史增芳，姜巖蕾

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，河南 南陽　473000)

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基于PLC監(jiān)測系統(tǒng)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(shù)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(tǒng)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(jié)合PLC監(jiān)測和控制技術(shù)，實現(xiàn)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(xiàn)播深和排種精度的自動化調(diào)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(jié)構(gòu)和直流驅(qū)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(zhuǎn)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(xiàn)：基于PLC監(jiān)測系統(tǒng)的遠程控制播種機可以有效地對排種輪轉(zhuǎn)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(xiàn)代化播種機的設計提供了較有價值的參考。

關(guān)鍵詞：四連桿結(jié)構(gòu)；PLC監(jiān)測系統(tǒng)；玉米播種；驅(qū)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(chǎn)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)?；?、多樣化和現(xiàn)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(zhì)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(tǒng)引入到播種機的監(jiān)測和控制系統(tǒng)中，不僅可以實現(xiàn)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(xiàn)代化播種機的設計具有重要的意義。

1基于PLC系統(tǒng)的玉米播種機總體設計

隨著移動通信技術(shù)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，可大大提高農(nóng)業(yè)裝備的自動化水平。本研究將PLC監(jiān)測和控制技術(shù)及移動通信網(wǎng)絡應用到了玉米播種機的優(yōu)化設計過程中，因為數(shù)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(xiàn)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(xiàn)場采樣儀將傳感器得到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后通過網(wǎng)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(shù)分析播種機的運行狀態(tài)，對設備的狀況進行總結(jié)，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(xiàn)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(guān)電路、傳感器電路和直流伺服驅(qū)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(zhuǎn)速的控制指令時，PLC系統(tǒng)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(xiàn)用戶在遠程對排種器進行控制。

2PLC監(jiān)測和控制系統(tǒng)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(jié)合PLC監(jiān)測和控制技術(shù)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)調(diào)整開溝深度，當開溝深度滿足要求深度時，停止調(diào)節(jié)，實現(xiàn)開溝深度的閉環(huán)調(diào)節(jié)過程。

同開溝器的調(diào)節(jié)過程類似，為了提高玉米播種的精度，對排種器的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)速信號傳遞給PLC，利用PLC的運算得到實際的導種輪轉(zhuǎn)速，將實際測得轉(zhuǎn)速和預設轉(zhuǎn)速進行對比，然后利用PLC輸出執(zhí)行動作；利用驅(qū)動電機調(diào)整排種輪的轉(zhuǎn)速，當排種輪轉(zhuǎn)速滿足要求深度時，停止調(diào)節(jié)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)調(diào)節(jié)過程。

圖4　排種器三維結(jié)構(gòu)圖

(1)

假設系統(tǒng)的采樣周期為0.5s，控制器的響應時間約為1s，預測步數(shù)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(shù)據(jù)向量XN，有

(4)

其中,矩陣B的轉(zhuǎn)秩矩陣可以寫成

(5)

引入4個計算參數(shù)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(shù)a為

(10)

灰色輸入u為

(11)

求得以上參數(shù)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(shù)，通過以上運算便可以得到排種輪的預測值，結(jié)合實際監(jiān)測值，可以完成排鐘輪轉(zhuǎn)速的實時控制。其實際數(shù)據(jù)的獲得流程如圖5所示。數(shù)據(jù)的通信方式一般有兩種：一是編程控制，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸；二是直接利用PLC連接上位機，獲取數(shù)據(jù)。本次研究采用第2種方式，并使用基于GPRS的數(shù)據(jù)通信方式，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖6所示。

基于手機通信的PLC控制系統(tǒng)遠程監(jiān)控的硬件結(jié)構(gòu)分為兩層，包括遠程通信網(wǎng)絡和控制通信網(wǎng)絡。遠程網(wǎng)絡使用遠程客戶端和移動通信網(wǎng)絡架構(gòu)，控制室的網(wǎng)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(tǒng)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(diào)整播種機的執(zhí)行動作，實現(xiàn)播種機作業(yè)的遠程控制。

圖5　PLC監(jiān)測數(shù)據(jù)傳遞流程

圖6　基于GPRS的PLC遠距離監(jiān)測與控制硬件結(jié)構(gòu)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(tǒng)的玉米播種機的性能，對PLC遠程監(jiān)測控制系統(tǒng)和播種機的性能進行了測試，包括實時數(shù)據(jù)監(jiān)測和播種性能參數(shù)，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(shù)據(jù)，選用機械式播種機作為測試樣機，通過數(shù)據(jù)監(jiān)測可以得到一系列的播種機播種過程的實際運行數(shù)據(jù)，通過監(jiān)測得到的排種輪轉(zhuǎn)速曲線如圖8所示。

圖8　排種輪轉(zhuǎn)速監(jiān)測曲線

由圖8可以看出：排鐘輪的轉(zhuǎn)速在調(diào)整前運行平穩(wěn)，調(diào)整轉(zhuǎn)速過程時間差較短，調(diào)整后的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向來代替。由圖10可以看出：在10s的加速過程中，方向盤的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)論

設計了一種基于PLC監(jiān)測和遠程控制系統(tǒng)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(jié)構(gòu)，在排種輪的設計過程中使用了直流驅(qū)動電機，在排種輪轉(zhuǎn)速的預測設計中引入了灰色預測模型，實現(xiàn)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。

參考文獻：

[1]趙金輝,楊學軍,周軍平,等.播種機開溝器及其性能測試裝置的現(xiàn)狀分析[J].農(nóng)機化研究,2014,36(1):238-241.

[2]蔡國華,李慧,李洪文,等.基于ATmega128單片機的開溝深度自控系統(tǒng)試驗臺的設計[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2011,27(10):11-16.

[3]孫星,吳儉敏,顏華,等.田間作業(yè)機具綜合性能遙控系統(tǒng)[J].農(nóng)機化研究,2013,35(7):97-100.

[4]郭孔輝,楊一洋,許男,等.輪胎試驗臺六分力解算、標定與優(yōu)化分析[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2014,45(5):8-15.

[5]劉立晶,楊學軍,李長榮,等.2BMG-24型小麥免耕播種機設計[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2009,40(10):39-43.

[6]姚宗路,高煥文,李洪文,等.不同結(jié)構(gòu)免耕開溝器對土壤阻力的影響[J].農(nóng)機化研究,2009,31(7):30-34.

[7]羅昕,胡斌,黃力爍.氣吸式穴盤育苗精量播種機的設計與試驗[J].農(nóng)機化研究,2010，32(11):130-132,140.

[8]夏紅梅,李志偉,甄文斌.氣力板式蔬菜排種器設計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2010,41(6):56-60.

[9]胡斌,董春旺.氣吸式穴盤精量播種機吸嘴吸附性能的試驗研究[J].石河子大學學報,2009,27(1):100-103.

[10]楊超,張冬泉,趙慶志.基于 S 曲線的步進電機加減速的控制[J].機電工程,2011,28(7):813-817.

[11]浦艷敏.關(guān)于數(shù)控系統(tǒng)加減速控制的研究[J].科學技術(shù)與工程,2009,9(22):6782-6785.

[12]張航偉,陳嬋娟.開放式數(shù)控系統(tǒng)中數(shù)控代碼的解釋與編譯[J].機械設計與制造,2011(2): 147-148.

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

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

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

[16]吳子岳,高煥文,張晉國.玉米秸稈切斷速度和切斷功耗的試驗研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報,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)絡的PID參數(shù)自整定與實時控制[J].華中科技大學學報：自然科學版,2002,30(10):298-305.

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

[20]谷傳綱,閻防,王彤.采用改進的BP神經(jīng)網(wǎng)絡預測離心通風機性能的研究[J].西安交通大學學報,1999,33(3):43-47.

[21]郭艷兵,齊古慶,王雪光.一種改進的BP網(wǎng)絡學習算法[J].自動化技術(shù)與應用,2002,26(2):13-14.

[22]趙星星,羅克露.嵌入式實時操作系統(tǒng)移植技術(shù)的研究與應用[J].計算機工程,2007,33(17):90-92.

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(guān)項目(142102210367)；南陽市科技攻關(guān)項目(2015039)

收稿日期：2015-08-09