播種機性能監控系統試驗臺的設計*

劉國鑄 ， 吳 南 ， 谷喜成

（遼寧機電職業技術學院材料工程系，遼寧 丹東 118009）

現在很多地區都已經采取農業機械化操作，播種機精量播種、施肥技術越來越受到廣大農民的歡迎。播種機播種時，田間工況復雜，播種時會存在漏播和播種不均勻等現象。精量播種是指播種機依據農藝要求的播種密度，按照一致的行距、均勻的粒距、精確的深度將作物種子播入土壤中并準確定位的過程。精量播種具有諸多優點，尤其是在節約種子、幼苗發育、減少缺苗和間苗工作量方面有很大的優勢，同時有助于做到苗全、苗齊、苗均、苗壯，既能節約成本，又能提高產量[1-3]。播種機作為農耕時期的一種種植機械，其播種質量直接影響作物的產量，播種精度及均勻性是衡量播種機工作性能的重要指標，準確檢測播種機播種相關技術參數是檢驗播種機工作性能和確定最佳工作參數的關鍵。目前，播種機性能檢測主要為播種機排種器排種性能的檢測，沒有播種機整機播種性能檢測設備[4-8]。傳統的播種機在組裝完成后，直接投入市場，沒有系統的檢測裝置，使用時經常會出現播種不均勻、出料管堵塞不出料或出料過多等現象，造成資源浪費。基于此，課題組設計了一種模擬田間工況的播種機性能監控系統試驗臺。

1 試驗臺設計

播種機性能監控系統試驗臺主要由監控系統、測試臺、支撐結構及傳送帶組成。試驗臺整體結構如圖1 所示，測試臺剖視圖如圖2 所示。

圖1 整體結構示意圖

圖2 測試臺剖視圖

傳送帶置于測試臺上，播種機兩側的轉動輪置于傳送帶上，通過傳送帶帶動轉動輪轉動，支撐結構置于測試臺上支撐播種機架。測試臺上對應播種機排種部位開設有凹槽，凹槽內設有播種檢測傳感器，可以檢測播種粒數。凹槽底部均設有稱重臺，在凹槽內均設有置于稱重臺上的收納桶，播種機的排種管對應凹槽開口。稱重臺上的稱重顯示器置于測試臺一側，通過檢測的播種粒數和稱量播種機在設定時間內的排種量確定播種機的播種性能。

所述支撐結構包括兩個頂塊和一個支撐架，兩個頂塊對稱設置在兩轉動輪內側的測試臺上開孔內，頂塊下方固定連接有液壓桿，通過液壓桿帶動頂塊升降，頂塊上方支撐播種機架，支撐架設置在兩頂塊間的測試臺中部一端，支撐播種機架，與兩個頂塊形成三點支撐。在測試時，播種機被頂塊頂起，以減輕壓在傳送帶上的壓力，方便控制播種機的轉動輪與傳送帶接觸松緊，避免播種機的整個重力壓在傳送帶上導致其損壞，同時保證傳送帶呈中間低、兩邊高的設置狀態。兩個頂塊的液壓桿的液壓油管通過三通連接液壓缸，通過液壓缸控制兩頂塊同步升降。測試完成后，采用液壓桿可以方便頂起播種機架并移動，可取出收納桶。為方便取出，收納桶上設置有便于拿取的把手。

支撐架支撐播種機架的一端帶有U 型槽，與播種機架接觸部位相配合。傳送帶上連接有置于測試臺的行程顯示器，顯示運行速度。測試臺的設置保證播種機可以正常測試，無需大面積場地。傳送帶均位于播種機轉動輪下方，轉動輪與傳送帶的履帶緊密接觸，保證轉動輪穩定轉動，進而使物料下落。支撐架上方呈U 型開口設置，支撐播種機穩定置于測試臺上方，保證傳送帶勻速運轉而不致承受過大壓力，以保證精準地測量物料的重量，傳送帶的兩個傳動輪支撐在測試臺上，其主動傳動輪連接電機，通過啟動傳送帶帶動轉動輪轉動，從而實現播種機排種工作。

凹槽為開口槽，頂部為倒錐形槽或倒梯形槽，在種子下落時，避免其在凹槽外壁堆積；下部與收納桶外形相同，可以為圓筒形槽或矩形槽，其大口端對應播種機排種部位。這種設置可使所述測試臺前端面均固定連接有稱重顯示器，顯示排出種子的重量，方便測試人員觀察，以此判斷播種機是否存在播種故障。

2 監控系統設計

2.1 系統硬件

播種機性能監控系統用于控制試驗臺運行和監測播種性能指標，由觸摸屏和可編程控制器PLC 作為上下位機的控制設備。系統硬件由播種檢測傳感器、可編程控制器、觸摸屏、變頻器、三相交流異步電動機等組成[9-10]。硬件配置如表1 所示。

表1 監控系統硬件配置

監控系統硬件選用臺達DVP20SX211T 作為控制器，臺達DOP-B07S41 作為人機交互界面。播種監控系統通過力科PT-20ML-10 矩形光纖傳感器對播種機排出的籽粒進行檢測，矩形光纖傳感器由發射端和接收端組成矩形區域，檢測范圍為10 cm2。當有種子落入該區域時，發射端發出的信號部分被遮擋，發射信號減弱，產生一個脈沖信號，進行播種籽粒的檢測。選用歐姆龍E3X-NA11 作為光纖傳感器的放大器，可以對信號的強弱進行調整，便于精確檢測播種籽粒信號，由計數的播種籽粒個數可計算播種機的播種量。播種監控系統應用兩個矩形光纖傳感器對播種性能進行監控。傳感器1 安裝在凹槽上方，傳感器2 安裝在凹槽下方，兩個傳感器對播種籽粒進行檢測，能夠更好地檢測，提高播種性能檢測質量。三相交流異步電動機帶動傳送帶運行，進而驅動播種機進行播種控制。變頻器控制對電動機進行無級調速，可實現在不同速度下進行播種機性能檢測。速度傳感器對播種速度實時進行檢測，實現播種機試驗臺的閉環控制，進一步提高試驗臺檢測精度。

2.2 系統軟件

系統軟件由梯形圖程序和觸摸屏程序組成。觸摸屏用于播種機性能檢測的參數設置和播種性能實時顯示。可編程控制器PLC 梯形圖程序是系統監測和控制的核心，用于控制試驗臺的播種機行進速度和控制參數的運算處理。在進行播種機性能檢測前，需通過監控系統參數設置界面對播種速度、播種種植行試驗長度、播種行數、排種器分種勺數、播種粒距等信息進行設置，試驗臺啟動后，PLC 依據設定的控制參數控制試驗臺的運行。播種機性能顯示界面，可實時顯示當前播種機的播種性能指標，包括播種的合格數、漏播數、重播數、變異系數等播種機性能指標。系統控制程序流程圖如圖3 所示。

圖3 系統控制程序流程圖

系統運行后，播種機以設定的速度進行播種作業，傳感器1 和傳感器2 以脈沖的下降沿作為種子落入凹槽的信號，傳感器1 有種子下落信號即啟動定時器和計數器，同時播種粒數加1，在設定的時間內若傳感器2 檢測到2 粒種子信號，說明在傳感器1 檢測區為重疊籽粒，此時將播種粒數和重播粒數加1，精確檢測重疊籽粒造成的重播。同時PLC 內部的定時器記錄相鄰種子的實際時間間隔t，若t≤0.5 倍的理論粒距Δt，則重播數加1；若t＞1.5 倍的理論粒距Δt，則漏播數加1；若t在0.5 倍與1.5 倍的理論粒距Δt 之間，則合格數加1；同時系統根據檢測的漏播數、重播數、合格數計算出播種的漏播率、重播率、合格率、斷條率、變異系數等播種性能指標。

3 測試方法

在進行播種機性能測試時，先將播種機放置在測試臺上，通過啟動液壓桿帶動頂塊移動，從而頂起播種機，使其轉動輪置于傳送帶上，呈中間低兩邊高的狀態，將種子放置在播種機的種箱內，然后即可進行測試工作。通過監控系統設置好測試參數后，按下啟動按鈕，測試臺上的傳送帶開始帶動播種機轉動輪旋轉，從而使播種機處于工作狀態，即使在很小的測試臺上也可以進行測試工作，行程顯示器可以顯示行程，觸摸屏可顯示當前播種情況，便于觀察性能指標數據。播種機內部的種子通過排種管下落，至收納桶中，當其測試一段時間后，可以通過稱重臺檢測收納桶內種子的重量，然后通過稱重顯示器顯示數據，可以觀察到各個排種管的排種情況，確定播種機的播種性能。如果各個收納桶的內部種子重量相差不大，說明播種機各播種行播種均勻，滿足使用要求；當收納桶內部的物料重量相差較大時可以判斷播種機出現故障，需要進行檢修。同時，通過觸摸屏顯示的播種合格率、漏播率和重播率，查看各種行的播種粒距質量，進一步確定播種機的播種性能指標。

4 結論

1）課題組設計了一種播種機性能檢測試驗臺，通過檢測播種籽粒落粒時間間隔和稱量播種機在設定時間內的排種量，確定播種機的播種性能，結構簡單、易于操作、測試精確。

2）通過液壓桿帶動頂塊移動，頂起播種機，然后通過啟動傳送帶與轉動輪接觸，從而使播種機處于工作狀態，在很小的測試臺上也可以進行測試工作，行程顯示器可以顯示行程，方便測試人員觀察數據。

3）測試臺上設有倒錐形凹槽，在種子下落時，避免了其在凹槽外壁堆積，下部與收納桶外形相同，便于收集播種機排出的種子。