楊曉珍 鐘衛(wèi)鵬 唐緒偉

摘要：針對目前水稻點(diǎn)播機(jī)稻種數(shù)量檢測機(jī)制不完善、播種過程相互耦合控制復(fù)雜的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種基于PLC技術(shù)的水稻點(diǎn)播閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在常見氣吸式點(diǎn)播機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將播種實(shí)施過程劃分為排種、檢測與投種3個(gè)階段，簡化播種過程控制的難度;并且改良了以電容傳感器為硬件核心的檢測環(huán)節(jié)，減小了電容邊緣效應(yīng)與稻種以隨機(jī)姿態(tài)組合通過檢測區(qū)域引起的檢測誤差;能夠自動(dòng)回收數(shù)量不合格的種子群，減輕了使用者的工作量;投種器的使用避免了落種時(shí)的彈跳，讓種子可以準(zhǔn)確入穴。試驗(yàn)表明：相比以往稻種數(shù)量的檢測方式，不同數(shù)量的種子群通過本系統(tǒng)檢測環(huán)節(jié)而引起的電容變化范圍不再出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，可靠的反饋信號(hào)讓直播機(jī)系統(tǒng)能夠正確判斷稻種的數(shù)量，達(dá)到播種的精確控制。

關(guān)鍵詞：水稻點(diǎn)播機(jī);PLC;精量播種;電容傳感器

中圖分類號(hào)： S223.2+3? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2021）17-0178-04

收稿日期：2021-06-02

基金項(xiàng)目：湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（編號(hào)：19C1490）。

作者簡介：楊曉珍（1972—），女，湖南會(huì)同人，碩士，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究及職業(yè)教育教學(xué)管理。E-mail：215409838@QQ.com。

通信作者：鐘衛(wèi)鵬，碩士，助教，主要從事復(fù)雜系統(tǒng)檢測與控制。E-mail：1642475784@QQ.com。

我國是人口大國、農(nóng)業(yè)大國，如何提高糧食產(chǎn)量始終都是人們關(guān)注的熱點(diǎn)。水稻是我國的主要農(nóng)作物。據(jù)考古發(fā)掘，早在7 000年以前我國的先民們就開始種植水稻。至今，水稻已成為世界上一半以上人口的主食。最初先民們以直播的方式種植水稻，自漢代以后才發(fā)明了育苗移栽技術(shù)并沿用至今。2020年的國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示：我國的水稻播種面積達(dá)到了3 008萬hm2，如此巨大的數(shù)量造成了我國水稻種植區(qū)域廣、土地集中程度不同、氣候差異大的現(xiàn)狀，從而導(dǎo)致了各地水稻品種不一、種植方式不同。水稻的育苗移栽技術(shù)步驟繁多，對水資源消耗大。在農(nóng)村人口老齡化、環(huán)境治理、生產(chǎn)成本提高等諸多因素影響下，水稻的機(jī)械化種植得到了極大的推廣。

農(nóng)作物種植的機(jī)械化包含了耕、種、收這3個(gè)方面，其中播種過程的機(jī)械化與自動(dòng)化程度最低、實(shí)現(xiàn)難度大[1]。為了推動(dòng)機(jī)械化種植的全面化，許多能人志士都投入到水稻點(diǎn)播機(jī)的研發(fā)中來，力求將農(nóng)技與農(nóng)機(jī)深度結(jié)合[2-4]。王在滿等選用光電傳感器作為排種器出種數(shù)量的檢測器件，并將前人常用的點(diǎn)陣式光電傳感器布局改變?yōu)槊嬖焦怆妭鞲衅鳝h(huán)形布置，這樣的設(shè)計(jì)減少了光電傳感器的檢測死區(qū)，關(guān)鍵的光電傳感器檢測脈沖寬度是通過高速攝像頭反復(fù)測定，提高了檢測的精度;但是即便這樣精心的設(shè)計(jì)，還是無法克服多粒種子同時(shí)穿越檢測區(qū)域?qū)е碌恼`判[5]。文獻(xiàn)[6]以彈射式耳勺型水稻穴直播排種器作為監(jiān)測系統(tǒng)的研究載體，使用壓電材料作為傳感器，檢測種子數(shù)量的原理類似于稱重。機(jī)器在田間作業(yè)時(shí)，不可控因素太多（例如機(jī)器行進(jìn)時(shí)的顛簸、機(jī)器本身的振動(dòng)、種子在壓電材料上隨機(jī)撞擊產(chǎn)生的偏差電壓）。這些因素疊加使得同一數(shù)量種子撞擊壓電材料產(chǎn)生的檢測結(jié)果像步槍射擊的彈著點(diǎn)一樣是一個(gè)范圍。尤其是當(dāng)排種器運(yùn)行過快時(shí)，不同數(shù)量種子沖擊結(jié)果的范圍會(huì)出現(xiàn)明顯的重疊現(xiàn)象，以至于檢測結(jié)果出現(xiàn)較大的誤差。文獻(xiàn)[7]運(yùn)用EDEM軟件對氣吸式精密播種機(jī)振動(dòng)種盤中水稻種群運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬仿真，分析了不同頻率、振幅、種層厚度對種群空間分布密度的影響，為氣吸式精密播種機(jī)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。文獻(xiàn)[8]以霍爾傳感器檢測點(diǎn)播機(jī)的速度與位移，以電容傳感器檢測排種器出種量。使用電容傳感器可以避免光電傳感器無法檢測多粒稻種同時(shí)穿越檢測區(qū)域的情況，但文獻(xiàn)[5]指出當(dāng)種子通過電容傳感器引起的電容變化量較小時(shí)，檢測精度會(huì)受到寄生電容和環(huán)境的影響。

在前人不斷的努力下點(diǎn)播機(jī)的機(jī)械化程度不斷提高，但研究的重心放在如何檢測各項(xiàng)農(nóng)藝指標(biāo)是否符合要求，而對不符要求的結(jié)果不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)處理，需要人工干預(yù)。本研究擬設(shè)計(jì)一種新型點(diǎn)播機(jī)系統(tǒng)，采用氣動(dòng)排種器及PLC控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)單粒精密播種。它以電機(jī)為前進(jìn)動(dòng)力源，通過各種電動(dòng)、氣動(dòng)元件的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)播種過程的機(jī)械化及電氣自動(dòng)化。

1 機(jī)械平臺(tái)設(shè)計(jì)

本研究所設(shè)計(jì)排種器在文獻(xiàn)[9]的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)與設(shè)計(jì)，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。在本設(shè)計(jì)中，排種輪使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

排種器的導(dǎo)種管后連接檢測輪。檢測輪的外形與限位結(jié)構(gòu)同左輪手槍的轉(zhuǎn)輪類似，有多個(gè)柱形檢測槽。每個(gè)檢測槽都帶有特定的磁編碼與高度可調(diào)的底板，方便定位與調(diào)節(jié)容積。其整體由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)皮帶驅(qū)動(dòng)。1個(gè)步進(jìn)電機(jī)可以通過皮帶驅(qū)動(dòng)多個(gè)檢測輪旋轉(zhuǎn)。每1處傳動(dòng)皮帶處都裝有1個(gè)簡易離合器。該離合器使用氣動(dòng)控制，正常狀態(tài)下，離合器使皮帶繃緊;離合狀態(tài)下，使皮帶松開失去傳動(dòng)作用，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)檢測輪的解耦控制。檢測輪的設(shè)計(jì)目的有2點(diǎn)：（1）配合電容傳感器對種子群數(shù)量進(jìn)行檢測，使其具有良好的工作條件;（2）緩存符合要求的種子群，排除不符合要求的種子群。檢測輪后端一方面與投種器相連，另一方面與種子回收箱連接，連接處有以氣動(dòng)閥控制的隔板分開。檢測槽上設(shè)有投種位、填充位、檢測位與回收位。它們被依次排列在相鄰的4個(gè)槽位上。投種位與回收位之間相隔幾個(gè)槽位作為緩存位。這些緩存位能夠在發(fā)生排種數(shù)量異常時(shí)，及時(shí)補(bǔ)上空缺避免影響整個(gè)播種節(jié)奏。

檢測合格的種子群被送入投種器。投種器由固定的柱體與可活動(dòng)的扁頭椎體嵌套組成。扁頭椎體由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)其上的齒槽進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其頂端能夠開合釋放種子。初始狀態(tài)下，扁頭椎體頭部在扭力彈簧的作用下保持閉合。開啟時(shí)，由氣泵向投種器中施加氣壓將種子從中吹出。

排種器、檢測輪以及投種器，這三者之間的關(guān)系就好比電腦系統(tǒng)中CPU、內(nèi)存以及硬盤之間的關(guān)系。排種器運(yùn)行速度最快，但容易出錯(cuò)。檢測輪運(yùn)行速度次之，能發(fā)現(xiàn)排種器的故障，并能暫存數(shù)量合適的種子群。投種器是最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)，運(yùn)行速度最慢，需要通過前面2個(gè)環(huán)節(jié)對種子數(shù)量進(jìn)行把控。前人的設(shè)計(jì)往往對這3個(gè)環(huán)節(jié)不加以區(qū)分，導(dǎo)致控制系統(tǒng)各部分出現(xiàn)強(qiáng)耦合作用，控制難度加大。

2 電氣回路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的控制核心是三菱FX3U-32MT/DS系列的PLC。內(nèi)置16入/16出（晶體管漏型）端子，能直流24 V供電，可擴(kuò)展模塊多，具有良好的可塑性與抗擾性，能夠適應(yīng)田間地頭復(fù)雜的工作條件。點(diǎn)播機(jī)運(yùn)行時(shí)，PLC不但需要對出種數(shù)量、穴距與埋種深度進(jìn)行控制，還要能對堵塞等故障做出自檢報(bào)警。

由排種器設(shè)計(jì)可知，當(dāng)其發(fā)生堵塞故障時(shí)，導(dǎo)種管將無法導(dǎo)出稻種。因此，只需將導(dǎo)種管某一段使用透明材料制成，并安裝上面元式光電傳感器，就能對排種器輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。在排種器以固定速度運(yùn)行時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)定期接受到光電傳感器一個(gè)信號(hào)。如果發(fā)生堵塞故障，光電傳感器將停止發(fā)出信號(hào)。此外，在排種器上還安裝有霍爾傳感器，能夠?qū)崟r(shí)向PLC發(fā)送位置信息，方便PLC對排種器進(jìn)行定位。

穴距與埋種深度的測量同為距離測量，但由于點(diǎn)播機(jī)在田間行駛時(shí)存在打滑的可能而投種器不需要考慮這種情況，因此只需對穴距控制引入霍爾傳感器檢測即可?；魻杺鞲衅鞅话惭b在測地輪之上，測地輪被點(diǎn)播機(jī)拖動(dòng)前行并在其表面鑲嵌抓地紋理，故不存在打滑的可能，能確保距離測量準(zhǔn)確。

出種數(shù)量的檢測主要由安裝在檢測輪上的電容傳感器完成。相對于空氣而言，稻種的介電常數(shù)明顯要大一些。種子群從導(dǎo)種管輸出后落入檢測槽，隨著檢測輪轉(zhuǎn)動(dòng)。圓形的平行板電容就安裝在正對著檢測槽的上下方。為減小電容的邊緣效應(yīng)，減弱輸入與輸出的非線性關(guān)系，其直徑要比檢測槽大2 mm。根據(jù)平行板電容器大小的計(jì)算公式（1）可知：當(dāng)電容外形固定、電壓穩(wěn)定時(shí)，電容大小與介電常數(shù)有線性關(guān)系。

C=εS/d。（1）

式中：C為電容大小;ε為介電常數(shù);S為平行金屬板的相對面積;d為2板之間的距離。

為了讓種子群落入檢測槽后能讓傳感器產(chǎn)生足夠明顯的信號(hào)，檢測槽的容積要盡量接近規(guī)定數(shù)量種子的體積。電容傳感器以二極管雙T型交流電橋電路作為檢測電路。該檢測電路有以下特點(diǎn)[10]：（1）電源頻率、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定;（2）線路簡單，可全部集中在探頭內(nèi)，縮短了短路布線、減輕了分布電容的影響;（3）適用于具有線性特性的單組式和差動(dòng)式電容式傳感器;（4）輸出阻抗可以人為設(shè)定，且與電容無關(guān)，克服了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點(diǎn)。

檢測電路的輸出被放大后由AD轉(zhuǎn)換傳入PLC內(nèi)部。電氣回路的整體框圖如圖2所示。

3 控制流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)首先進(jìn)行自檢程序。自檢程序包括但不限于檢查通訊網(wǎng)絡(luò)各部分是否成功通信、各氣動(dòng)與電動(dòng)部件是否正常運(yùn)行、系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)是否堵種。系統(tǒng)自檢成功則進(jìn)入運(yùn)行程序，反之停機(jī)并發(fā)出報(bào)警提示。

排種器的運(yùn)行過程參見文獻(xiàn)[9]。當(dāng)檢測輪運(yùn)行時(shí)，檢測槽收集從導(dǎo)種管落下的種子。當(dāng)接收到

排種器完成1次排種的信號(hào)后，檢測輪旋轉(zhuǎn)1個(gè)槽位，下一個(gè)填種好的槽位被送入電容傳感器中檢測種子數(shù)量。如果檢測正常，PLC將把這個(gè)檢測槽標(biāo)記為正常，反之為異常?；厥瘴坏臍鈩?dòng)閥會(huì)根據(jù)檢測槽的狀態(tài)而開啟或關(guān)閉。異常狀態(tài)會(huì)一直持續(xù)到檢測槽重新回到填種位才會(huì)恢復(fù)為正常。PLC上的計(jì)數(shù)器接收到霍爾傳感器脈沖數(shù)達(dá)到額定數(shù)量時(shí)，即點(diǎn)播機(jī)運(yùn)行到指定位置，點(diǎn)播機(jī)暫停。投種器插入土壤指定深度后返回一段距離為投種器打開留下空間。氣泵運(yùn)行將種子從中吹出后，投種器收回，點(diǎn)播機(jī)繼續(xù)前進(jìn)完成一次播種。整個(gè)系統(tǒng)的程序流程如圖3所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

檢測輪不但是點(diǎn)播機(jī)控制系統(tǒng)重要的反饋回路，并且還是整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的中間環(huán)節(jié)，起到承上啟下的作用，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響到系統(tǒng)的控制精度。而排種器與投種器結(jié)構(gòu)簡單，執(zhí)行結(jié)果穩(wěn)定，文獻(xiàn)[9]對排種器的性能有詳細(xì)分析，故在此著重對檢測輪的設(shè)計(jì)效果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

以文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)的傳感器作為對照進(jìn)行試驗(yàn)，并稱之為對照組。2020年4月中旬，在懷化職業(yè)技術(shù)學(xué)院安江校區(qū)試驗(yàn)田進(jìn)行播種試驗(yàn)，水稻品種為金珍早絲。試驗(yàn)一共選擇了2塊面積都為0.5 hm2的區(qū)域進(jìn)行，播種的行距為160 mm，點(diǎn)播機(jī)以 7 km/h 的速度行駛。在上述條件下分別對含有 1～6粒稻種的種子群進(jìn)行電容變化量測量，每一種情況反復(fù)進(jìn)行100次試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。

前人對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析多集中于結(jié)果的線性度分析卻忽略監(jiān)測系統(tǒng)的其他指標(biāo)，從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)輸出不穩(wěn)定。圖4中的豎線是不同稻種數(shù)量對應(yīng)的電容變化范圍，豎線上的叉點(diǎn)代表變化的均值。在對照組的結(jié)果中種子數(shù)量對電容變化量的影響是一個(gè)比較大的范圍，導(dǎo)致這樣結(jié)果的原因不單單只有文獻(xiàn)[5]提出的觀點(diǎn)。通過計(jì)算，種子群在機(jī)械擾動(dòng)下以不同姿態(tài)組合通過傳感器的檢測區(qū)會(huì)影響到電容的變化量[11-12]。以上2種因素最終造成了對照組結(jié)果的大幅度搖擺性。對照組數(shù)據(jù)的搖擺性隨著稻種數(shù)量增加而遞增，甚至出現(xiàn)了范圍的部分重疊現(xiàn)象，反映到檢測結(jié)果上就是傳感器有一定概率分不清稻種的數(shù)量。而設(shè)有檢測輪的試驗(yàn)組數(shù)據(jù)就有著良好的穩(wěn)定性。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)上可以得出檢測輪的設(shè)計(jì)合理，能有效提高檢測系統(tǒng)的重復(fù)性。

5 結(jié)論

本研究從解決點(diǎn)播機(jī)電氣自動(dòng)化程度低、補(bǔ)種需要人工干預(yù)的問題出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種基于PLC技術(shù)的水稻點(diǎn)播機(jī)。在繼承前人優(yōu)秀設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將點(diǎn)播機(jī)運(yùn)行過程明確劃分成排種、檢測、投種3段。讓點(diǎn)播機(jī)各運(yùn)行部分控制過程解耦，提高了播種精度。關(guān)鍵的檢測輪借鑒了左輪手槍的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，減弱了影響傳感器檢測精度的2個(gè)因素。試驗(yàn)證明這樣的設(shè)計(jì)能夠切實(shí)優(yōu)化傳感器的檢測精度，提高點(diǎn)播機(jī)的工作效率。

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