氣吸式自動穴盤育苗精量播種機設計——基于PLC控制

胡志新，翁凌霄，汪小志

( 1.南昌工學院，南昌　330108； 2.武漢理工大學，武漢　430070)

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氣吸式自動穴盤育苗精量播種機設計——基于PLC控制

胡志新1，翁凌霄1，汪小志2

( 1.南昌工學院，南昌330108； 2.武漢理工大學，武漢430070)

摘要：為了適應微小體積種子的穴盤育苗精量播種工作要求，提高精量播種機的普遍適應能力，基于PLC控制系統(tǒng)和傳感器信號采集，采用壓電彈簧和氣吸盤相結合的方法，設計了一種新型自動穴盤精量播種機。利用壓電彈簧對排種器振動系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)進行了改進，基于逆壓電效應，將微小位移放大后驅(qū)動排種器盤進行振動，使種子達到了理想的排種運動狀態(tài)，大大提高了吸種效率和播種性能。試驗結果表明：PLC控制系統(tǒng)通過自適應調(diào)整可以使誤差降低到接近于0，且響應迅速，響應精度較高，播種機的空穴率、多粒率和破碎率均不高于5%，而吸附率和播種合格率都在95%以上，滿足穴盤育苗精量播種的農(nóng)藝要求，達到了預期設計目標。

關鍵詞：精量播種機；穴盤育苗；PLC控制；排種器

0引言

穴盤育苗是實現(xiàn)精量播種機工廠化育苗的關鍵技術之一，主要用于果蔬、花卉、水稻等精量化排種和播種作業(yè)，具有節(jié)約優(yōu)良種子用量、出苗率高和增產(chǎn)增收等優(yōu)點。精量播種的排種器內(nèi)種子為散粒形式，為了使種子能夠均勻地流動，需要使種子克服內(nèi)摩擦力，從而實現(xiàn)種子之間的分離，增加其流動性。為了改善種子特別是小體積種子的流動性，一般采用機械振動的形式，利用激勵裝置使種子產(chǎn)生“沸騰”運動，達到理想的排種效果。為了實現(xiàn)這一過程，本次研究引入了壓電彈簧系統(tǒng)，為排種器提供振動力，使用傳感器和PLC控制系統(tǒng)來增強系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)能力，對于小體積精量播種器械的研究具有重要意義。

1機械結構

為了使氣吸式自動穴盤育苗播種機實現(xiàn)精量化控制，在排種系統(tǒng)中添加了偏心電機、排種傳感器和PLC控制系統(tǒng)。在精量播種前，可利用PLC控制系統(tǒng)設置一定的播種間距。精量排種器總體結構示意圖如圖1所示。

圖1　精量播種機排種器結構示意圖

播種機進行播種作業(yè)時，PLC控制播種機的排種電機轉(zhuǎn)動，從而波動種子；種子經(jīng)過排種導管時被檢測，PLC通過分析獲得排種的速度，利用加速度傳感器可以得到播種機的運動速度，從而得到播種間距。氣吸式排種器結構如圖2所示。

圖2　氣吸式排種器結構示意圖

播種機播種作業(yè)時，吸種盤位于種子室的正上方，啟動漩渦氣泵，彈簧系統(tǒng)將通過振動將種子拋起，利用產(chǎn)生的負壓將種子吸住，完成取種作業(yè)。

圖3為啟動系統(tǒng)的示意圖。作業(yè)時，將吸種盤外拉，種子室在電磁開關的帶動下移動到下工位，在導軌引導下，運動到穴盤的正上方；切斷負壓后，利用正壓將種子吹投到指定位置，完成一次投種清孔。行程開關布置如圖4所示。

圖3　氣動系統(tǒng)設計

1.行程開關　2.撞塊　3.直滑軌　4.調(diào)節(jié)高度裝置

當穴盤運動到放種位置時會觸碰到行程開關，穴盤立即停止，泄壓閥接通后開始放種，從而實現(xiàn)精量播種。該過程的控制由PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)。

2基于PLC的精量播種機控制系統(tǒng)

氣吸式精量播種機的控制核心為PLC可編程控制器，主要控制的對象包括變頻器、調(diào)速電機、電磁開關、行程控制器、速度和位移傳感器等。當位移和速度信號通過傳感器采集送到PLC控制器時，PLC發(fā)出電磁開關的通斷指令，實現(xiàn)播種機的自動化控制。

圖5為基于PLC的穴盤育苗精量播種控制系統(tǒng)的框圖。利用PLC可編程控制器可以同步控制打穴機構、吸種盤和穴盤，從而實現(xiàn)對穴放種和精量播種。具體步驟：首先利用電磁開關實現(xiàn)打穴操作，其作業(yè)結構為滾壓模式；穴盤繼續(xù)運動，吸種機構的電磁開關完成吸種操作；當穴盤運動到放種位置時會觸碰到行程開關，穴盤立即停止，泄壓閥接通后開始放種，從而實現(xiàn)精量播種。該過程可有PLC系統(tǒng)反饋排種電機的速度、加速度和排種器的一系列信息，實現(xiàn)播種控制系統(tǒng)的閉環(huán)調(diào)節(jié)?？刂葡到y(tǒng)的結構框架如圖6所示。

圖5　基于PLC的穴盤育苗精量播種控制系統(tǒng)框圖

圖6　PLC系統(tǒng)閉環(huán)控制結構框圖

工作過程：首先，PLC利用傳感器采集得到加速度信號，積分出速度信號；然后，利用排種器中的排種傳感器采集得到排種量的信號；最后，PLC通過分析排種速度和播種機的速度得到排種的間隔，將其與預先設定的排種間距進行對比，實現(xiàn)排種電機的反饋調(diào)節(jié)。利用PLC變頻調(diào)控電機的頻率可以改變電機的轉(zhuǎn)速，調(diào)整種子的輸出速度。當排種器阻塞、傳感器長時間檢測不到排種信號時，PLC控制偏心電機產(chǎn)生振動；如果還檢測不到排種時，發(fā)出報警信號。

為了提高排種器的普遍適用性，真正意義上實現(xiàn)小體積種子的精量排種，需要設計精確的彈簧支撐系統(tǒng)，使種子能夠產(chǎn)生“沸騰”運動，便于吸種器吸種。假設振動系統(tǒng)為單自由度的質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)，固有頻率為ωn，其表達式為

(1)

其中，k為彈簧系統(tǒng)的總等效的剛度；m為彈簧系統(tǒng)總的等效質(zhì)量。如種子“沸騰”運動，振動強度應該滿足的公式為

(2)

其中，A為排種盤的振動振幅；w為固有頻率；Kn為種子與排種器的碰撞系數(shù)；N為種子的層數(shù)。

(3)

其中，μ為種子間的摩擦因數(shù)；φi為種子的內(nèi)摩擦角。要達到理想的吸種狀態(tài)，需要克服種子內(nèi)摩擦力，從而可以使種子互相分離；而振動過程由于需要控制彈簧位移量較小，需要利用壓電控制系統(tǒng)。壓電系統(tǒng)同時受到外力和電場力的作用，其表達式為

S3=s33ET3+d33E3

D3=d33T3+ε33TE3

(4)

其中，S33E、S3、T3為材料的應力、應變和柔度；D3為電位移；E3為電場強度；ε33T為介電常數(shù)；d33為壓電常數(shù)。n層的變形量可表示為

(5)

其中，xx為總的變形量；t為單層壓電材料的厚度；F為壓力；Am為壓電材料橫截面積。于是，形變量可以表示為

(6)

其中，F(xiàn)ind為系統(tǒng)的慣性負載；kx為壓電材料的總體剛度。

Find=nd33kxU

(7)

kx=Am/(nts33E)

(8)

因此，在排種器實際控制的過程中，可以利用傳感器對排種情況進行實時監(jiān)測，利用排種情況的反饋信息對壓電材料的形變量進行實時調(diào)節(jié)，實現(xiàn)小體積種子的精量化播種功能。

3監(jiān)控系統(tǒng)

在氣吸式穴盤育苗精量播種機的設計過程中，播種機的監(jiān)控系統(tǒng)是獲取排種器性能參數(shù)的主要依據(jù)，主要包括排種器的阻塞情況及排種計數(shù)。其中，排種器堵塞情況的監(jiān)測包括排種器的排空和堵塞。排種器的排空是指將排種箱內(nèi)的種子排盡，導種管內(nèi)無種粒通過；排種器的阻塞是指種子將導種管阻塞。據(jù)此，將傳感器安裝在排種管的低端，其安裝示意圖如圖7所示。

圖7中，將發(fā)光二極管安裝在導種管的底部，當種子經(jīng)過底部時，由于擋住了一部分光敏電阻上的光，電阻值變化，從而可以預測排種器的排空和阻塞情況。

圖7　排種器排空和阻塞傳感器

圖8　排種量監(jiān)測傳感器

圖8為排種量監(jiān)測傳感器的安裝總體示意圖。排種量的監(jiān)測就是對每一粒種子進行計數(shù)，但由于種子在下落過程中擋光并不相同，因此在傳感器上的信號不一致，計數(shù)相對困難；當兩粒種子同時通過時，也會影響監(jiān)測結果?？紤]這些情況，將傳感器安裝在排種器上，其安裝簡圖如圖9所示。

圖9　改進后的傳感器電路安裝簡圖

通過改進，將傳感器對接于排種器的兩側(cè)。因為盤孔經(jīng)過傳感器的順序是確定的，因此不會出現(xiàn)兩粒種子重疊的問題，盤空間和盤孔的間隔經(jīng)過傳感器時，光敏電阻的阻值變化也相對規(guī)律，這更加便于種粒計數(shù)器進行計數(shù)。

4性能測試

為了驗證本次研究設計的氣吸式自動穴盤苗精量播種機的可靠性，利用實驗樣機對其播種性能進行了測試，在傳統(tǒng)的氣吸式穴盤苗播種機上裝載了PLC反饋控制系統(tǒng)，樣機如圖10所示。

圖10　實驗測試樣機

測試項目包括PLC閉環(huán)控制響應時間、播種機的各項播種性能。通過測試得到了PLC控制系統(tǒng)的誤差隨時間變化的響應曲線，結果如圖11所示。

圖11　響應誤差測試曲線

由圖11可以看出：在實際為500ms時，系統(tǒng)通過自適應調(diào)整便可以使誤差降低到接近于0，響應迅速，響應精度較高，符合精量播種機的設計需求。

表1為通過5次測試之后得到的播種性能表。由表1可以看出：播種機的空穴率、多粒率和破碎率均不高于5%，而吸附率和播種合格率都在95%以上，達到了精量播種機的設計標準，從而驗證了本次設計的播種機性能的可靠性。

表1　播種性能測試表

5結論

本文利用PLC控制系統(tǒng)和傳感器信號采集，采用壓電和氣吸相結合的方法，設計了一種新的自動穴盤精量播種機，并對排種器的振動系統(tǒng)進行改進?；谀纥c效應，利用微位移控制排種器盤的運動，使種子達到理想的運動狀態(tài)，從而提高了種子的吸附效率，增強了吸種和排種的穩(wěn)定性。

對播種機的實驗樣機性能進行了測試，項目主要包括系統(tǒng)的響應能力和播種性能。通過測試發(fā)現(xiàn)：該系統(tǒng)響應迅速，且可以在短時間內(nèi)將系統(tǒng)的誤差調(diào)整為0，空穴率、多粒率和破碎率3項指標均不高于5%，吸附率和播種合格率都在95%以上。其設計精度均高于精密播種機的設計要求，為自動化精量播種機的設計提供了較有價值的參考。

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Design of Pneumatic Automatic Tray Precision Seeding Machine ——Based on PLC

Hu Zhixin1, Weng Lingxiao1, Wang Xiaozhi2

(1.Nanchang Institute of Science & Technology,Nanchang 330108, China; 2.Wuhan University of Technology,Wuhan 430070, China)

Abstract：In order to adapt the work requirements of the small seed size hole tray precision seeding , improve the precision seeding machine generally adapt ability, it uses piezoelectric spring and the gas sucking disc combined method based on PLC control system and sensor signal acquisition.The paper designs a new automatic tray precision seeding machine. The vibration system and the drive system of the vibration system are improved by using the piezoelectric spring, and the vibration of the drive plate is driven by the inverse piezoelectric effect, which makes the seeds reach the ideal seeding state. Planting performance of the prototype was tested.The experimental results show that through the adaptive adjustment the PLC control system can reduce the error to close to zero, and rapid response and high precision response, drill hole rate, grain rate and broken rate were not more than 5%, and adsorption of seeding rate and qualified rate are above 95% ,which meets the tray precision seeding agronomic requirements, and achieve the expected design.

Key words：precision seeder; hole tray seedling; PLC control; metering device

中圖分類號：S223.2+5

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0087-05

作者簡介：胡志新(1976-)，男，湖北陽新人，副教授，碩士。通訊作者：汪小志(1981-)，女，武漢人，副教授，博士研究生,(E-mail)wangxiaozhi@ncu.edu.cn。

基金項目：湖北省自然科學基金面上項目(2014CFB589)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金項目(2014QC004)；太陽能高效利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心開放基金項目 (HBSKFMS2014032)

收稿日期：2015-08-27