播種機性能監(jiān)控系統(tǒng)試驗臺的設(shè)計*

劉國鑄 ， 吳 南 ， 谷喜成

（遼寧機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系，遼寧 丹東 118009）

現(xiàn)在很多地區(qū)都已經(jīng)采取農(nóng)業(yè)機械化操作，播種機精量播種、施肥技術(shù)越來越受到廣大農(nóng)民的歡迎。播種機播種時，田間工況復(fù)雜，播種時會存在漏播和播種不均勻等現(xiàn)象。精量播種是指播種機依據(jù)農(nóng)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(zhǔn)確定位的過程。精量播種具有諸多優(yōu)點，尤其是在節(jié)約種子、幼苗發(fā)育、減少缺苗和間苗工作量方面有很大的優(yōu)勢，同時有助于做到苗全、苗齊、苗均、苗壯，既能節(jié)約成本，又能提高產(chǎn)量[1-3]。播種機作為農(nóng)耕時期的一種種植機械，其播種質(zhì)量直接影響作物的產(chǎn)量，播種精度及均勻性是衡量播種機工作性能的重要指標(biāo)，準(zhǔn)確檢測播種機播種相關(guān)技術(shù)參數(shù)是檢驗播種機工作性能和確定最佳工作參數(shù)的關(guān)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(shè)備[4-8]。傳統(tǒng)的播種機在組裝完成后，直接投入市場，沒有系統(tǒng)的檢測裝置，使用時經(jīng)常會出現(xiàn)播種不均勻、出料管堵塞不出料或出料過多等現(xiàn)象，造成資源浪費。基于此，課題組設(shè)計了一種模擬田間工況的播種機性能監(jiān)控系統(tǒng)試驗臺。

1 試驗臺設(shè)計

播種機性能監(jiān)控系統(tǒng)試驗臺主要由監(jiān)控系統(tǒng)、測試臺、支撐結(jié)構(gòu)及傳送帶組成。試驗臺整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，測試臺剖視圖如圖2 所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)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(cè)的轉(zhuǎn)動輪置于傳送帶上，通過傳送帶帶動轉(zhuǎn)動輪轉(zhuǎn)動，支撐結(jié)構(gòu)置于測試臺上支撐播種機架。測試臺上對應(yīng)播種機排種部位開設(shè)有凹槽，凹槽內(nèi)設(shè)有播種檢測傳感器，可以檢測播種粒數(shù)。凹槽底部均設(shè)有稱重臺，在凹槽內(nèi)均設(shè)有置于稱重臺上的收納桶，播種機的排種管對應(yīng)凹槽開口。稱重臺上的稱重顯示器置于測試臺一側(cè)，通過檢測的播種粒數(shù)和稱量播種機在設(shè)定時間內(nèi)的排種量確定播種機的播種性能。

所述支撐結(jié)構(gòu)包括兩個頂塊和一個支撐架，兩個頂塊對稱設(shè)置在兩轉(zhuǎn)動輪內(nèi)側(cè)的測試臺上開孔內(nèi)，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(shè)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(zhuǎn)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(dǎo)致其損壞，同時保證傳送帶呈中間低、兩邊高的設(shè)置狀態(tài)。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(shè)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(shè)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(zhuǎn)動輪下方，轉(zhuǎn)動輪與傳送帶的履帶緊密接觸，保證轉(zhuǎn)動輪穩(wěn)定轉(zhuǎn)動，進而使物料下落。支撐架上方呈U 型開口設(shè)置，支撐播種機穩(wěn)定置于測試臺上方，保證傳送帶勻速運轉(zhuǎn)而不致承受過大壓力，以保證精準(zhǔn)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(zhuǎn)動輪轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)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(yīng)播種機排種部位。這種設(shè)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(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件

播種機性能監(jiān)控系統(tǒng)用于控制試驗臺運行和監(jiān)測播種性能指標(biāo)，由觸摸屏和可編程控制器PLC 作為上下位機的控制設(shè)備。系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)硬件配置

監(jiān)控系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)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(fā)射端和接收端組成矩形區(qū)域，檢測范圍為10 cm2。當(dāng)有種子落入該區(qū)域時，發(fā)射端發(fā)出的信號部分被遮擋，發(fā)射信號減弱，產(chǎn)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(diào)整，便于精確檢測播種籽粒信號，由計數(shù)的播種籽粒個數(shù)可計算播種機的播種量。播種監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用兩個矩形光纖傳感器對播種性能進行監(jiān)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(zhì)量。三相交流異步電動機帶動傳送帶運行，進而驅(qū)動播種機進行播種控制。變頻器控制對電動機進行無級調(diào)速，可實現(xiàn)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(xiàn)播種機試驗臺的閉環(huán)控制，進一步提高試驗臺檢測精度。

2.2 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)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(shù)設(shè)置和播種性能實時顯示?？删幊炭刂破鱌LC 梯形圖程序是系統(tǒng)監(jiān)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(shù)的運算處理。在進行播種機性能檢測前，需通過監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面對播種速度、播種種植行試驗長度、播種行數(shù)、排種器分種勺數(shù)、播種粒距等信息進行設(shè)置，試驗臺啟動后，PLC 依據(jù)設(shè)定的控制參數(shù)控制試驗臺的運行。播種機性能顯示界面，可實時顯示當(dāng)前播種機的播種性能指標(biāo)，包括播種的合格數(shù)、漏播數(shù)、重播數(shù)、變異系數(shù)等播種機性能指標(biāo)。系統(tǒng)控制程序流程圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)控制程序流程圖

系統(tǒng)運行后，播種機以設(shè)定的速度進行播種作業(yè)，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(shù)器，同時播種粒數(shù)加1，在設(shè)定的時間內(nèi)若傳感器2 檢測到2 粒種子信號，說明在傳感器1 檢測區(qū)為重疊籽粒，此時將播種粒數(shù)和重播粒數(shù)加1，精確檢測重疊籽粒造成的重播。同時PLC 內(nèi)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(shù)加1；若t＞1.5 倍的理論粒距Δt，則漏播數(shù)加1；若t在0.5 倍與1.5 倍的理論粒距Δt 之間，則合格數(shù)加1；同時系統(tǒng)根據(jù)檢測的漏播數(shù)、重播數(shù)、合格數(shù)計算出播種的漏播率、重播率、合格率、斷條率、變異系數(shù)等播種性能指標(biāo)。

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(zhuǎn)動輪置于傳送帶上，呈中間低兩邊高的狀態(tài)，將種子放置在播種機的種箱內(nèi)，然后即可進行測試工作。通過監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置好測試參數(shù)后，按下啟動按鈕，測試臺上的傳送帶開始帶動播種機轉(zhuǎn)動輪旋轉(zhuǎn)，從而使播種機處于工作狀態(tài)，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(dāng)前播種情況，便于觀察性能指標(biāo)數(shù)據(jù)。播種機內(nèi)部的種子通過排種管下落，至收納桶中，當(dāng)其測試一段時間后，可以通過稱重臺檢測收納桶內(nèi)種子的重量，然后通過稱重顯示器顯示數(shù)據(jù)，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(nèi)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(dāng)收納桶內(nèi)部的物料重量相差較大時可以判斷播種機出現(xiàn)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(zhì)量，進一步確定播種機的播種性能指標(biāo)。

4 結(jié)論

1）課題組設(shè)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(shè)定時間內(nèi)的排種量，確定播種機的播種性能，結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)動輪接觸，從而使播種機處于工作狀態(tài)，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(shù)據(jù)。

3）測試臺上設(shè)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。