谷志鵬

（鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 451150）

隨著時(shí)代的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，農(nóng)業(yè)機(jī)械化作業(yè)水平越來(lái)越高，極大地降低了農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度，成為提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的關(guān)鍵手段。播種是農(nóng)作物種植的重要環(huán)節(jié)之一，農(nóng)作物的播種質(zhì)量對(duì)其后期的生長(zhǎng)狀況甚至產(chǎn)量都將產(chǎn)生極大影響。再加上我國(guó)地形多樣，耕地具有分散特點(diǎn)，單個(gè)農(nóng)戶的種植規(guī)模較小，因而小型播種機(jī)被廣泛應(yīng)用于播種作業(yè)中[1]。小型播種機(jī)的質(zhì)量及體積普遍較小，還需要具備大型播種機(jī)同樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能，在很大程度上增加了設(shè)計(jì)難度。最新研究表明，應(yīng)用新型結(jié)構(gòu)分析平臺(tái)構(gòu)建小型播種機(jī)的三維模型，動(dòng)態(tài)仿真分析了重要零部件，在很大程度上優(yōu)化了機(jī)械布局，縮減了設(shè)計(jì)周期[2]?；谇叭搜芯砍晒牧荚O(shè)計(jì)小型播種機(jī)主要是為了提升播種作業(yè)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)機(jī)械性能相關(guān)指標(biāo)的優(yōu)化，控制播種深度、播種量與施肥量[3]。PLC 作為功能全面、性價(jià)比高，擁有較強(qiáng)抗干擾能力及可靠性的可編程控制器，在農(nóng)業(yè)機(jī)械上得以廣泛應(yīng)用。所以將PLC 聯(lián)合控制用于小型播種機(jī)的設(shè)計(jì)研究，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用分析，測(cè)試播種深度、播種量與施肥量，控制精度，真正提升機(jī)械作業(yè)的智能化水平與作業(yè)效率。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

以小型自走式玉米播種機(jī)為例，選用48V32AH型蓄電池作為播種機(jī)的動(dòng)力源，此電力裝置的安裝過(guò)程十分簡(jiǎn)便，整體成本不高。電池驅(qū)動(dòng)ZLC 型直流電機(jī)，最大轉(zhuǎn)速可達(dá)5 000 r/min，額定電壓為48 V，最大輸出功率可達(dá)1.5 W。在工作過(guò)程中，經(jīng)鏈條向地輪、播種單體與排肥器輸送工作動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)輪主要為前輪，完成一個(gè)兩排播種作業(yè)，包括播種、施肥和土壤覆蓋多個(gè)階段。播種各行間隔為40 cm~60 cm，各列之間的間隔為20 cm~50 cm，播種深度為2 cm~5 cm。整體機(jī)械控制布局合理，結(jié)構(gòu)緊湊，0.1 hm2/h的操作效率適合小麥或玉米播種。

2 系統(tǒng)控制硬件配置

小型播種機(jī)硬件配置除了蓄電池、結(jié)構(gòu)裝置及傳動(dòng)裝置外，還包括開溝器、播種單體、排肥器、系統(tǒng)控制模塊。在播種作業(yè)時(shí)，開溝器、排肥器、播種單體都是重要的作業(yè)部件，機(jī)體可提供主要?jiǎng)恿?，控制模塊可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，保證播種作業(yè)質(zhì)量[4]。系統(tǒng)控制模塊則由各類傳感器、PLC 及單片機(jī)組成聯(lián)合控制核心，這主要由于單片機(jī)有著極強(qiáng)的靈活性，可是其抗干擾能力整體不強(qiáng)，PLC 有著良好的抗干擾性與穩(wěn)定性，但是缺乏人機(jī)界面與系統(tǒng)兼容性，通過(guò)PLC 聯(lián)合單片機(jī)控制，可以極大地提升播種深度、播種量和控制精度。

1#PLC 控制站所負(fù)責(zé)的工藝包含了播種機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息采集、處理與設(shè)備控制，由PLC 主機(jī)自動(dòng)化協(xié)調(diào)控制播種環(huán)節(jié)，包括耕地、排種、填土、壓實(shí)、灌溉等，實(shí)現(xiàn)主機(jī)自動(dòng)化控制，保證系統(tǒng)順暢運(yùn)行。

2.1 PS307 5A電源模塊

該模塊主要負(fù)責(zé)向自動(dòng)化控制系統(tǒng)的其他功能模塊供電，轉(zhuǎn)換120/230 V 交流電壓獲得24 VDC 的額定工作電壓，5 A 額定電流輸出值，在1 號(hào)機(jī)架位置安裝電源模塊，運(yùn)用LED指示器輸出24 V 直流電。假若控制24 V 正常額定輸出電壓值，那么電量LED指示燈呈綠色；反之，如果過(guò)載輸出電路電壓值，LED指示器則會(huì)閃爍。長(zhǎng)期固定輸出電流值在5 A~7 A 之間，降低電壓輸出值，延長(zhǎng)電源的使用期限。在超出7 A 電流值時(shí)，會(huì)在降低電壓之后自動(dòng)回復(fù)，假若輸出短路則會(huì)導(dǎo)致電壓為0，LED 指示器亮度減弱，在短路消失之后即可自動(dòng)恢復(fù)電壓。

2.2 6ES7 314-FA10-0AB0中央處理器

該CPU 處理器的最小執(zhí)行時(shí)間為0.1 s，達(dá)到48 MB RAM集成，運(yùn)用MMC 能夠擴(kuò)大該系統(tǒng)的裝載存儲(chǔ)器容量至8 MB；定時(shí)器以及計(jì)數(shù)器共計(jì)有256 個(gè)，靈活設(shè)計(jì)拓展接口能夠與1 024 數(shù)字量以及256 模擬量I/O 接口相連接；擁有多接口可滿足32 個(gè)網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)的建立，達(dá)到19.2 kbit/s~12 Mbit/s 的網(wǎng)絡(luò)通信速率，一般在設(shè)計(jì)中為187.6 kbit/s 左右。

2.3 IM360/IM361接口

控制多個(gè)播種單體時(shí)，該小型播種機(jī)自動(dòng)化控制的接口模塊設(shè)計(jì)用于擴(kuò)招儀表機(jī)架和主儀表機(jī)架之間的連接功能，該接口型號(hào)配置設(shè)計(jì)能夠最多實(shí)現(xiàn)3個(gè)外擴(kuò)機(jī)架和主機(jī)架之間的連接，每一個(gè)接口要求接通24 V 外部電源電壓。

2.4 ET200M遠(yuǎn)程控制

該小型播種機(jī)為自動(dòng)化聯(lián)合控制，設(shè)計(jì)了ET200M 控制站，3 臺(tái)均經(jīng)I/O 分布式實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)采集，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送中央控制器的具體控制指令。選用了西門子PS307 電源接口模板作用于ET200M，以實(shí)現(xiàn)主站、從站之間的有效連接，對(duì)于PR0FIBUS-DP冗余系統(tǒng)比較適用。

3 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)及控制功能實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)控制

為了充分提升小型播種機(jī)的整體性能，與PLC監(jiān)測(cè)控制技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，充分提高播種深度與播種精度，經(jīng)PLC 將遠(yuǎn)程控制播種信息向遠(yuǎn)程控制室實(shí)時(shí)反饋，提升玉米播種機(jī)的智能化與自動(dòng)化程度，優(yōu)化改造播種機(jī)開溝器，提升播種作業(yè)的自動(dòng)化程度[5]。

播種作業(yè)過(guò)程中，仿形輪會(huì)在地表上下浮動(dòng)，經(jīng)傳感器向PLC 傳遞位移信號(hào)，之后PLC 即可計(jì)算實(shí)際的開溝深度，根據(jù)實(shí)際測(cè)量的開溝深度對(duì)比預(yù)設(shè)深度，運(yùn)用PLC 輸出下一階段的執(zhí)行動(dòng)作。運(yùn)用四連桿結(jié)構(gòu)對(duì)開溝深度進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)開溝深度滿足所要求的深度時(shí)停止調(diào)節(jié)，即可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)的整個(gè)過(guò)程。不僅如此，為了充分提升玉米播種精度，優(yōu)化改造排種器結(jié)構(gòu)，將傳感器與PLC 控制器安裝在導(dǎo)種輪上[6]，即可向PLC 迅速傳遞轉(zhuǎn)速信號(hào)，由PLC 計(jì)算可得實(shí)際導(dǎo)種輪轉(zhuǎn)速，對(duì)比實(shí)際所測(cè)轉(zhuǎn)速與預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速，PLC 輸出下一步的執(zhí)行動(dòng)作。運(yùn)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)整排種輪轉(zhuǎn)速，一旦滿足所要求的深度即可停止調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)過(guò)程。

3.2 控制功能的軟件設(shè)計(jì)

選用STEP7 編程軟件，作為可以運(yùn)用于PLC 組態(tài)編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包，其能夠提供所需的一系列工具，包括編程語(yǔ)言、SIMATIC 管理器、硬件及網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、符號(hào)編輯器、診斷等。根據(jù)該軟件包的硬件網(wǎng)絡(luò)組態(tài)功能，可以使電力儀表自動(dòng)化控制更直觀、簡(jiǎn)便、易修改，不僅如此，還能夠滿足在線編程、離線編程的便捷操作，方便管理人員根據(jù)實(shí)際工作需要?jiǎng)?chuàng)建自動(dòng)化的便捷解決方案。

該項(xiàng)目具有創(chuàng)建自動(dòng)化控制具體任務(wù)的相應(yīng)解決操作方案的存儲(chǔ)功能，可以設(shè)計(jì)并最終生成相應(yīng)的操作程序與有關(guān)數(shù)據(jù)，主要包括了硬件結(jié)構(gòu)相關(guān)模板參數(shù)以及組態(tài)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)數(shù)據(jù)和相關(guān)編程均在同一項(xiàng)目中收集[7]。在組件過(guò)程中，需要充分借助模板樣本來(lái)定義可編程控制器的CPU 處理器與各系統(tǒng)功能，可以雙擊硬件組態(tài)啟動(dòng)相應(yīng)程序。對(duì)于硬件存儲(chǔ)推出組態(tài)，可以各自生成組態(tài)相應(yīng)的可編程功能模板，最終成功生成能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可編程功能模塊自定義通信連接的連接表及相應(yīng)的操作程序。在成功完成硬件組態(tài)之后，即可生成模塊編程軟件，在相應(yīng)的對(duì)象文件夾內(nèi)存儲(chǔ)可編程軟件，命名為“S7-Program”。對(duì)于該程序的子功能菜單，能夠使軟件操作用戶根據(jù)自動(dòng)化控制功能所需，選擇想要生成的數(shù)據(jù)塊、功能塊等，成功創(chuàng)建一個(gè)空白塊之后，設(shè)計(jì)相應(yīng)的語(yǔ)句表、功能圖以及梯形圖等程序并輸入即可。

3.3 系統(tǒng)通信控制

建立上位和下位計(jì)算機(jī)之間的通信連接和配置設(shè)計(jì)。通信連接通過(guò)TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行，在啟動(dòng)后或通信中斷的自動(dòng)檢測(cè)后，下位的計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)入通信連接建立狀態(tài)，即下級(jí)計(jì)算機(jī)通過(guò)UDP 協(xié)議向上級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)送循環(huán)連接請(qǐng)求。如果上面的計(jì)算機(jī)成功接收啟動(dòng)請(qǐng)求，再建立客戶端和PLC 之間的連接，就可以向下面的計(jì)算機(jī)正常發(fā)送信號(hào)。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)自動(dòng)化控制程序之前，首先設(shè)定系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器和軸，再啟動(dòng)設(shè)定設(shè)計(jì)程序，插入新裝置后，編譯設(shè)定，并可在編譯過(guò)程中設(shè)計(jì)基本參數(shù)，主要包括控制模式、電機(jī)功率模塊、電機(jī)、編碼器、驅(qū)動(dòng)速度、通信格式等[8]。

設(shè)計(jì)二分配置層的硬件，構(gòu)成PLC 控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)視功能，包含控制通信網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程客戶端和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為3 層，分別為控制部層、服務(wù)器層、進(jìn)行機(jī)械層[9]。根據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視檢測(cè)器的實(shí)際動(dòng)作狀態(tài)，經(jīng)由便攜電話的SMS 發(fā)出特定的控制執(zhí)行命令，動(dòng)態(tài)地調(diào)整檢測(cè)器的執(zhí)行動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)器的遠(yuǎn)程操作控制[10]。

4 PLC聯(lián)合監(jiān)測(cè)控制的小型播種機(jī)性能測(cè)試

為了對(duì)應(yīng)用PLC 技術(shù)的小型播種機(jī)性能進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)行PLC 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制及播種機(jī)性能測(cè)試，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、播種性能參數(shù)監(jiān)測(cè)[11-13]。為了方便對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，選用機(jī)械式播種機(jī)作為測(cè)試樣機(jī)，在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)后即可得到一系列的播種機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)[14-16]。

根據(jù)排種輪的轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)情況，能夠發(fā)現(xiàn)排種輪在調(diào)整轉(zhuǎn)速之前保持平穩(wěn)運(yùn)行，調(diào)整轉(zhuǎn)速過(guò)程中的時(shí)間差整體較短，在調(diào)整之后依然有平穩(wěn)轉(zhuǎn)速。對(duì)播種機(jī)進(jìn)行8 次重播率測(cè)試，結(jié)果如表1 所示，播種精度測(cè)試結(jié)果顯示，通過(guò)8 次測(cè)試，播種機(jī)有著比較穩(wěn)定的漏播率與重播率，整體測(cè)試值均低于1%，可以滿足小型播種機(jī)的精密播種要求。

表1 播種精度結(jié)果

5 結(jié)論

綜上，設(shè)計(jì)了一種PLC 聯(lián)合控制的小型播種機(jī)，由W77E58 型單片機(jī)與西門子S7-200 型PLC 技術(shù)實(shí)現(xiàn)具體功能，對(duì)小型播種機(jī)的播種精度與監(jiān)測(cè)控制進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)運(yùn)用PLC 技術(shù)明顯提升了小型播種機(jī)的智能化水平，有著較好的播種精度，播種機(jī)有著比較穩(wěn)定的漏播率與重播率，整體測(cè)試值均低于1%。因此，運(yùn)用PLC 聯(lián)合控制技術(shù)提高小型播種機(jī)的播種質(zhì)量，對(duì)我國(guó)未來(lái)農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平提升意義重大。