2點：（1）配合電容傳感器對種子群數量進行檢測，使其具有良好的工作條件;（2）緩存符合要求的種子群，排除不符合要求的種子群。檢測輪后端一方面與投種器相連，另一方面與種子回收箱連接，連接處有以氣動閥控制的隔板分開。檢測槽上設有投種位、填充位、檢測位與回收位。它們被依次排列在相鄰的4個槽位上。投種位與回收位之間相隔幾個槽位作為緩存位。這些緩存位能夠在發生排種數量異常時，及時補上空缺避免影響整個播種節奏。

檢測合格的種子群被送入投種器。投種器由固定的柱體與可活動的扁頭椎體嵌套組成。扁頭椎體由步進電機帶動其上的齒槽進行驅動，其頂端能夠開合釋放種子。初始狀態下，扁頭椎體頭部在扭力彈簧的作用下保持閉合。開啟時，由氣泵向投種器中施加氣壓將種子從中吹出。

排種器、檢測輪以及投種器，這三者之間的關系就好比電腦系統中CPU、內存以及硬盤之間的關系。排種器運行速度最快，但容易出錯。檢測輪運行速度次之，能發現排種器的故障，并能暫存數量合適的種子群。投種器是最終執行機構，運行速度最慢，需要通過前面2個環節對種子數量進行把控。前人的設計往往對這3個環節不加以區分，導致控制系統各部分出現強耦合作用，控制難度加大。

2 電氣回路設計

本設計的控制核心是三菱FX3U-32MT/DS系列的PLC。內置16入/16出（晶體管漏型）端子，能直流24 V供電，可擴展模塊多，具有良好的可塑性與抗擾性，能夠適應田間地頭復雜的工作條件。點播機運行時，PLC不但需要對出種數量、穴距與埋種深度進行控制，還要能對堵塞等故障做出自檢報警。

由排種器設計可知，當其發生堵塞故障時，導種管將無法導出稻種。因此，只需將導種管某一段使用透明材料制成，并安裝上面元式光電傳感器，就能對排種器輸出進行實時監控。在排種器以固定速度運行時，控制系統會定期接受到光電傳感器一個信號。如果發生堵塞故障，光電傳感器將停止發出信號。此外，在排種器上還安裝有霍爾傳感器，能夠實時向PLC發送位置信息，方便PLC對排種器進行定位。

穴距與埋種深度的測量同為距離測量，但由于點播機在田間行駛時存在打滑的可能而投種器不需要考慮這種情況，因此只需對穴距控制引入霍爾傳感器檢測即可。霍爾傳感器被安裝在測地輪之上，測地輪被點播機拖動前行并在其表面鑲嵌抓地紋理，故不存在打滑的可能，能確保距離測量準確。

出種數量的檢測主要由安裝在檢測輪上的電容傳感器完成。相對于空氣而言，稻種的介電常數明顯要大一些。種子群從導種管輸出后落入檢測槽，隨著檢測輪轉動。圓形的平行板電容就安裝在正對著檢測槽的上下方。為減小電容的邊緣效應，減弱輸入與輸出的非線性關系，其直徑要比檢測槽大2 mm。根據平行板電容器大小的計算公式（1）可知：當電容外形固定、電壓穩定時，電容大小與介電常數有線性關系。

C=εS/d。（1）

式中：C為電容大小;ε為介電常數;S為平行金屬板的相對面積;d為2板之間的距離。

為了讓種子群落入檢測槽后能讓傳感器產生足夠明顯的信號，檢測槽的容積要盡量接近規定數量種子的體積。電容傳感器以二極管雙T型交流電橋電路作為檢測電路。該檢測電路有以下特點[10]：（1）電源頻率、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩定;（2）線路簡單，可全部集中在探頭內，縮短了短路布線、減輕了分布電容的影響;（3）適用于具有線性特性的單組式和差動式電容式傳感器;（4）輸出阻抗可以人為設定，且與電容無關，克服了電容式傳感器高內阻的缺點。

檢測電路的輸出被放大后由AD轉換傳入PLC內部。電氣回路的整體框圖如圖2所示。

3 控制流程設計

系統開始運行時首先進行自檢程序。自檢程序包括但不限于檢查通訊網絡各部分是否成功通信、各氣動與電動部件是否正常運行、系統運行時是否堵種。系統自檢成功則進入運行程序，反之停機并發出報警提示。

排種器的運行過程參見文獻[9]。當檢測輪運行時，檢測槽收集從導種管落下的種子。當接收到

排種器完成1次排種的信號后，檢測輪旋轉1個槽位，下一個填種好的槽位被送入電容傳感器中檢測種子數量。如果檢測正常，PLC將把這個檢測槽標記為正常，反之為異常。回收位的氣動閥會根據檢測槽的狀態而開啟或關閉。異常狀態會一直持續到檢測槽重新回到填種位才會恢復為正常。PLC上的計數器接收到霍爾傳感器脈沖數達到額定數量時，即點播機運行到指定位置，點播機暫停。投種器插入土壤指定深度后返回一段距離為投種器打開留下空間。氣泵運行將種子從中吹出后，投種器收回，點播機繼續前進完成一次播種。整個系統的程序流程如圖3所示。

4 試驗結果與分析

檢測輪不但是點播機控制系統重要的反饋回路，并且還是整個執行機構的中間環節，起到承上啟下的作用，其設計的優劣直接影響到系統的控制精度。而排種器與投種器結構簡單，執行結果穩定，文獻[9]對排種器的性能有詳細分析，故在此著重對檢測輪的設計效果進行試驗驗證。

以文獻[8]設計的傳感器作為對照進行試驗，并稱之為對照組。2020年4月中旬，在懷化職業技術學院安江校區試驗田進行播種試驗，水稻品種為金珍早絲。試驗一共選擇了2塊面積都為0.5 hm2的區域進行，播種的行距為160 mm，點播機以 7 km/h 的速度行駛。在上述條件下分別對含有 1～6粒稻種的種子群進行電容變化量測量，每一種情況反復進行100次試驗，結果如圖4所示。

前人對試驗數據的分析多集中于結果的線性度分析卻忽略監測系統的其他指標，從而導致控制系統輸出不穩定。圖4中的豎線是不同稻種數量對應的電容變化范圍，豎線上的叉點代表變化的均值。在對照組的結果中種子數量對電容變化量的影響是一個比較大的范圍，導致這樣結果的原因不單單只有文獻[5]提出的觀點。通過計算，種子群在機械擾動下以不同姿態組合通過傳感器的檢測區會影響到電容的變化量[11-12]。以上2種因素最終造成了對照組結果的大幅度搖擺性。對照組數據的搖擺性隨著稻種數量增加而遞增，甚至出現了范圍的部分重疊現象，反映到檢測結果上就是傳感器有一定概率分不清稻種的數量。而設有檢測輪的試驗組數據就有著良好的穩定性。從試驗數據上可以得出檢測輪的設計合理，能有效提高檢測系統的重復性。

5 結論

本研究從解決點播機電氣自動化程度低、補種需要人工干預的問題出發，設計了一種基于PLC技術的水稻點播機。在繼承前人優秀設計的基礎上，將點播機運行過程明確劃分成排種、檢測、投種3段。讓點播機各運行部分控制過程解耦，提高了播種精度。關鍵的檢測輪借鑒了左輪手槍的結構進行設計，減弱了影響傳感器檢測精度的2個因素。試驗證明這樣的設計能夠切實優化傳感器的檢測精度，提高點播機的工作效率。

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