胡志新，翁凌霄，汪小志

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

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氣吸式自動(dòng)穴盤育苗精量播種機(jī)設(shè)計(jì)——基于PLC控制

胡志新1，翁凌霄1，汪小志2

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

摘要：為了適應(yīng)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(jī)的普遍適應(yīng)能力，基于PLC控制系統(tǒng)和傳感器信號(hào)采集，采用壓電彈簧和氣吸盤相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了一種新型自動(dòng)穴盤精量播種機(jī)。利用壓電彈簧對(duì)排種器振動(dòng)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，基于逆壓電效應(yīng)，將微小位移放大后驅(qū)動(dòng)排種器盤進(jìn)行振動(dòng)，使種子達(dá)到了理想的排種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，大大提高了吸種效率和播種性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：PLC控制系統(tǒng)通過自適應(yīng)調(diào)整可以使誤差降低到接近于0，且響應(yīng)迅速，響應(yīng)精度較高，播種機(jī)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(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：精量播種機(jī)；穴盤育苗；PLC控制；排種器

0引言

穴盤育苗是實(shí)現(xiàn)精量播種機(jī)工廠化育苗的關(guān)鍵技術(shù)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(diǎn)。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(dòng)，需要使種子克服內(nèi)摩擦力，從而實(shí)現(xiàn)種子之間的分離，增加其流動(dòng)性。為了改善種子特別是小體積種子的流動(dòng)性，一般采用機(jī)械振動(dòng)的形式，利用激勵(lì)裝置使種子產(chǎn)生“沸騰”運(yùn)動(dòng)，達(dá)到理想的排種效果。為了實(shí)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(dòng)力，使用傳感器和PLC控制系統(tǒng)來增強(qiáng)系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)能力，對(duì)于小體積精量播種器械的研究具有重要意義。

1機(jī)械結(jié)構(gòu)

為了使氣吸式自動(dòng)穴盤育苗播種機(jī)實(shí)現(xiàn)精量化控制，在排種系統(tǒng)中添加了偏心電機(jī)、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(shè)置一定的播種間距。精量排種器總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1　精量播種機(jī)排種器結(jié)構(gòu)示意圖

播種機(jī)進(jìn)行播種作業(yè)時(shí)，PLC控制播種機(jī)的排種電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而波動(dòng)種子；種子經(jīng)過排種導(dǎo)管時(shí)被檢測(cè)，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(jī)的運(yùn)動(dòng)速度，從而得到播種間距。氣吸式排種器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　氣吸式排種器結(jié)構(gòu)示意圖

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

圖3為啟動(dòng)系統(tǒng)的示意圖。作業(yè)時(shí)，將吸種盤外拉，種子室在電磁開關(guān)的帶動(dòng)下移動(dòng)到下工位，在導(dǎo)軌引導(dǎo)下，運(yùn)動(dòng)到穴盤的正上方；切斷負(fù)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(guān)布置如圖4所示。

圖3　氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.行程開關(guān)　2.撞塊　3.直滑軌　4.調(diào)節(jié)高度裝置

當(dāng)穴盤運(yùn)動(dòng)到放種位置時(shí)會(huì)觸碰到行程開關(guān)，穴盤立即停止，泄壓閥接通后開始放種，從而實(shí)現(xiàn)精量播種。該過程的控制由PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

2基于PLC的精量播種機(jī)控制系統(tǒng)

氣吸式精量播種機(jī)的控制核心為PLC可編程控制器，主要控制的對(duì)象包括變頻器、調(diào)速電機(jī)、電磁開關(guān)、行程控制器、速度和位移傳感器等。當(dāng)位移和速度信號(hào)通過傳感器采集送到PLC控制器時(shí)，PLC發(fā)出電磁開關(guān)的通斷指令，實(shí)現(xiàn)播種機(jī)的自動(dòng)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(jī)構(gòu)、吸種盤和穴盤，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)穴放種和精量播種。具體步驟：首先利用電磁開關(guān)實(shí)現(xiàn)打穴操作，其作業(yè)結(jié)構(gòu)為滾壓模式；穴盤繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，吸種機(jī)構(gòu)的電磁開關(guān)完成吸種操作；當(dāng)穴盤運(yùn)動(dòng)到放種位置時(shí)會(huì)觸碰到行程開關(guān)，穴盤立即停止，泄壓閥接通后開始放種，從而實(shí)現(xiàn)精量播種。該過程可有PLC系統(tǒng)反饋排種電機(jī)的速度、加速度和排種器的一系列信息，實(shí)現(xiàn)播種控制系統(tǒng)的閉環(huán)調(diào)節(jié)?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)框圖

工作過程：首先，PLC利用傳感器采集得到加速度信號(hào)，積分出速度信號(hào)；然后，利用排種器中的排種傳感器采集得到排種量的信號(hào)；最后，PLC通過分析排種速度和播種機(jī)的速度得到排種的間隔，將其與預(yù)先設(shè)定的排種間距進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)排種電機(jī)的反饋調(diào)節(jié)。利用PLC變頻調(diào)控電機(jī)的頻率可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)整種子的輸出速度。當(dāng)排種器阻塞、傳感器長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)不到排種信號(hào)時(shí)，PLC控制偏心電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)；如果還檢測(cè)不到排種時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

為了提高排種器的普遍適用性，真正意義上實(shí)現(xiàn)小體積種子的精量排種，需要設(shè)計(jì)精確的彈簧支撐系統(tǒng)，使種子能夠產(chǎn)生“沸騰”運(yùn)動(dòng)，便于吸種器吸種。假設(shè)振動(dòng)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(dá)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(yùn)動(dòng)，振動(dòng)強(qiáng)度應(yīng)該滿足的公式為

(2)

其中，A為排種盤的振動(dòng)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(dá)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(dòng)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(shí)受到外力和電場(chǎng)力的作用，其表達(dá)式為

S3=s33ET3+d33E3

D3=d33T3+ε33TE3

(4)

其中，S33E、S3、T3為材料的應(yīng)力、應(yīng)變和柔度；D3為電位移；E3為電場(chǎng)強(qiáng)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(fù)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(shí)際控制的過程中，可以利用傳感器對(duì)排種情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，利用排種情況的反饋信息對(duì)壓電材料的形變量進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，實(shí)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(jī)的設(shè)計(jì)過程中，播種機(jī)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(jì)數(shù)。其中，排種器堵塞情況的監(jiān)測(cè)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(dǎo)種管內(nèi)無種粒通過；排種器的阻塞是指種子將導(dǎo)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(dǎo)種管的底部，當(dāng)種子經(jīng)過底部時(shí)，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(yù)測(cè)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(cè)傳感器

圖8為排種量監(jiān)測(cè)傳感器的安裝總體示意圖。排種量的監(jiān)測(cè)就是對(duì)每一粒種子進(jìn)行計(jì)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(hào)不一致，計(jì)數(shù)相對(duì)困難；當(dāng)兩粒種子同時(shí)通過時(shí)，也會(huì)影響監(jiān)測(cè)結(jié)果?？紤]這些情況，將傳感器安裝在排種器上，其安裝簡(jiǎn)圖如圖9所示。

圖9　改進(jìn)后的傳感器電路安裝簡(jiǎn)圖

通過改進(jìn)，將傳感器對(duì)接于排種器的兩側(cè)。因?yàn)楸P孔經(jīng)過傳感器的順序是確定的，因此不會(huì)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(shí)，光敏電阻的阻值變化也相對(duì)規(guī)律，這更加便于種粒計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。

4性能測(cè)試

為了驗(yàn)證本次研究設(shè)計(jì)的氣吸式自動(dòng)穴盤苗精量播種機(jī)的可靠性，利用實(shí)驗(yàn)樣機(jī)對(duì)其播種性能進(jìn)行了測(cè)試，在傳統(tǒng)的氣吸式穴盤苗播種機(jī)上裝載了PLC反饋控制系統(tǒng)，樣機(jī)如圖10所示。

圖10　實(shí)驗(yàn)測(cè)試樣機(jī)

測(cè)試項(xiàng)目包括PLC閉環(huán)控制響應(yīng)時(shí)間、播種機(jī)的各項(xiàng)播種性能。通過測(cè)試得到了PLC控制系統(tǒng)的誤差隨時(shí)間變化的響應(yīng)曲線，結(jié)果如圖11所示。

圖11　響應(yīng)誤差測(cè)試曲線

由圖11可以看出：在實(shí)際為500ms時(shí)，系統(tǒng)通過自適應(yīng)調(diào)整便可以使誤差降低到接近于0，響應(yīng)迅速，響應(yīng)精度較高，符合精量播種機(jī)的設(shè)計(jì)需求。

表1為通過5次測(cè)試之后得到的播種性能表。由表1可以看出：播種機(jī)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(dá)到了精量播種機(jī)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，從而驗(yàn)證了本次設(shè)計(jì)的播種機(jī)性能的可靠性。

表1　播種性能測(cè)試表

5結(jié)論

本文利用PLC控制系統(tǒng)和傳感器信號(hào)采集，采用壓電和氣吸相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了一種新的自動(dòng)穴盤精量播種機(jī)，并對(duì)排種器的振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)?；谀纥c(diǎn)效應(yīng)，利用微位移控制排種器盤的運(yùn)動(dòng)，使種子達(dá)到理想的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而提高了種子的吸附效率，增強(qiáng)了吸種和排種的穩(wěn)定性。

對(duì)播種機(jī)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)性能進(jìn)行了測(cè)試，項(xiàng)目主要包括系統(tǒng)的響應(yīng)能力和播種性能。通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)：該系統(tǒng)響應(yīng)迅速，且可以在短時(shí)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(xiàng)指標(biāo)均不高于5%，吸附率和播種合格率都在95%以上。其設(shè)計(jì)精度均高于精密播種機(jī)的設(shè)計(jì)要求，為自動(dòng)化精量播種機(jī)的設(shè)計(jì)提供了較有價(jià)值的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]鐘陸明,陳學(xué)庚.免耕播種機(jī)氣式排種器影響因素的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012,34(5):160-164.

[2]謝杭佳,李果.微耕機(jī)非作業(yè)狀態(tài)的振動(dòng)測(cè)試及分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2014,36(10):174-177.

[3]胡永文.氣吸式排種裝置試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2011,33(6):111-114.

[4]劉劍峰.動(dòng)力吸振器在農(nóng)用機(jī)械懸架系統(tǒng)振動(dòng)控制中的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012,34(6):30-33.

[6]楊友平,翁惠輝.一種簡(jiǎn)易的播種機(jī)播種監(jiān)測(cè)裝置[J].農(nóng)機(jī)化研究,2014,36(11):100-103.

[7]李丹,耿端陽.玉米精量播種機(jī)性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2013,35(11):71-74.

[8]吳艷艷,朱瑞祥,常芳.播種機(jī)播種質(zhì)量檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2013,35(5):196-199.

[9]宋鵬,張俊雄.精量播種機(jī)工作性能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2011(2):71-74.

[10]王振華,李文廣.基于單片機(jī)控制的氣力式免耕播種機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2013,44(S1): 56-59.

[11]董麗梅.山地播種機(jī)的研究與設(shè)計(jì)[D].蘭州:甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué),2009:19-21.

[12]徐云峰.小型免耕播種機(jī)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究[D].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué),2005:22-24.

[13]高煥文,李問盈,李洪文.中國(guó)特色保護(hù)性耕作技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2003,19(3):1-4.

[14]王晉生,王桂英.小麥機(jī)械化播種實(shí)踐[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備,2009(9):21-22.

[15]劉蘊(yùn)賢,倪道明,李從華,等.不同施肥方法對(duì)水稻生長(zhǎng)及稻田周圍水體污染的影響[J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué),2007,13(1):31-34.

[16]吳子岳,高煥文,張晉國(guó).玉米秸稈切斷速度和切斷功耗的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2002,32(2):38-41.

[17]何偉,陳彬,張玲.DSP/BIOS 在基于DM642 的視頻圖像處理中的應(yīng)用[J].信息與電子工程, 2006, 4(1):60-62.

[18]龔菲,王永驥. 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID參數(shù)自整定與實(shí)時(shí)控制[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2002,30(10):298-305.

[19]趙望達(dá),魯五一,徐志勝,等.PID控制器及其智能化方法探討[J].化工自動(dòng)化及儀表,1999,26(6): 45-48.

[20]谷傳綱,閻防,王彤.采用改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)離心通風(fēng)機(jī)性能的研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),1999,33(3):43-47.

[21]郭艷兵,齊古慶,王雪光.一種改進(jìn)的BP網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2002,26(2):13-14.

[22]秦國(guó)成,秦貴,張艷紅. 設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012,34(3):81-82.

[23]郝金魁,張西群,齊新,等.工廠化育苗技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展對(duì)策[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,40(1):349-351.

[24]張寧,廖慶喜.我國(guó)小粒徑種子播種技術(shù)與裝備的應(yīng)用與研究進(jìn)展[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化,2012(1):93-96,103.

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(hào)：S223.2+5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)10-0087-05

作者簡(jiǎn)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(xiàng)目：湖北省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2014CFB589)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)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(xiàng)目 (HBSKFMS2014032)

收稿日期：2015-08-27