首页 > 论文范文 > 农业科技论文 > 农业工程论文 > 农业自动化论文 > PLC基础上精准施水玉米播种机控制系统电气自动化设计研究

PLC基础上精准施水玉米播种机控制系统电气自动化设计研究

2020-08-20 315 上传者：管理员

摘要：针对玉米旱田施水不及时、水资源浪费和地表漫灌等问题，采用PLC技术，研发了一款在播种同时能够自主控制洒水量的玉米播种机。分析了该机械结构、关键部件，重点对于其电气自动化控制系统的设计进行了研究，希望能够提升播种机的智能化水平。

关键词：
PLC
农业工程
玉米播种机
电气自动化
精准施水
加入收藏

坐水播种是结合我国一些地区农情而发明的特色播种方法，随着农业机械化水平的不断提高，越来越多的智能播种机被应用到玉米播种环节。典型代表有丰乐种业研发的加装补水装置的玉米免耕播种机、中国农业大学研发的2BGM-2覆膜施水播种机、南京农业机械化研究所研制的地轮泵式坐水播种机，但是总体来说目前机型较少，仍然处于探索阶段。

1、基于PLC的精准施水玉米播种机控制系统

1.1 播种机控制系统设计方案

系统以STC15W408S单片机为控制核心，采用模块化结构，使用LED屏幕实时显示速度。系统包括主程序和施水程序两部分，两个程序由主机和副机分别执行，从而避免了系统之间产生的冲突。播种机在作业时，系统测速模块将播种机运行速度传输给主机，主机系统根据速度决定出水量。控制系统包括水位传感器、LED显示器、蜂鸣器、旋转编码器、STC15W408S主机及副机、舵机、直流升压器、稳压器、电源等设备。系统编码采用PLC设计，其程序简单，操作方便，适用于播种机系统。

1.2 单片机执行指令

单片机执行指令分为3个阶段，取指令，上电后开始执行程序，将指令送入ROM,PC自动加1或加2。分析指令，从ROM中取出执行指令，通过机器编译转化为机械码。执行指令采用加减乘除和赋值语句进行判断。单片机最小应用系统本着结构简单、易于实现的原则，集成在开发板上，构成高频R/C时钟电路，分频可从5～35MHz。提升更新速度，主时钟通过CLKS2、CLKS1、CLKS0进行分频赋值，匹配硬件兼容度精度。

1.3 测速模块

测速模块是前端，将信号发送到单片机，进而将脉数据数转换为播种机的实时作业速度，并且通过显示屏显示播种速度。当播种机经过秸秆较多的区域时，一般会发生打滑现象，针对这种现象，设计测速轮，与编码器同轴连接。电源采用12V直流电源，使用稳压器稳定电压，采用升压器升至24V可发挥最大扭矩。考虑到体积小，占用空间小，方便拐弯运输，能在两种行之间检测，因此选择增量型旋转编码器。编码器将模拟信号转化为数字信号，每转一圈的同时向单片机发送100个脉冲信号，进而给出对应的作业速度。

1.4 施水控制模块

施水控制模块包括大扭矩舵机、阀门和出水管路等几个部分，为节省成本不增加逆变器。安装水箱后进行水速测试，水箱高度为0.6m，当水位达到水箱高度时，计算出水量。确定水管和阀门的尺寸，直流舵机扭矩在3000N/cm，控制精度在0.32度，供电时角速度在2.09rad/s，舵机的输入脉冲通过控制电路，经过直流电机，减速齿轮输出轴接负载，并且传达给位置传感器，传感器输送反馈电压。采用PWM进行脉冲信号调制，脉冲宽度与舵机旋转角度关系的如下：0°下为0.5ms,45°为1ms,90°为1.5ms,135°为2ms。

1.5 水位监测模块

水箱进行自动加水，不需要驾驶员观察水位。本文的设计采用电容性液位传感器，比起浮球型传感器和超声型传感器，成本更低，检测原理是电容式检测，因为水和空气的介电常数相差80，从而引起脉冲宽度的改变，通过对应不同的编码序列反应水位的变化。液压传感器的信号端直接与单片机P3.6引脚连接，采用PLC编码程序编写程序，当检测到低水位时，进行闪烁和声音报警。

1.6 声光报警模块

报警系统包括两个部分，一个蜂鸣器声音报警，另一个是发光二极管报警。当到达液压位之后，将传感器的信号输入PLC,PLC程序对信号做出响应，从而发出警报。前者的控制电路与单片机相连，当接收到信号之后，蜂鸣器发出报警。后者通过1K电阻连接发光二极管，液压低于阈值时，发光二极管两端产生电压差，灯光闪烁报警。

1.7 PLC程序

系统采用PLC编程方式，当收到液压信号之后，及时启动补水工作。感应系统检测到播种机相关运行故障，能够在不停机的状况下自动恢复工作。系统选择FX2N系列PLC，包含128种指令功能，有1000点状态，功能强大。PLC电源采用播种机自带的蓄电池进行供电。系统软件采用GX开发器进行开发，具有仿真调试功能，能够将程序转换为不同格式的文档，还能对office办公软进行编辑，提升了程序的应用能力。软件框架设计通过PLC程序对传感器信号进行处理，进而给补水系统发出指令，完成精准施水作业。试验过程中，要设定排水量，调入程序之后，系统进行自检，系统正常之后，通过PLC程序人工模拟坐水播种作业，调节进水量，当水箱缺水时，进行声光报警提示。重复此步骤，模拟检测PLC的可靠性。

2、系统机械结构和关键部件的电气自动化设计

2.1 系统结构

系统对2BYJF-4型播种机进行了改进，出水口在播种和施肥结构之间，不需要额外开沟装置，在种子下落之前就完成施水，这样就避免了后施水对种子的冲击。

2.2 排种器

排种器采用四连杆仿形机构，能够通过振动摇杆改变镇压力的大小，优先使用勺轮式排种器和气力式排种器。并且通过PLC程序设计了漏播警报功能，一旦发生漏种现象，确定是否需要自动补种。在补种过程中，要设定株距和拖拉机行进速度，一般来说，输种管越长，系统准确率越低，株距越大，系统可靠性越低。因此要采用PLC系统进行优化，计算合理的株距，缩短输种管数量。

2.3 测速轮

测速轮的设计采用北斗导航系统，配合PLC旋转编码器，结合单片机进行测速。考虑到测速轮的精确性，将其安装于两播种单体之间，提升对其保护性，为了提升防滑效果，在外部安装防滑齿。采用PLC程序对测速轮进行仿真，对齿倾斜角度进行分析，探讨土壤飞溅最大速度和受力情况，选择最佳角度。利用PLC系统对播种机进行横向稳定性计算，对拖拉机、播种机和水箱的重心进行受力分析计算。

图1播种机结构图

1.肥箱；2.悬挂装置；3.机架；4.导草轮；5.施肥开沟器；6.施肥管；7.导草轮；8.播种开沟器；9.驱动镇压轮；10.测速轮；11.刮土板；12.播深调整装置；13.播深指针；14.播种单体；15.种箱16.四连杆仿形装置；17.排肥器

2.4 水箱设计

采用轻量化拖车承载式水箱设计，侧面挡板有足够强度抵抗冲击力，结合PLC程序对水箱进行应力测试。分水器均匀设计，采用圆形结构，设计中要确保4个出水口底端高出蓄水管底端2cm，确保水管中有存量水，提升出水的均匀性。采用卧式水箱结构，水箱容积近1m3，减少停车加水的次数，确保在播种工作中能够作用0.2hm2地以上。在出水口安装稳压阀，配合水泵满足水稳定要求，使用金属浮球阀给小水箱供水。

2.5 可靠性和抗干扰性设计

PLC系统在玉米播种作业环境中容易受到干扰，系统可靠性差，为了提升系统的精确性，因此采用抗干扰设计，确保系统稳定运行。PLC系统干扰有外部干扰和内部干扰，播种机的各种电气设备都容易产生电信号和电磁干扰，玉米田间的温度、湿度、振动、空气也会影响PLC系统，因此针对这些内部和外部干扰加强电气保护。具体来说，针对空间辐射、电磁场甚至是累点，要选择合适的天气作业，实施防辐射保护；针对电源传导干扰，选择电源隔离设备，实现保护的作用。针对信号线的干扰，PLC控制器和各个通道采用独立通道，缩短信号线的长度。针对接地系统的干扰，杜绝串联接地连接，使用专用接地线。配合软件抗干扰技术加以防护，结合数字滤波和工频整形等技术实现抗干扰。

3、结论

本研究基于PLC技术，对于精准施水玉米播种机控制系统电气自动化设计和应用进行了研究，具有一定的推广价值。

参考文献：

[1]段煜.精准施肥播种控制系统的设计与试验[D].江苏大学,2018.

[2]胡元乾.基于PLC的玉米播种机设计与试验[J].农机化研究,2019,41(07):236-238+247.

[3]青苡任.玉米穴灌播种机施水装置的设计与试验[D].2016.

陈思.基于PLC的精准施水玉米播种机控制系统电气自动化设计[J].农业技术与装备,2020(05):44-45.