基于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的水稻直播機(jī)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭菊生,朱景建,陳建能

(1.湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 湖州 313000;2.浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院,浙江 杭州 310018;3.湖州市新能源電驅(qū)動(dòng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 湖州 313000 4.浙江省種植裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310018)

我國(guó)的主要糧食作物是水稻和小麥,目前,我國(guó)已經(jīng)成為世界上水稻產(chǎn)量最多的國(guó)家,種植面積達(dá)到4.6億畝[1]。近年來,農(nóng)村勞動(dòng)力大量向城鎮(zhèn)流動(dòng)且老齡化不斷加劇,直接從事農(nóng)業(yè)勞動(dòng)的人力資源減少,土地資源逐漸集中,以移栽為基礎(chǔ)的水稻精細(xì)化栽培方式成本高、效率低,受到了多重挑戰(zhàn),水稻生產(chǎn)漸而轉(zhuǎn)向水稻直播栽培方式[2]。水稻直播是在夏熟作物讓茬后將稻種直接播于大田的一種栽培方式[3],與移栽相比,它具有省工省勁、省秧田省成本等優(yōu)點(diǎn)[4]。同時(shí)水稻直播對(duì)降低勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約水資源、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和增加農(nóng)民收入有幫助[5]。水稻直播機(jī)最關(guān)鍵的技術(shù)在于水稻精密排種器,目前無調(diào)速模塊和播種檢測(cè)裝置的水稻精密排種器無法根據(jù)水稻直播機(jī)的行進(jìn)速度適時(shí)調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,當(dāng)然也就無法調(diào)整播種量,同時(shí)無法檢測(cè)排種管是否堵塞,經(jīng)常出現(xiàn)漏播、堵塞及播種量超標(biāo)或不足等問題,造成缺苗斷壟,使畝株數(shù)減少,嚴(yán)重影響農(nóng)作物的產(chǎn)量。隨著社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步,為了提高檢測(cè)精度和播種質(zhì)量,許多先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于精密排種器排種性能的檢測(cè)中[6]。基于上述存在的問題以及智能化技術(shù)的發(fā)展,研制了基于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的水稻直播機(jī)PLC控制系統(tǒng),以提高播種的質(zhì)量和精確性。

1 系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)與控制原理

1.1 系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)

圖1是基于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的水稻直播機(jī)的裝置結(jié)構(gòu)圖,該裝置包括傳感器、控制系統(tǒng)及執(zhí)行器。傳感器包括種子面高度傳感器、排種管檢測(cè)傳感器、地輪速度傳感器和紅外光電感應(yīng)開關(guān);控制系統(tǒng)包括水稻排種器控制器及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器;執(zhí)行器包括報(bào)警器和步進(jìn)電機(jī)。種子面高度傳感器設(shè)于所述蓋體的頂部,用于檢測(cè)稻種在所述箱體內(nèi)的高度;種子箱內(nèi)的種子在重力及種子間的作用力作用下充入排種輪上的穴孔內(nèi),每個(gè)穴孔的種粒數(shù)量為5～7粒。排種器在控制系統(tǒng)控制的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)穴孔內(nèi)的種子運(yùn)動(dòng),穴孔內(nèi)的種子在重力的作用下落入排種管,種子在斜置的排種管內(nèi)實(shí)現(xiàn)排序后依次流經(jīng)排種管檢測(cè)傳感器,該傳感器能測(cè)量種子的數(shù)量,由此實(shí)現(xiàn)播量的精確控制。

圖1 基于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的水稻直播機(jī)的裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2 控制原理

基于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的水稻直播機(jī)PLC控制系統(tǒng)原理如圖2所示,其采用地輪上安裝霍爾速度傳感器來檢測(cè)拖拉機(jī)前進(jìn)速度,PLC根據(jù)該信號(hào)從而控制步進(jìn)電機(jī),使水稻直播機(jī)排種速度與拖拉機(jī)前進(jìn)速度協(xié)調(diào),并可隨時(shí)調(diào)節(jié)株距,從而使播種株距滿足要求;采用電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速,糾正偏差,自動(dòng)校準(zhǔn),更準(zhǔn)確地控制。采用水稻種子箱里安裝激光測(cè)距傳感器來不斷測(cè)量種子面的高度變化,從而隨時(shí)掌握種子箱的種子量,防止沒有及時(shí)加種子;采用排種管里安裝紅外光電計(jì)數(shù)器檢測(cè)排種的數(shù)量以及排種管是否堵塞,從而精確播種以及防止漏播;采用紅外光電感應(yīng)開關(guān),監(jiān)測(cè)各種特殊情況,比如農(nóng)具抬起來的時(shí)候,自動(dòng)關(guān)停電機(jī),不下種。

圖2 基于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的水稻直播機(jī)智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主要組成包括人機(jī)交互界面(HMI)、可編程序控制器(PLC)、驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)等。HMI是一種包含硬件和軟件的人機(jī)交互設(shè)備,通過觸摸屏寫入工作參數(shù)或輸入操作命令,實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器信息交互。PLC依據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)出脈沖信號(hào),通過驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而控制排種速度。

2.1 水稻排種器控制器

水稻排種器控制器可以選擇單片機(jī)或PLC。單片機(jī)雖然成本低,但是其穩(wěn)定性還需要不斷提高,單片機(jī)外圍還要涉及很多的電子元件;而PLC相比單片機(jī),具有故障率低、抗干擾能力強(qiáng)、高效的處理速度、精確的數(shù)據(jù)處理能力、易于設(shè)備的擴(kuò)展、便于維護(hù)、開發(fā)周期短、優(yōu)越的性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)。目前非常多的控制裝置采用PLC。而且PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)具有良好的控制能力,只是無法進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng),而是需要通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來完成。本項(xiàng)目選擇200 SMART系列PLC,它提供了脈沖調(diào)制(PWM)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。

2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的作用是將PLC發(fā)出的電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào), 它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度(即“步距角”)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器如圖3所示,驅(qū)動(dòng)器上的ENA為脫機(jī)信號(hào)(可不接),DIR為方向信號(hào),PUL為脈沖信號(hào),需要接到PLC的高速脈沖輸出端口上。驅(qū)動(dòng)器還需要對(duì)以下參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,具體參數(shù)可通過電機(jī)標(biāo)簽以及驅(qū)動(dòng)器標(biāo)注查看。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)輸入電壓主要以5 V與24 V為主,PLC的信號(hào)輸出電壓為24 V,與SMART PLC進(jìn)行連接時(shí)為共陰級(jí)接線。當(dāng)選用24 V步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器時(shí)可直接與PLC信號(hào)段進(jìn)行連接,接線圖如圖4所示。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 圖4 PLC、驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)接線圖

2.3 步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)具有無累積誤差、跟蹤性能好的優(yōu)點(diǎn)[7],是運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的主要執(zhí)行元件之一。它將電脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移,電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)量,不受負(fù)載變化的影響,即給電機(jī)一個(gè)脈沖信號(hào),電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角,所以PLC通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度,從而達(dá)到調(diào)速的目的。因此PLC驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)主要依靠PLC的高速脈沖輸出功能,200 SMART系列PLC最多支持3個(gè)高速脈沖輸出,其具體輸出數(shù)量取決于PLC的型號(hào),如表1所示。

表1 PLC的型號(hào)對(duì)應(yīng)的高速脈沖輸出

2.4 地輪速度傳感器

速度測(cè)量的方式很多,利用霍爾傳感器對(duì)磁通量變化的感知能力測(cè)量是目前所普遍采用的一種?；魻柺睫D(zhuǎn)速傳感器可用于檢測(cè)各類旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)速,在水稻直播機(jī)中通過在其地輪上同軸安裝信號(hào)轉(zhuǎn)子,同時(shí)在合適位置安裝能夠檢測(cè)到磁通變化的霍爾傳感器,霍爾傳感器對(duì)準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)子安裝,兩者間隙在0.5～3 mm內(nèi)?；魻杺鞲衅鞯妮敵鰧㈦S著水稻直播機(jī)行駛過程中地輪的轉(zhuǎn)動(dòng)而不斷變化,它采集地輪帶動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的脈沖信號(hào),發(fā)送給PLC控制器計(jì)算獲得水稻直播機(jī)的行進(jìn)速率,原理如圖5所示。

圖5 地輪速度傳感器原理圖

2.5 種子面高度傳感器

播種過程中,水稻直播機(jī)內(nèi)由于播種種子箱內(nèi)的種子在不斷減少,種子面高度在不斷降低,為了及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)出種子面的高度變化,從而掌握種子箱里的種子量,有必要對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷進(jìn)行改進(jìn)。通過設(shè)置激光傳感器對(duì)箱體內(nèi)的稻種高度進(jìn)行測(cè)量,當(dāng)檢測(cè)到的稻種的高度低于預(yù)設(shè)的閾值時(shí),控制系統(tǒng)將控制報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警,及時(shí)提醒作業(yè)人員補(bǔ)充稻種。另外,設(shè)置電機(jī)驅(qū)動(dòng)蓋板進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng),可以阻止稻種從出料口處流出,從而作業(yè)人員可實(shí)時(shí)控制播種量,不會(huì)出現(xiàn)返工的情況。

2.6 排種管檢測(cè)傳感器

為了計(jì)算排種管漏下的種子量,以及檢測(cè)排種管堵塞情況,在每行排種管底部安裝了紅外光電計(jì)數(shù)器。本文采用紅外遮光式計(jì)數(shù)器,其工作原理是從紅外發(fā)光管發(fā)射出的紅外光線直射在光電元件上,每當(dāng)紅外光線被遮擋一次,光電元件的工作狀態(tài)就改變一次,通過放大器可使計(jì)數(shù)器記下被遮擋的次數(shù)[8],如有數(shù)值超出正常范圍,PLC就會(huì)進(jìn)行聲光報(bào)警,從而實(shí)現(xiàn)精確播種。如果排種管堵塞,種子便向上堆積遮住傳感器,這時(shí)傳感器也會(huì)向PLC發(fā)送高電平信號(hào),且信號(hào)一直為高電平,這樣PLC就會(huì)根據(jù)預(yù)先的設(shè)置進(jìn)行聲光報(bào)警,避免漏播。

2.7 紅外光電感應(yīng)開關(guān)

紅外光電感應(yīng)開關(guān)是利用被檢測(cè)物對(duì)光束的遮擋或反射,由同步回路選通電路,從而檢測(cè)物體有無的。物體不限于金屬,所有能反射光線的物體均可被檢測(cè)。光電開關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號(hào)射出,接收器再根據(jù)接收到的光線的強(qiáng)弱或有無對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行探測(cè)。本系統(tǒng)中將該開關(guān)安裝在鎮(zhèn)壓輪的底部,接在控制系統(tǒng)電路中,只有當(dāng)排種裝置落下時(shí),也就是鎮(zhèn)壓輪著地時(shí),感應(yīng)開關(guān)發(fā)信號(hào)給PLC,PLC控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)排種器開始工作。同時(shí),可以保證水稻直播機(jī)臨時(shí)停車或地頭轉(zhuǎn)彎等狀況時(shí)排種器不能繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),避免無效排種,浪費(fèi)種子。

3 試驗(yàn)與結(jié)論

3.1 單體樣機(jī)試驗(yàn)

為了測(cè)試該系統(tǒng)的性能,對(duì)單體樣機(jī)進(jìn)行了播種監(jiān)測(cè)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集。試驗(yàn)在水稻示范園區(qū)田間進(jìn)行,試驗(yàn)稻種選擇稻花香種子,作業(yè)速度設(shè)定在3 km/h,每穴播5～7粒破胸露白稻種,拖拉機(jī)牽引2BDXZ型10行水稻精量穴直播機(jī),分別在在PLC控制和手動(dòng)控制條件下進(jìn)行不同株距地播種作業(yè),最后選取10行排種器中的1行,對(duì)不同播種穴距條件下水稻的實(shí)測(cè)株距與設(shè)定株距值做對(duì)比,數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 播種機(jī)在不同控制狀態(tài)下的播種株距

從表中可以看出PLC控制的播種株距與設(shè)定值之間的最大差異僅為1 cm,同時(shí)PLC控制的誤差率低于手動(dòng)控制,PLC控制表現(xiàn)出了較高的控制精度。控制系統(tǒng)對(duì)種子箱種子多少以及排種管堵塞都能及時(shí)準(zhǔn)確地報(bào)警,避免出現(xiàn)空白的田塊,為高產(chǎn)提供了保障。而手動(dòng)控制狀態(tài)下,播種株距雖然能被控制在20 cm左右,但是一致性較差,株距的變化范圍達(dá)到3.5 cm,精確度比智能控制狀態(tài)低。當(dāng)然,控制系統(tǒng)依據(jù)拖拉機(jī)行進(jìn)速度控制步進(jìn)電機(jī),所以系統(tǒng)不能減少拖拉機(jī)車輪滑移和排種器本身漏種引起的漏播現(xiàn)象。

3.2 性能對(duì)比試驗(yàn)

為了與其他水稻直播機(jī)對(duì)比該系統(tǒng)的性能,進(jìn)行了性能對(duì)比試驗(yàn)。在同一臺(tái)水稻精量穴直播(2BD-10型)機(jī)上,分別安裝兩套不同結(jié)構(gòu)類型的水稻穴直播精量排種裝置,一套為試驗(yàn)的精量穴直播機(jī)自帶優(yōu)化設(shè)計(jì)的型孔輪式排種器,另一套為自主研制的基于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的水稻直播機(jī)PLC控制系統(tǒng),在同等工況條件下開展田間精量機(jī)械化穴直播的試驗(yàn)與對(duì)比,以比較兩種不同類型穴直播系統(tǒng)的每穴入田播種量、排種干凈度、種子破損率、漏播率、純工作小時(shí)生產(chǎn)率和燃油消耗量。試驗(yàn)在水稻示范園區(qū)田間進(jìn)行,試驗(yàn)稻種選擇稻花香種子,作業(yè)速度設(shè)定在3 km/h,每穴播5～7粒破胸露白稻種。一方面觀察入田的每穴播種量,另一方面在試驗(yàn)一定面積后拆解穴直播裝置以觀察排種器內(nèi)是否留有種子,也即排種器的堵塞情況和排種干凈度;同時(shí),對(duì)種子破損率、漏播率、純工作小時(shí)生產(chǎn)率和燃油消耗量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和計(jì)算。根據(jù)田間試驗(yàn)情況,試驗(yàn)效果如表3所示。

從表3可以看出,自主研制的基于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的水稻直播機(jī)PLC控制系統(tǒng)在每穴入田播種量、排種干凈度、種子破損率和漏播率方面的性能,明顯優(yōu)于精量穴直播機(jī)自帶優(yōu)化設(shè)計(jì)的型孔輪式排種器;由于采用的是同一臺(tái)水稻精量穴直播機(jī)做動(dòng)力,所以純工作小時(shí)生產(chǎn)率和燃油消耗量接近。

3.3 結(jié)論

基于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的水稻直播機(jī)智能化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),結(jié)合該試驗(yàn)結(jié)果,可得到如下結(jié)論:

(1)該系統(tǒng)以PLC為控制中心,通過人機(jī)界面輸入株距,根據(jù)傳感器反饋回來的信號(hào),支配步進(jìn)電機(jī)完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)和功能,使電機(jī)驅(qū)動(dòng)下的排種速度與拖拉機(jī)作業(yè)速度相適應(yīng),避免因?yàn)樗局辈C(jī)手動(dòng)控制帶來的播種株距不穩(wěn)定等問題,實(shí)現(xiàn)排種器轉(zhuǎn)速的PLC自動(dòng)控制。且因?yàn)樵撓到y(tǒng)由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)排種器,減少了中間環(huán)節(jié),簡(jiǎn)化了傳動(dòng)系統(tǒng),提高了傳動(dòng)精度和穩(wěn)定性,有效地保證了播種株距的一致性[9]。

(2)同時(shí)該智能控制系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)種子面高度、排種管漏播及堵塞情況,解決了傳統(tǒng)直播機(jī)容易出現(xiàn)的漏播或堵塞等問題。而且本設(shè)計(jì)易于改進(jìn),并可與不同型號(hào)的播種機(jī)配套使用,增大了使用的范圍。它的檢測(cè)精度高,同時(shí)可檢測(cè)多個(gè)信號(hào),易于擴(kuò)展,工作可靠。

(3)另外,該智能控制系統(tǒng)的排種器由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),減少了一般播種機(jī)采用地輪驅(qū)動(dòng)帶來的打滑及播種不均勻現(xiàn)象。

總之,本設(shè)計(jì)解決了無調(diào)速模塊和播種檢測(cè)裝置的水稻精密排種器播種時(shí)遇到的一些無法解決的問題,不但減輕了播種人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,而且也提高了水稻直播機(jī)的播種質(zhì)量,確保水稻增產(chǎn)增收,從而更好地幫助農(nóng)民脫貧致富。