玉米播種機智能控制系統設計與試驗

侯亞娟

(焦作技師學院,河南 焦作 454000)

0 引言

玉米作為世界上重要的糧食作物之一,是一種多用途的作物,不僅為人類提供主要食物來源,還用于飼料、工業原料和生物能源的生產[1-3]。玉米在全球糧食供應中占有顯著地位,在農業經濟的可持續發展中起到了重要作用。

在傳統玉米種植過程中,播種深度不均勻可能導致作物生長不一致,進而影響產量和質量[4]。此外,農民在操作傳統播種機時人工勞動強度大[5-6]。勞動密集型農業生產不僅增加了勞動力成本,還會限制勞動力的吸納,尤其是在一些地區,這可能導致農業生產規模和效率受到限制。

因此,基于PLC技術,設計一種玉米播種機電氣控制系統,結合自動控制算法,進一步提高玉米播種機的作業效率,改善播種質量,并通過田間試驗驗證其有效性和可推廣性。研究結果成為提高玉米播種機效率及產量提供新得發展思路。

1 總體設計方案

1.1 設計要求

玉米播種機相關行業標準對玉米播種作業要求如表1所示[7-8],玉米播種最佳間距通常為30～35 cm,間距合格率、漏播率和重播率的控制是確保播種精確性和效率的關鍵因素。合格的間距合格率表示絕大多數種子都被按照所需間距播種,而較低的漏播率和重播率則表明減少了種子的浪費和不均勻分布。這些要求有助于提高產量、降低生產成本,并促進玉米種植的可持續性。

表1 玉米播種機性能指標

1.2 控制方案

針對玉米播種機控制要求,本文采用基于PLC技術的電氣控制系統,主要分為玉米播種株距控制和振幅控制兩個關鍵部分。

1.2.1 播種株距控制

播種株距是關鍵參數,直接控制玉米植株之間的間距,從而影響作物生長。在電氣控制系統中,通過PLC技術自動調整播種機工作參數,實現所需的播種株距,同時,傳感器可以監測播種株距,并將實時數據反饋給PLC控制器,以便及時調整和修正。主要控制原理如圖1所示。

圖1 基于PLC技術下玉米株距控制原理

1.2.2 播種振幅控制

振幅控制是確保種子均勻分布的關鍵因素,直接影響播種的均勻性和質量。在電氣控制系統中,智能控制系統可以根據土壤特性和播種需求,自動調整播種機的振幅,以確保種子的均勻分布,同時,傳感器可以實時監測振幅,并將數據反饋給PLC控制器,以便隨時調整振幅參數,確保漏播率和重播率都控制在≤5%[9],控制原理如圖2所示。

圖2 基于PLC技術下玉米播種機振幅控制原理

2 硬件設計與選型

玉米播種機智能控制系統硬件部分以PLC為核心,通過采集工作速度、播種機振幅信息等完成對各個作業部分的控制,本文將硬件部分劃分為主控系統、信息采集模塊、報警電路模塊。

2.1 主控系統

玉米播種機主控系統是智能控制系統的核心,負責監測、調整和協調各個部分,以確保播種機的正常運行和達到播種目標。主控系統負責收集來自各種傳感器的數據,包括土壤特性、播種機狀態、種子流量等信息,這些數據用于實時監測播種過程,并作為基礎數據用于后續的控制決策;控制算法用于分析傳感器數據、計算目標參數(如株距、振幅等)并制定控制策略,同時考慮土壤條件、作物需求和其他因素,以優化播種結果。主控系統通過執行器控制播種機各個部分,以調整播種株距、振幅和其他參數。可實時監測播種過程,并根據傳感器反饋的信息不斷調整播種機的操作,確保播種精確性和一致性,主控系統會提供友好的用戶界面,使操作員能夠監控播種機的狀態,設置參數并進行故障排除。主控系統負責記錄播種過程的數據,包括播種數量、株距、振幅和其他關鍵參數,以便用于后續分析、報告和管理,自動化功能允許播種機在不需要人工干預的情況下自主進行操作,以提高生產效率并減輕操作員的工作負擔。

S7-200是西門子(Siemens)公司生產的一款PLC控制器,廣泛用于工業自動化和控制系統中,具有穩定性高、可靠性好、性能優越以及豐富的通信和擴展能力等特點,適用于各種自動化控制應用。因此,本文選擇西門子S7-200作為主處理器[10]。

2.2 信息采集模塊

信息采集模塊允許控制系統實時監測和處理來自不同傳感器和設備的信息,以支持自動控制和決策,通常與PLC、SCADA系統或其他控制器一起使用,用于實現數據采集和處理的功能。本研究信息采集模塊傳感器類型、布置方案及物理連接方式如表2所示。

表2 基于PLC玉米播種機信息采集模塊的設計

2.3 報警電路模塊

報警電路模塊是玉米播種機智能控制系統中重要的一部分,用于監測和報警關鍵事件或異常情況。電路設計關鍵技術如表3所示。

表3 報警電路設計方案

3 自動控制算法的實現

本文使用Python的matplotlib庫編寫控制算法程序,結果在控制顯示臺進行顯示,控制算法控制邏輯和操作代碼如下,“record_state”用于記錄每個時間步的播種機狀態,然后plot_results使用“matplotlib庫”在控制臺中繪制圖形,表示電機速度和播種機狀態的變化。播種機的狀態通過時間的步驟進行記錄,最后在程序運行結束后,調用plot_results來顯示圖形。

3 自動控制算法的實現

本文使用Python的matplotlib庫編寫控制算法程序,結果在控制顯示臺進行顯示,控制算法控制邏輯和操作代碼如下,“record_state”用于記錄每個時間步的播種機狀態,然后plot_results使用“matplotlib庫”在控制臺中繪制圖形,表示電機速度和播種機狀態的變化。播種機的狀態通過時間的步驟進行記錄,最后在程序運行結束后,調用plot_results來顯示圖形。

import time

import matplotlib.pyplot as plt

class CornSeeder:

def __init__(self):

self.motor_speed = 0

self.seed_dispenser = False

def start_motor(self,speed):

print(f"啟動電機,速度:{speed}")

self.motor_speed = speed

def stop_motor(self):

print("停止電機")

self.motor_speed = 0

def dispense_seed(self):

print("播種")

self.seed_dispenser = True

def stop_dispenser(self):

print("停止播種")

self.seed_dispenser = False

class ControlSystem:

def __init__(self,seeder):

self.seeder = seeder

self.time_steps =[]

self.motor_speeds =[]

self.seed_dispenser_status =[]

def record_state(self,time_step):

self.time_steps.append(time_step)

self.motor_speeds.append(self.seeder.motor_speed)

self.seed_dispenser_status.append(self.seeder.seed_dispenser)

def plot_results(self):

plt.figure(figsize=(10,5))

plt.subplot(2,1,1)

plt.plot(self.time_steps,self.motor_speeds,label='Motor Speed')

plt.xlabel('Time (s)')

plt.ylabel('Motor Speed')

plt.legend()

plt.subplot(2,1,2)

2000級曼巴扎倉第一屆醫學生久麥多杰，32歲，梳著一個略顯花白的小辮子，他在共和縣開了一家藏醫診所，當曼巴扎倉的病人太多時他就回來分擔活佛壓力。他回顧10年的學醫生涯時說：

plt.step(self.time_steps,self.seed_dispenser_status,where='post',label='Seed Dispenser')

plt.xlabel('Time (s)')

plt.ylabel('Seed Dispenser Status')

plt.legend()

plt.tight_layout()

plt.show()

def run(self):

print("啟動播種機控制系統")

self.seeder.start_motor(100)

self.record_state(0)

time.sleep(2)

# 模擬播種過程

self.seeder.dispense_seed()

self.record_state(2)

time.sleep(5)

self.seeder.stop_dispenser()

self.record_state(7)

# 停止播種機

self.seeder.stop_motor()

self.record_state(12)

print("播種機控制系統停止")

self.plot_results()

# 實例化播種機和控制系統

seeder = CornSeeder()

control_system = ControlSystem(seeder)

# 運行控制系統

control_system.run()

-結束播種操作

4 田間試驗

基于電氣自動化的玉米播種機智能控制系統性能測試結果如表4所示,表明系統能夠滿足設計和性能要求,具備高度的穩定性和可靠性,以確保高效的播種操作。

表4 性能測試結果

5 結論

通過對傳統玉米播種機存在的播種深度不均勻、人工勞動強度大等問題的分析,本文提出了一種基于電氣自動化技術的玉米智能播種機控制方案,該方案采用了傳感器技術、嵌入式系統和自動化控制算法,以改善播種機的性能和效率。選擇西門子S7-200PLC控制器作為核心控制單元,配備了各種傳感器和執行器,以實現對播種深度、播種速度、土壤濕度、種子流量和振幅等參數的智能控制。

性能測試結果表明,玉米播種機智能控制系統在播種深度均勻性、控制精度、濕度檢測準確性、流量均勻性、報警可靠性、響應時間、振幅控制等關鍵性能方面表現出色。系統不僅提高了播種機的自動化水平,還減輕了農民的勞動負擔,從而提高了玉米生產的質量和效率。