種子包衣機PLC控制技術的設計與實驗

任嘉宇

(黑龍江省農業機械工程科學研究院佳木斯分院,黑龍江 佳木斯 154004)

0 引言

種子、土壤和水分構成作物生長的3大基本要素,是各類農作物生長的重要載體[1-2]。種子包衣是20世紀80年代中期研發的促進農業增產增收的高新技術,主要是指用種衣劑進行種子處理。隨著種子播種后,種子內部胚胎的逐漸發育及幼苗的不斷生長,種衣劑將含有的各種有效成分緩慢地釋放,被種子幼苗逐步吸收到體內,從而達到防治苗期病蟲害、促進生長發育、提高作物產量的目的。相關研究表明,種子包衣后可以實現作物增產9.5%～12.3%[3-5]。可以極大地提高種子的科技含量與商品價值,對于提高農業競爭力具有重要意義。

種子包衣主要有人工包衣和機械包衣兩種方法。人工包衣勞動量較大,不適宜于大面積的農業生產,機械包衣主要是利用種子包衣機進行包衣。由于包衣劑對人體存在一定的影響,人工進行種子包衣后如誤食會出現種衣中毒等現象。因此,未來應該逐漸加強種子包衣機自動化與智能化,提高種子包衣自動化水平[6-7]。

1 種子包衣機及其控制技術研究現狀

目前,種子包衣技術已經廣泛應用于玉米、大豆、棉花、水稻、黃瓜、辣椒等糧食作物與經濟作物中。我國種子包衣技術主要是從20世紀80年代開始引進美國和意大利的種子包衣機,并經過技術消化、吸收和仿制過程。我國已經先后成立了超過30家種子包衣機生產企業,其中代表企業包括南京農業機械化研究所、中國農業機械化研究院、黑龍江加工機械研究所和甘肅酒泉奧凱種子加工機械公司等[8]。

國外種子包衣機主要以丹麥、德國、奧地利、法國等較為先進。目前,種子包衣機也逐漸向精細化、智能化和人性化方向發展。

2 種子包衣機控制系統基本要求與工藝

2.1 系統主要功能

種子包衣機控制系統需要實現以下基本功能:1)可以廣泛用于小麥、水稻、玉米和各類蔬菜的農作物種子的包衣處理;2)具有良好的人機交互功能和多種工作模式,可以滿足不同生產需要;3)可以根據不同的生產率和配藥參數等自動調節技術參數,可以實現在線修改功能;4)可以實現種子包衣與種衣劑的連續輸送與精準控制;5)具有報警功能,可以保障人身安全與良好的作業效果;6)整機控制系統具有良好的抗干擾功能。

2.2 主要技術指標

種衣控制系統需要達到的指標如表1所示。

表1 自動控制系統主要技術指標

2.3 種子包衣工藝流程

種子包衣基本工藝流程如圖1所示。

圖1 種子包衣基本流程

3 種子包衣機基本結構

根據系統整體要求及種子包衣工藝流程,基于機械設計和電子控制系統。種子包衣系統以PLC為控制中心,選取液態觸摸屏作為人機交互系統,并結合相應的軟件控制與硬件系統實現種子包衣。

整機控制系統包括控制部分、檢測系統和被控對象3個組成部分。控制部分主要由PLC和變頻器組成。其中PLC主要用于控制整機正常運行、數據分析和報警等功能。變頻器主要用于控制相應執行機構,利用PLC接收的信息,控制供種和供液,實現種子和包衣劑的定量供給。

用于控制的傳感器包括液流傳感器、料位傳感器等。通過傳感器接收的信號,為系統運行提供決策信息。監控部分包括觸摸屏、工作指示燈組成,實現良好的人機交流。操作人員可以通過觸摸屏實時監控種子包衣機的運行狀態。

被控對象主要包括種子包衣機的執行機構,如供種機構、供液機構、攪龍機構和甩盤機構等。通過PLC控制各個執行裝置的運行。

4 種子包衣控制系統選型

種子包衣機整體硬件系統實現的主要功能如下:1)提供系統控制平臺;2)具有良好的人機交流平臺;3)實現種子、液流和報警等各種信號的監測;4)為各個硬件之間的通信提供接口。

硬件系統主要包括PLC的選型、觸摸屏的選型、變頻器的選型及各種傳感器的選型。

4.1 觸摸屏選型

觸摸屏作為人機交互的重要界面,可以提高系統運行的智能化和穩定性。本研究選取SIEMENS-TP170A液晶顯示屏,主要技術參數如表2所示。

表2 SIEMENS-TP170A液晶顯示屏主要技術指標

4.2 變頻器選型

變頻器主要用于實現種子和藥劑之間的定量調節與控制,本研究選擇SIEMENS 420。該型號適用于各種變速驅動,主要技術參數如表3所示。

表3 SIEMENS 420型變頻器技術參數

4.3 液流監測器選型

液流監測器主要適用于監測液流的變化,為系統自動運行和故障發生提供信號。由于藥劑流量變化范圍較大,一般在25～250 L·h-1,本研究選取CYG3002型壓力開關實現液流監測。主要技術參數如表4所示。

表4 CYG3002型壓力開關主要技術參數

5 種子包衣機控制技術發展趨勢

種子包衣機是一種廣泛應用于種子生產加工的設備,主要作用是為種子表面包上一層保護涂層,以提高種子的萌發率、抗病蟲害能力和耐儲存性能等。隨著種業技術的不斷發展和市場需求的不斷增長,種子包衣機的控制技術也在不斷進步和創新。

5.1 自動化控制技術

隨著科技的不斷發展,種子包衣機越來越趨向于自動化和智能化,控制系統將采用PLC、DSC等自動化控制技術,實現種子包衣機的自動化控制。

5.2 數字化技術

種子包衣機將采用數字化技術,通過智能傳感器實時監測溫度、濕度、粒徑等參數,以便更加精確地控制包衣過程,提高包衣質量。

5.3 節能環保技術

在種子包衣機的控制技術方面,節能環保也是一個重要的趨勢。包括采用高效節能設備,優化設備的工作流程,減少能源消耗和廢氣排放等。

5.4 多功能化技術

種子包衣機將更加趨向于多功能化,實現不同類型種子的包衣、覆蓋和涂敷等功能,以適應市場需求的不斷變化。

6 結論

針對目前我國種子包衣機存在控制系統粗放,嚴重限制了種子包衣效率的提升,為滿足現代農業生產對種子的要求,本研究基于PLC為控制核心,系統論述了種子包衣機自動控制系統的基本組成與選型。可以實現精準包衣和提高包衣質量、效率,可以更好地滿足現代農業生產對種子的要求,并提出未來種子包衣機控制技術發展趨勢,研究結果旨在為推動我國種業發展提供理論參考與借鑒。