氣吸式排種器電驅動控制性能研究

蘆昌雨 ,張 凱，2，洪 楊

(1 南京信息工程大學 自動化學院；2 南京信息工程大學 大氣環境與裝備技術協同創新中心：210044，江蘇南京)

隨著農業的發展，機械化播種作業正在逐漸代替人工播種，減少大量的人力和物力。精密播種機主要分為氣動式和機械式兩種[1]，而氣動式精密播種機又分為氣壓式、氣吸式和氣吹式[2]，其中氣吸式精密播種機因其吸種快、種子不易破碎、速度快等優點，在我國被大面積使用[3]。

精密播種的過程就是按精確的粒數、間距和播深，將種子播入穴孔中[4]。其技術核心，就是播種過程中外部控制驅動排種器轉動，在不同的作業速度下自動調整和穩定控制播種株距[5]。因此，高速精密播種機最為重要的便是株距的調控[6]。但由于氣候、地理等因素的影響，田間易產生泥濘不平、濕滑的情況[7]，在播種過程中，播種機的地輪在泥濘的田中極易出現打滑的問題，這就導致播種機前進速度不穩定，與排種器排種的速度不能保持一致，播種距離不均勻，株距參差不齊，大大影響農作物的生長。

本文以氣吸式排種器為研究對象，設計一套氣吸式排種器電驅動系統，以隨時調節株距，滿足播種要求。

1 系統總體方案設計

本文設計的氣吸式播種機株距電驅動控制系統用于株距的控制。氣吸式排種器通過管道與風機相連，風機葉輪高速旋轉產生負壓，排種器的隔板將氣吸室分為負壓吸種區和零壓排種區。大白菜種子在負壓的作用下被吸附到排種盤的吸種孔上做圓周運動，當種子轉出真空室后，由于負壓的消失，其依靠自身重力或在刮種器作用下落入種溝內。

1.1 系統結構設計

該系統是一個具有智能化控制、軟硬件結合和多協調性的綜合性系統，主要由執行模塊、采集模塊和控制模塊等三部分組成。采集模塊主要器件包括旋轉編碼器和霍爾元件，用來將收集到的脈沖個數以數字信號（高速脈沖）的形式傳送至控制器；控制模塊主要器件是可編程控制器和人機交互觸摸屏，使用者在人機交互界面上輸入相關播種指標，控制器對收集來的信息進行分析處理，控制步進電機驅動排種器進行播種作業；執行模塊主要由排種裝置、步進電機及其驅動器組成，為排種器工作提供動力。三個模塊之間協同工作、互相配合，共同組成一個系統，如圖1 所示。

圖1 系統整體結構圖

1.2 核心模塊選型

本文曾考慮過用單片機作為控制中心，但是單片機的主控板受制造工藝、布局結構等因素的影響，抗干擾能力差，故障率高，不適應田間惡劣環境和播種合格率高的要求。此外，單片機一般應用于單站場所，獨立性較強，而PLC 的應用場合一般是工控場所，需要聯機運行的地方多，比較適合復雜的控制系統。綜合以上考慮，本文選用西門子公司的S7-200 SMART 型可編程控制器作為排種器株距電控系統的控制核心，實物如圖2 所示。

圖2 可編程控制器實物圖

2 排種試驗準備

2.1 實驗臺介紹

室內臺架試驗是2020 年10 月在山東省科學院計算中心的JPS-12 實驗臺上進行的，該臺架專門用于排種器的性能檢測，能提供精確的種子粒距、合格指數、漏播指數等指標，可存儲播種錄像用于反復觀察分析。臺架整體結構簡約精巧，主要由氣吸式大白菜排種器、種床、操作控制臺、噴油器、鋼制臺架、驅動電機、風力傳動系統等組成，實物如圖3 所示。

圖3 JPS-12 實驗臺

在田間測試播種機的排種性能時，播種機是隨拖拉機的前進而運動的，實驗臺正相反，它是用種床帶作為種床，模擬播種機的田間工作速度而運動，排種器在試驗時固定不動，種床以排種器為參照物相對移動。這樣就把播種機相對地面的運動轉化成地面相對于播種機的移動，實質上就是一個參考坐標系轉換問題，其效果是一樣的。

2.2 試驗材料

本次臺架試驗的對象為“青雜三號”大白菜種子，由青島國際苗種有限公司提供，實物如圖4 所示。因為種子本身的顏色不深，導致排種器落在種床帶上的種子不易觀察，故特將種子染成了紫色。

圖4 “青雜三號”大白菜種子

2.3 性能評價指標

排種性能評價指標可以直觀地反映排種器的排種質量，包括排量穩定性、漏播率、各行排量一致性、株距合格率、種子破碎率等。本課題主要對株距合格率、漏播率和重播率進行試驗。圖5 分別為試驗中正常排種、重播、漏播現象和種子在種床帶分布的畫面。

圖5 排種性能指標圖

圖6 為排種盤不同轉速下排種器的各項性能數據，可以看出：10～30 r/min 的加速階段合格指數不斷增加直至90.42%，再增加轉速合格率逐漸下降；而漏播和重播指數卻和合格指數呈相反的走勢，在30～40 r/min 階段漏播、重播指數逐漸上升。經過比對可以推出：當轉速超過某個臨界值后，由于排種盤離心力增加，部分種子不能正常被吸，造成了漏播指數的上升和合格指數的降低。

3 試驗與分析

為了檢測氣吸式排種器株距電控系統的工作性能是否能滿足播種的要求，在實驗室臺架進行了排種試驗，主要探究在播種機轉速確定的情況下排種的株距能否達到要求，得到不同參數下排種器的合格指數、重播指數和漏播指數。

3.1 單因素排種試驗

在影響氣吸式排種器工作性能的眾多因素中，真空度和排種盤轉速是主要影響因子，對播種機的效率影響頗為重要。本文也就這兩個因素進行研究分析，固定排種器相關參數：株距設置為400 mm，吸種孔直徑為4.8 mm，排種盤吸種總數為24。

3.1.1 不同轉速試驗結果分析 為了研究排種盤轉速對排種性能的影響，排種盤轉速從10～40 r/min，每隔5 r/min 分為7 個水平，真空度保持為3 kPa 不變。在種床帶運行平穩之后，每個參數試驗記錄種床帶連續分布的200 粒種子，重復3 次取平均值作為最終結果，試驗結果如圖6 所示。

圖6 排種盤不同轉速試驗結果

3.1.2 不同真空度試驗結果分析 真空度是排種器產生負壓的根本原因，因此對真空度的研究是十分重要的。在其他工作參數相同的情況下，真空度1.5～5 kPa 每隔0.5 kPa 分為8 個水平，轉速保持為30 r/min，在種床帶運行平穩之后，每個參數試驗記錄種床帶連續分布的200 粒種子，重復3 次取平均值作為最終結果，試驗結果如圖7 所示。因為一開始氣吸室內的真空度較小，種子難以被吸附在排種盤上，排種器產生了大量漏播，導致漏播指數很高，隨著負壓不斷地增加，排種盤的吸附力變大，吸種孔有時會吸附多粒種子，這就造成了一個種穴播種過多的現象，導致重播指數變大而合格指數減小。

圖7 不同真空度實驗結果

3.2 多因素正交試驗

在上述轉速試驗中，發現轉速在20～30 r/min 時，播種性能比較好；在上述真空度試驗中，真空度在2～3.5 kPa 時，播種性能比較好。為了研究轉速和真空度對排種性能影響的主次順序以及最優參數組合，對每個參數取3 個試驗水平，考慮到轉速與真空度之間存在相互作用關系，采用正交表進行實驗臺試驗，正交試驗水平如表1 所示。每個參數組合試驗統計種床帶連續分布的200 粒種子，重復3 次取平均值作為最終結果，正交試驗結果及極差分析如表2、表3 所示。

表1 正交試驗因素水平

表2 正交試驗結果

表3 試驗結果極差分析

由圖7 可知：當真空度在1.5～3 kPa 不斷增加的過程中，合格指數逐漸增大，在3 kPa 時達到峰值89.42%，重播指數和漏播指數則逐漸減小；在3～5 kPa時合格指數反而呈下降趨勢，重播指數快速增長，漏播指數則保持穩定。通過分析三者變化趨勢，可以推斷原

極差的大小代表著因素對試驗指標影響的大小，極差越大，影響越顯著。根據表2 及表3 的正交試驗結果與極差分析可知：對于合格指數和漏播指數，轉速的影響較顯著；對于重播指數，真空度影響較顯著；當轉速為20 r/min、真空度為2.2 kPa 時，排種性能達到最佳，合格指數為93.02%，重播指數則為4.41%，漏播指數僅為2.79%，各項性能均符合國家農作物單粒精量播種質量指標要求。

4 結語

本文以步進電機代替地輪為中心，提高株距穩定性為目標，設計了一種基于PLC 的以播種機為載體的氣吸式排種器株距電控系統，制定了電驅動系統的總體設計方案。根據臺架多因素試驗可以得出：排種盤轉速和真空度對排種器的排種性能影響較大，當轉速為20 r/min、真空度為2.2 kPa 時，排種器的性能最佳，臺架試驗的合格指數為93.02%，重播指數為4.41%，漏播指數為2.79%。

本文通過株距電控系統的設計與研究對播種機的外形設計和驅動方式進行了革新，也為農業自動化提供了一些思路，通過實現株距的一致性提高播種育種質量，對農業生產具有重要意義。

在實際研究過程中，由于時間和場地條件的限制，沒有將臺架上的試驗結果和實際應用場景進行比對，需要在接下來的工作中做進一步的完善。