農田土壤自動鉆孔播種機的設計

周志博

（江西工業職業技術學院，江西 南昌 330000）

1 系統設計概述

1.1 設計需求

隨著自動控制技術的發展，我國農田播種作業的自動化程度不斷提升。但常規的自動化播種作業僅能實現播種功能，難以實現對農田土壤鉆孔播種一體化自動作業。目前，也有一些農機設備能夠實現農田土壤鉆孔播種一體化作業，但作業精度、自動化程度、效率并不高，相關的技術優化工作有待改善。文章設計了一款基于西門子S7-200 型PLC 的農田土壤自動鉆孔播種機設備，可在農田土壤間自動鉆出直徑和深度分別為10 cm 和5 cm 的深孔，在孔底定量播種農作物種子，并在農機牽引力的帶動下連續作業，通過田間測試驗證系統設計的精度、自動化程度和作業效率，為農田播種自動化生產技術改良提供參考。

1.2 總體結構

系統總體結構，見圖1，整個系統以西門子S7-200型PLC為硬件控制核心，通過編程實現農田土壤自動鉆孔播種控制作業。主要的機械機構包括：鉆孔播種機構。在程序控制下，按照預設的參數完成對農田土壤位置識別、鉆孔、播種一體化作業；提升下降機構。由鉸鏈傳動裝置和限位開關等構成，控制鉆頭提升、下降動作，并為定量自動播種提供動作條件；動力牽引機構。由普通的牽引拖拉機、懸掛機架、液壓缸、伸縮式連架桿等構成，在PLC 程序控制下有節奏地牽引整個系統完成鉆孔、播種一體化作業。此外，系統還引入EM235 模擬量采集控制模塊，實時采集牽引拖拉機的轉速，并反饋給PLC，由PLC 程序實現“轉速采集-鉆孔-播種”循環過程，精準控制農田土壤自動鉆孔播種節奏。

圖1 系統總體結構框圖Fig.1 The overall structure block diagram of the system

2 系統硬件設計

2.1 鉆孔播種機構設計

鉆孔播種機構是該系統的核心機械機構，主要完成對田間土壤識別、鉆孔、定量播種等作業。機械結構自上而下由種子存儲箱、排種鏈輪、調速電機、傳動系統、定向排土定位長銷、排種口、螺旋鉆子構成。具體的作業流程為：在拖拉機牽引帶動下，鉆孔播種機構進入田間；機構行至作業區域后，拖拉機自動停止，機構對土壤作業面進行有效識別，并在傳動系統的帶動下驅動螺旋鉆子由原位垂直下降，帶動2 個鉆頭旋轉鉆土，形成2個播種坑后，傳統系統驅動鉆頭上升至原位；待鉆頭回到原位后，啟動排種口開關，在排種鏈輪的驅動下，種子依次通過存儲箱、排種口、螺旋鉆子兩側排入深坑，完成整套作業動作；待完成2個播種坑的作業后，拖拉機重新啟動運行至下一個作業點。上述鉆孔播種過程在PLC 程序控制下完全實現了自動化作業，通過連接在機構關鍵部位的傳感器對鉆孔深度、直徑、播種量、螺旋鉆子上升下降限位進行實時檢測，確保作業精度。

2.2 PLC控制系統設計

PLC 輸入端的主要檢測位包括：螺旋鉆子1 上升限位傳感器（I0.3）、螺旋鉆子2上升限位傳感器（I0.5）、螺旋鉆子2下降限位傳感器（I0.2）、螺旋鉆子2 上升限位傳感器（I0.4）、排種口開關打開傳感器（I0.0）、鉆孔深度檢測傳感器（I0.1）、鉆孔直徑檢測傳感器（I0.6）。PLC 輸出端的主要檢測位包括：排種鏈輪驅動線圈位（Q0.0）、螺旋鉆子1 上升接觸器線圈（Q0.2）、螺旋鉆子2 上升接觸器線圈（Q0.4）、螺旋鉆子1 下降接觸器線圈（Q0.1）、螺旋鉆子2下降接觸器線圈（Q0.3）、拖拉機調速驅動線圈位（Q0.5）。設備螺旋鉆子部分的PLC 輸入輸出控制設計示意圖，見圖3。

圖2 鉆孔播種機構機械設計圖Fig.2 The drawing of drilling and sowing mechanism

圖3 螺旋鉆子部分輸入輸出控制設計圖Fig.3 The diagram of input and output control of spiral drill sub part

2.3 提升下降機構設計

設備的提升下降機構主要用于驅動螺旋鉆子的上升下降動作，機械結構設計上采用了鉸鏈驅動裝置，將其置于拖拉機后的連接板上，包括懸掛點、伸縮式連桿、螺旋鉆子、液壓缸等部件。其中，懸掛點是提升下降機構與拖拉機之間的接觸點，用于對機構進行固定；伸縮式連桿用于調節提升下降機構的運動靈活度；液壓缸為機構的運動提供動力源。提升下降機構的運動同樣受PLC 程序的控制，運動判斷的依據來源于鉆子上升下降限位傳感器、鉆孔深度檢測傳感器、鉆孔直徑檢測傳感器3個邏輯位。

3 系統軟件設計及應用測試

3.1 梯形圖程序設計思路

系統梯形圖程序系統由主控程序、鉆孔播種子程序、拖拉機牽引調速子程序3 部分組成。其中，鉆孔播種子程序的執行流程為：鉆頭上限位判斷-鉆頭下降-鉆頭下降至下限位-鉆孔-鉆孔參數達標-鉆頭上升-鉆頭上升至上限位-排種口開關打開傳感器判斷-排種作業；拖拉機遷移調速子程序的執行流程為：啟動系統-拖拉機牽引帶動設備運行至鉆孔區域-拖拉機調速電機停止-等待鉆孔播種-鉆孔播種作業結束-拖拉機調速電機啟動-拖拉機牽引帶動設備運行至下一個鉆孔區域-停止系統。系統主控梯形圖程序的執行流程，見圖4。

圖4 系統梯形圖程序設計流程Fig.4 The program design flow of system ladder diagram

3.2 應用測試結果

系統設計完成后，在寬50 m，長70 m 的試驗田內進行鉆孔播種試驗測試。試驗過程中，設定拖拉機牽引運行速度為低檔5 km/h，鉆孔直徑設置為10 cm，鉆孔深度設置為5 cm，隨機抽取5排種子鉆坑進行測試，結果見表1。

表1 鉆孔播種測試結果Tab.1 The test results of drilling and seeding

4 結語

田間測試結果表明：在預設值基礎上進行自動鉆孔播種作業的合格率為100%，漏播率為0%。整個鉆孔播種作業的自動化程度較高，驗證了系統的設計應用性能優異。隨著農業自動化作業程度不斷提升，基于自動控制技術研發的農業技術裝備產品也將越來越多，對提升農業生產作業的精度、效率和智能性會產生積極的作用。