趙鵬舉

(重慶電子工程職業(yè)學(xué)院 計算機學(xué)院，重慶 401331)

0 引言

大部分作物都以種子作為最初的形態(tài)，經(jīng)過生長發(fā)育獲得產(chǎn)量，優(yōu)良的種子能為農(nóng)業(yè)豐收奠定基礎(chǔ)。種子加工是提高種子質(zhì)量的重要手段，也是種子商品化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。研究表明：經(jīng)過加工處理的種子出苗整齊強壯，單產(chǎn)可以提高5%～10%，因此種子加工一直以來都受到各方的重視[1]。種子包衣是一項起源于歐美國家的種子加工技術(shù)，有利于提高種子的技術(shù)含量，實現(xiàn)種子的標(biāo)準(zhǔn)化。種子包衣技術(shù)是根據(jù)不同需求在種子表面包裹一層含有相應(yīng)成分的種衣劑，由農(nóng)藥、微肥和植物生長調(diào)節(jié)劑按照一定的比例混合而成，能促進種子的發(fā)芽和生長。種子包衣集成了多個農(nóng)業(yè)學(xué)科的技術(shù)，節(jié)約資源且對環(huán)境友好，為綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了有效的技術(shù)支撐。

種子包衣的方式有人工包衣和機械包衣兩種。人工包衣是將種子和種衣劑倒入體積較小的容器中，通過人工翻動、揉搓和攪拌將兩者混合。人工包衣的速度慢，效率低，操作人員容易受到包衣劑的毒害，僅適用于用種量小的作物[2]。種子的機械化包衣以攪龍、噴霧滾筒或分散盤為工作部件，將種衣劑均勻地包裹到種子的表面，由種子包衣機完成，作業(yè)效率高，污染較小，是當(dāng)前種子包衣普遍采用的方式。

種子包衣機最早出現(xiàn)在歐美國家，至今已經(jīng)有近百年的研究歷史，形成了齊全的類型。上述國家包衣機的穩(wěn)定性和適應(yīng)性強，自動化程度高，很好地滿足了種子加工的需求[3]。我國的種子包衣機與國外相比起步較晚，但發(fā)展很快，已經(jīng)研制出了多個成熟的機型，其性能在實踐中得到了驗證[4-5]。由于受設(shè)計思想和技術(shù)水平的制約，我國的種子包衣機自動化程度不高，包衣劑損失量大，作業(yè)效果與現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的要求之間有一定差距，影響了機械的推廣應(yīng)用[6]。針對上述問題，需要吸收國外的先進設(shè)計思想和制造經(jīng)驗，引入新型技術(shù)加強對作業(yè)過程的監(jiān)測控制，才能推動我國種子包衣機整體性能的提升。

種子包衣機的結(jié)構(gòu)大致可以分為種子供給裝置、種衣劑供給裝置、混合裝置、攪拌輸送裝置和控制系統(tǒng)5個部分，其控制系統(tǒng)與其它的各個部分都有關(guān)聯(lián)，發(fā)揮著重要的協(xié)調(diào)作用。因此，要改善機械整體性能，控制系統(tǒng)的升級是關(guān)鍵。目前，國內(nèi)關(guān)于種子包衣機的報導(dǎo)大多集中在控制系統(tǒng)方面，研究人員從實際應(yīng)用出發(fā)，設(shè)計了多種類型的控制系統(tǒng)和方法。早期的種子包衣機設(shè)計都側(cè)重于機械部分，控制部分雖然實現(xiàn)了電氣化，但是只能通過電機的開關(guān)來決定加料的時機，無法對加入的物料量和混合程度進行精確控制。隨著技術(shù)進步和設(shè)計思想的更新，可編程邏輯控制器(PLC)、單片機、傳感器和微芯片被應(yīng)用于包衣機，提高了控制的精度和效果[7-10]。在軟件方面，楊婉霞等將智能專家系統(tǒng)引入包衣機控制過程，通過專家的領(lǐng)域知識和規(guī)則推理達到了精準(zhǔn)包衣的目的[11]。

現(xiàn)有的各型種子包衣機大多采用變頻器來對喂料電機和供液電機進行控制，以實現(xiàn)種子量和種衣劑的精確供給。變頻器是將變頻技術(shù)與微電子技術(shù)結(jié)合，通過改變電源頻率來調(diào)節(jié)交流電動機轉(zhuǎn)速的電力設(shè)備。作為一種成熟的傳動控制裝置，變頻器對轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍寬、精確性和可靠性好，調(diào)節(jié)效率高，且操作方便[12]?；谏鲜龅膬?yōu)點，變頻器在電氣行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，主要在電動機調(diào)速、綠色發(fā)電和變頻電源3個方面[13]，具體的生產(chǎn)領(lǐng)域則包括食品加工和煤炭化工機械等[14-15]。

目前，種子包衣機上安裝變頻器主要用于調(diào)節(jié)喂料電機和供液電機，而對后續(xù)的混合和輸送環(huán)節(jié)重視程度不夠。為此，設(shè)計了基于變頻器的種子包機電氣控制系統(tǒng)，將變頻器與PLC結(jié)合，對包衣過程中的物料供給、混合和輸送環(huán)節(jié)進行精確控制，以提高包衣機的作業(yè)效率和質(zhì)量。

1 總體設(shè)計

電氣控制系統(tǒng)以5B-5型種子包衣機為安裝平臺，是由農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所在吸收國外技術(shù)的基礎(chǔ)上根據(jù)我國具體國情研制的種子包衣機。該型機械為甩盤霧化式，適用于小麥、玉米、棉花和水稻等作物，生產(chǎn)能力可以達到5t/h。種子包衣機除固定的支架結(jié)構(gòu)外，還包括種子供給裝置、種衣劑供給裝置、混合裝置、攪拌輸送裝置和電氣控制系統(tǒng)5個工作部分?？刂葡到y(tǒng)與其它的4個部分都緊密關(guān)聯(lián)，協(xié)調(diào)機械整體的正常運行。電氣控制系統(tǒng)的核心是PLC和變頻器，其它部件還有操作顯示屏、各型傳感器器、報警裝置和D/A轉(zhuǎn)換器，如圖1所示。

2 組成部分

種子包衣機是一個復(fù)雜的整體，電氣控制系統(tǒng)除了控制核心外，還帶有外圍電路、操作顯示屏、通信接口和轉(zhuǎn)換器等部件。此外，控制系統(tǒng)涉及到多個傳感器、電機、閥門和開關(guān)的信號輸入輸出，因此核心控制器必須具備大量數(shù)據(jù)信息的快速處理能力。PLC采用的是PHILIPS公司的2114型微控制器，包括ARM7TDMI-S內(nèi)核、128kb的高速存儲器、4路10位的D/A轉(zhuǎn)換器、2個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART和高速I2C接口，具有ISP和IAP功能。2114型PLC最多能承載19個輸出信號端和16個輸入信號端，通過RS485串行接口與其它設(shè)備連接。

操作顯示屏為LS2223WC型，用于設(shè)定包衣機的工作參數(shù)和電氣開關(guān)閾值，并顯示機械的運行狀態(tài)。傳感器共有3種：料位傳感器為CJA41型電容接近開關(guān)，安裝在喂料器下方，用于檢測種子供給量；供液傳感器為CYG3002型壓力開關(guān)，安裝在量筒中，用于檢測種衣劑供給量；堵塞傳感器為PRL100型阻旋物位開關(guān)，安裝在出料口上，用于檢測攪拌軸的運轉(zhuǎn)情況。傳感器采集的信息最終匯集到PLC中，經(jīng)過處理后為形成控制決策提供依據(jù)。聲光報警器為BC-3B型，在出料口堵塞時暫停作業(yè)進程，并啟動聲光報警以提示操作人員排除故障。

PLC形成控制指令后，通過DAC7631E型數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為可以識別的模擬信號并發(fā)送到變頻器。變頻器采用西門子公司的MacroMaster系列變頻器，經(jīng)過USS通信協(xié)議接收PLC發(fā)來的控制信息，并能反饋接收信息的應(yīng)答。變頻器的標(biāo)準(zhǔn)RS485接口以半雙工形式傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與PLC之間的通信，接受的控制指令包括啟停、參數(shù)設(shè)置和頻率調(diào)整等。上述通信方式的抗干擾能力強，可靠性好，具有較高的通信速率和質(zhì)量。

變頻器通過改變頻率來調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)對物料喂入量和混合及輸送設(shè)備運行速度的無級變頻調(diào)節(jié)和精確控制?？刂葡到y(tǒng)中的變頻器有4個，分別控制喂料電機、供液電機、混液電機和輸送電機。喂料電機驅(qū)動喂料器的葉輪旋轉(zhuǎn)，決定了種子供給的數(shù)量和連續(xù)性。供液電機驅(qū)動計量泵，可以將種衣劑藥液定量地抽入量筒中?；煲弘姍C同步驅(qū)動種子拋撒盤和藥液霧化盤，轉(zhuǎn)速對包衣的均勻度有重要影響。輸送電機驅(qū)動攪拌軸使種子和藥液進一步混合，同時沿著槽體向外輸送，防止包衣后的種子堆積堵塞。

3 軟件設(shè)計及功能實現(xiàn)

控制系統(tǒng)的軟件是嵌入式的μC/OS-II實時操作程序，內(nèi)核代碼小，可移植性強。μC/OS-II程序具有任務(wù)時間管理、任務(wù)間通信同步和內(nèi)存管理的功能，可以移植到2114型控制器中實現(xiàn)與變頻器之間的連接和通信。以處理器與編譯器之間的3個函數(shù)為基礎(chǔ)，處理器利用內(nèi)嵌匯編語言移植μC/OS-II程序。處理器不同功能的底層函數(shù)由關(guān)鍵詞聲明，在調(diào)用聲明函數(shù)時經(jīng)過軟中斷進入管理模式，根據(jù)不同的功能號啟動變頻器的開關(guān)、參數(shù)設(shè)置和頻率調(diào)整等功能，實現(xiàn)對機械的電氣控制。電氣控制程序如圖2所示。

圖2 種子包衣機的電氣控制流程

包衣機電源開啟后先進行系統(tǒng)的初始化(即藥液桶補液)，喂料室和混合倉清空及相關(guān)的電機開啟；然后在操作顯示屏上輸入生產(chǎn)率、種子容重和藥種比等參數(shù)，由PLC的軟件程序計算出種子和種衣劑的供給量。機械開始運行后，變頻器1和4根據(jù)PLC的指令調(diào)節(jié)到相應(yīng)的頻率，控制各個電機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)精確的藥種配比。料位傳感器和液壓傳感器實時監(jiān)測物料的供應(yīng)狀況，反饋給PLC以便對變頻器的頻率及時進行修正。同時，PLC還根據(jù)物料的供應(yīng)狀況改變變頻器2和3的頻率，使混液電機和輸送電機保持合適的轉(zhuǎn)速，既保證作業(yè)的順利進行，又減少了電量的消耗。當(dāng)喂料室空倉后，喂料電機停止，然后供液電機、混液電機和輸送電機依次延時數(shù)秒后停止，便于物料的充分混合、攪拌和輸送。當(dāng)堵塞傳感器檢測到出料口堵塞時，所有的電機停止且啟動聲光報警，待排除故障后再次運行。。

4 功能測試

通過試驗對電氣控制系統(tǒng)的性能進行測試，測試的作物種子為小麥、玉米和大豆。包衣劑為福多種衣劑，在使用前添加紅色染料作為警示，以便于觀察種子的包衣效果。設(shè)置種子包衣機的生產(chǎn)率5t/h，藥種比1:50，小麥、玉米和大豆種子的容重分別為780、770、810kg/m3。試驗結(jié)束后，統(tǒng)計實際生產(chǎn)率、種子破損率、包衣合格率和自動清機度，評價該系統(tǒng)的控制性能。

試驗結(jié)果如表1所示。由表1可知：3種作物種子的包衣生產(chǎn)率分別為4.94、5.08、4.97t/h，與設(shè)定值極為接近，表明電氣系統(tǒng)能夠精確地控制生產(chǎn)效率；種子破損率最高僅為0.15%，包衣合格率和自動清機度分別超過96%和98%，表現(xiàn)出理想的包衣質(zhì)量。

表1 電氣控制系統(tǒng)的性能評價

5 結(jié)論

設(shè)計了基于變頻器的種子包衣機電氣控制系統(tǒng)，將變頻器與PLC結(jié)合，對包衣過程中的物料供給、混合和輸送環(huán)節(jié)進行精確控制。在對3種作物的測試中，安裝該控制系統(tǒng)的種子包衣機生產(chǎn)率與設(shè)定值極為接近，表明系統(tǒng)能夠精確地控制生產(chǎn)效率。經(jīng)過包衣的種子破損率最高僅為0.15%，包衣合格率和自動清機度分別超過了96%和98%，表現(xiàn)出理想的包衣質(zhì)量。系統(tǒng)通過變頻器對各環(huán)節(jié)上電機進行精確控制，獲得了良好的效果，可以用來提高種子包衣機的作業(yè)效率和質(zhì)量。