基于PLC監(jiān)測系統和遠程控制的玉米播種機設計

史增芳，姜巖蕾

(河南工業(yè)職業(yè)技術學院，河南 南陽　473000)

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基于PLC監(jiān)測系統和遠程控制的玉米播種機設計

史增芳，姜巖蕾

(河南工業(yè)職業(yè)技術學院，河南 南陽473000)

摘要：為了提高玉米播種機的自動化水平和播種精度，設計了一種新型的基于PLC監(jiān)測系統的遠程控制玉米播種機，并對玉米播種機的開溝機械裝置和播種機械裝置進行了改進，結合PLC監(jiān)測和控制技術，實現了播深、排種精度和播種機行駛方向的實時監(jiān)測和控制。為了實現播深和排種精度的自動化調節(jié)，使用PLC對開溝器和排種輪進行實時監(jiān)測，并利用四連桿結構和直流驅動電機對其進行控制，采用灰色預測模型對排種器的排種輪轉速進行預測，可以有效地提高播深和播種精度控制的自動化水平。最后，對播種機的性能進行了測試，通過測試發(fā)現：基于PLC監(jiān)測系統的遠程控制播種機可以有效地對排種輪轉速、播種機行駛速度、行駛方向進行實時監(jiān)測，播種機的漏播率和重播率都較低，滿足高精度播種機的設計需求，為現代化播種機的設計提供了較有價值的參考。

關鍵詞：四連桿結構；PLC監(jiān)測系統；玉米播種；驅動電機；灰色預測

0引言

玉米是我國主要糧食作物之一，每年播種面積非常大，其播種作業(yè)是生產鏈中最耗時和最費力的一環(huán)節(jié)，作業(yè)季節(jié)性強，勞動強度大。隨著農業(yè)生產的規(guī)?；?、多樣化和現代化發(fā)展，玉米耕作機械化自動化和智能化將逐漸占有舉足輕重的地位。由于受地形地貌等地質條件的制約，玉米播種機很難達到精確播種的目標，其漏播和重播問題突出，排種精度、開溝深度和播種機的行駛方向比較難控制。如果將PLC控制系統引入到播種機的監(jiān)測和控制系統中，不僅可以實現播種機性能的實時監(jiān)測，而且可以有效地提高播種機的實時控制性能，對現代化播種機的設計具有重要的意義。

1基于PLC系統的玉米播種機總體設計

隨著移動通信技術的發(fā)展，遠程監(jiān)控逐漸開始應用這一通信模式，如果將其應用在農業(yè)生產中，可大大提高農業(yè)裝備的自動化水平。本研究將PLC監(jiān)測和控制技術及移動通信網絡應用到了玉米播種機的優(yōu)化設計過程中，因為數字信號的失真率較低，其時間和空間的影響性較小，可以真正意義上實現播種作業(yè)的遠程在線監(jiān)測和控制。

圖1　播種機遠程控制總體設計框架

圖1為播種機遠程控制的總體設計框架。播種過程中，播種機使用現場采樣儀將傳感器得到的模擬信號轉換為數字信號，然后通過網絡傳送給遠程監(jiān)控人員；監(jiān)控人員可以使用計算機和DSP技術分析播種機的運行狀態(tài)，對設備的狀況進行總結，進行實時控制。在控制過程中，控制人員可以通過發(fā)送GSM短信的方式實現播種機的遠程控制。排種器的控制模塊如圖2所示。

圖2　控制模塊設計

該模塊包括控制開關電路、傳感器電路和直流伺服驅動電機的控制電路。當遠程用戶通過GSM短信發(fā)出排種器轉速的控制指令時，PLC系統通過通信接口接收到GSM指令模塊的信息，首先對信息進行解釋，然后再執(zhí)行響應的動作，從而實現用戶在遠程對排種器進行控制。

2PLC監(jiān)測和控制系統設計

為了提高玉米播種機的性能，對玉米播種機的開溝機械裝置和播種機械裝置進行改進，結合PLC監(jiān)測和控制技術，可以有效地提高播深和播種精度的控制；播種信息也可以通過PLC遠程控制及時地反饋到遠程控制室，提高玉米播種機的智能化和自動化程度。對播種機的開溝器進行改造，以提高播深的自動化程度，其結構如圖3所示。

1.液壓缸　2.上桿　3.后板　4.下桿　5.前板

在進行播種作業(yè)時，仿形輪在地表上下浮動，通過傳感器將位移信號傳遞給PLC；通過PLC的運算得到實際的開溝深度，實測的開溝深度和預設深度進行對比，然后利用PLC輸出執(zhí)行動作；利用四連桿結構調整開溝深度，當開溝深度滿足要求深度時，停止調節(jié)，實現開溝深度的閉環(huán)調節(jié)過程。

同開溝器的調節(jié)過程類似，為了提高玉米播種的精度，對排種器的結構進行了改造，如圖4所示。在導種輪上安裝有PLC控制器和傳感器，首先通過傳感器將轉速信號傳遞給PLC，利用PLC的運算得到實際的導種輪轉速，將實際測得轉速和預設轉速進行對比，然后利用PLC輸出執(zhí)行動作；利用驅動電機調整排種輪的轉速，當排種輪轉速滿足要求深度時，停止調節(jié)，實現轉速的閉環(huán)調節(jié)過程。

圖4　排種器三維結構圖

(1)

假設系統的采樣周期為0.5s，控制器的響應時間約為1s，預測步數5步，將原始序列進行累計可得

(2)

其中,背景z(1)(k)的表達式為

(3)

于是,可以得到矩陣B和數據向量XN，有

(4)

其中,矩陣B的轉秩矩陣可以寫成

(5)

引入4個計算參數如下

(6)

通過計算可以求得

(7)

(BTB)-1BT=

(8)

通過進一步計算可得

(9)

所以，發(fā)展系數a為

(10)

灰色輸入u為

(11)

求得以上參數后，可以得到排種輪在5步以后的預測值為

(12)

其中，P表示步數，通過以上運算便可以得到排種輪的預測值，結合實際監(jiān)測值，可以完成排鐘輪轉速的實時控制。其實際數據的獲得流程如圖5所示。數據的通信方式一般有兩種：一是編程控制，實現遠程數據傳輸；二是直接利用PLC連接上位機，獲取數據。本次研究采用第2種方式，并使用基于GPRS的數據通信方式，其拓撲結構如圖6所示。

基于手機通信的PLC控制系統遠程監(jiān)控的硬件結構分為兩層，包括遠程通信網絡和控制通信網絡。遠程網絡使用遠程客戶端和移動通信網絡架構，控制室的網絡分為3層，包括控制器層、服務器層和設備層。利用遠程監(jiān)測系統可以對播種機的實際作業(yè)情況進行實時監(jiān)測，并可利用手機短信的方式發(fā)出執(zhí)行指令，調整播種機的執(zhí)行動作，實現播種機作業(yè)的遠程控制。

圖5　PLC監(jiān)測數據傳遞流程

圖6　基于GPRS的PLC遠距離監(jiān)測與控制硬件結構圖

3PLC監(jiān)測的玉米播種機性能測試

為了驗證所設計的基于PLC監(jiān)測系統的玉米播種機的性能，對PLC遠程監(jiān)測控制系統和播種機的性能進行了測試，包括實時數據監(jiān)測和播種性能參數，播種機測試樣機如圖7所示。

圖7　機械式玉米播種機樣機

為了便于監(jiān)測數據，選用機械式播種機作為測試樣機，通過數據監(jiān)測可以得到一系列的播種機播種過程的實際運行數據，通過監(jiān)測得到的排種輪轉速曲線如圖8所示。

圖8　排種輪轉速監(jiān)測曲線

由圖8可以看出：排鐘輪的轉速在調整前運行平穩(wěn)，調整轉速過程時間差較短，調整后的轉速依然運行平穩(wěn)。對縱向車速進行監(jiān)測，得到的監(jiān)測曲線如圖9所示。

為了測試播種機的性能，對播種機進行加速，加速曲線如圖9所示。通過10s的加速，對播種機行駛方向的穩(wěn)定性進行監(jiān)測，得到了如圖10所示的監(jiān)測曲線。對于播種機行駛方向可以用方向盤的轉向來代替。由圖10可以看出：在10s的加速過程中，方向盤的轉角沒有發(fā)生較大的變化，這說明播種機的行駛方向穩(wěn)定。

圖9　縱向播種機行駛速度監(jiān)測曲線

圖10　方向盤轉角測試曲線

表1為播種精度的測試表，對播種機的重播率進行了8次測試。由表1可以看出：通過8次測試，播種機的漏播率和重播率比較穩(wěn)定，其測試值都在1%以下，滿足精密播種機的設計需求。

表1　播種精度測試表

4結論

設計了一種基于PLC監(jiān)測和遠程控制系統的新型玉米播種機，重點對開溝機械裝置和播種機械裝置進行了改進。在開溝器的設計過程中使用了四連桿結構，在排種輪的設計過程中使用了直流驅動電機，在排種輪轉速的預測設計中引入了灰色預測模型，實現了播深、排種精度和播種機行駛方向的實時監(jiān)測和精確控制。

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Design for Maize Seeding Machine Based on PLC Monitoring System and Remote Control

Shi Zengfang, Jiang Yanlei

(Henan Polytechnic Institute,Nanyang 473000, China)

Abstract：In order to improve the automation level and planting accuracy of maize seeding machine,it designs a model based on PLC monitoring system of remote control corn seeder with the corn planter ditching mechanical device and seeding machinery device.Combined with PLC,it realizes the real-time monitoring and control of the sowing depth, accuracy and planter in the travel direction based on monitoring and control technology.In order to achieve plant deep and metering accuracy of automatic control it uses PLC on furrow opener and wheel for real-time monitoring, and the four connecting rod structure and a DC drive motor to control the seed discharging wheel speed prediction by using gray prediction model,which can effectively improve sowing depth and sowing precision control of the automation level. Finally, the performance of the seeding machine is tested. The remote control and monitoring system can be used to monitor the speed of the wheel, the speed of sowing machine and the direction of running.

Key words：four bar structure; PLC monitoring system; corn sowing; driving motor; grey prediction

中圖分類號：S223.2+5

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0126-05

作者簡介：史增芳(1973-)，男，河南焦作人，副教授，碩士。通訊作者：姜巖蕾(1974-)，女，河南南陽人，副教授，碩士，(E-mail)jiangyanlei1974@qq.com。

基金項目：河南省科技廳科技攻關項目(142102210367)；南陽市科技攻關項目(2015039)

收稿日期：2015-08-09