基于PLC的玉米播种机设计与试验

胡元乾

(重庆三峡职业学院，重庆 万州 404155)

0 引言

玉米的净光合速率比小麦和水稻高出2～3倍，因此产量相对较高。玉米的营养物质以淀粉、蛋白质和脂肪为主，还含有人类所需的大量氨基酸，具有很高的应用价值，成为重要的粮食作物。此外，玉米还可以被加工成轻工业品、医药和饲料，是用途广泛的经济作物。我国玉米历年来的种植面积和消费规模都很庞大，在国民经济中占有重要的地位[1]。

播种作业的季节性强，劳动强度大，是玉米生产过程中一个耗时费力的环节。播种质量对玉米出苗率和整齐度有较大的影响，从而影响到最终的产量。传统种植模式中的玉米播种由人工完成，不仅效率低，劳动强度大，播种质量也无法得到保证，不能满足现代农业的要求。机械化程度是农业发展水平的体现，加快推进机械化符合农业现代化的趋势。玉米机械播种的过程是将种子按照设定的行间距播到田里，再覆土掩埋，功能齐全的机械还能完成施肥作业[2]。

玉米播种机可以代替人工快速地完成播种，作业质量也较高，还节省用种量，是玉米生产中不可缺少的农业机械。为了满足实际生产的需求，我国开发出了多种类型的玉米播种机，以适应不同的种植区域和模式。任文涛等研制了一种带有施水和施肥功能的小型播种机，可以用于干旱地区的玉米种植[3]。赵建托等设计了全膜覆盖的双垄直插播种装置，并应用在玉米播种机上[4]。徐良等对粒距的变异系数进行了研究，为适用于山地丘陵的小型玉米播种机型号选择提供了依据[5]。赵静等通过优化液压系统的结构，设计出折叠式的免耕玉米播种机[6]。这些机械的开发提升了我国玉米生产的技术水平，是玉米高产稳产的重要保证。

我国玉米播种机已呈现出良好的发展局面，但在实际应用中仍暴露出一些问题，主要体现为部分性能没有完全成熟，对播种作业质量造成了影响。首先是排种器的容量固定，一次性容纳的不同玉米品种种子数量各异，排种的精度无法保证。其次，部分型号机械的播种株间距不能调整，降低了对玉米品种和种植习惯的适应性。另外，当田间作业环境较为恶劣时，玉米播种机会出现种箱排空和导种管堵塞的现象，若不能及时发现并解决，则会造成大面积的漏播[7]。此外，还会出现地轮打滑而影响播种精度的问题[8]。

为解决上述的问题，可以在播种机的设计阶段对其机械部件进行优化，从而获得合理的结构布局。对于现有的机械，可以加载智能化的监测和控制系统，及时发现并排除问题。目前，玉米播种机智能监测和控制系统有多种类型，核心部件包括单片机、PLC和传感器等，推动了玉米播种机性能的提升[9-10]。

PLC全称为可编程序控制器，是一种数字运算的电子操作系统，采用可编程序存储操作指令，通过传输数字和模拟信号来控制机械或生产过程。PLC操作简单，可靠性和性价比高，在工业生产的机械自动控制中具有明显的优势。PLC被安装在农业机械或设施上，可以实现对变量施肥、穴盘苗移栽及温室生态条件的精确控制[11-13]。PLC也被用来设计玉米播种机的监测和控制系统，实现了对机械作业质量和行驶方向的精确控制[14]。

为了加深PLC与玉米播种机的整合程度并提高适应能力，本文利用传感器采集播种机的工作状态，由PLC分析后生成指令，对播种机的播种深度和排种精度进行控制，并对种箱排空和导种管堵塞引起的漏播进行报警。最后，通过试验验证PLC的监测和控制效果，以提高播种机的智能化水平。

1 总体设计和组成部分

1.1 总体设计

机械平台是RN-Z02型玉米播种机，采用传动轴式，集播种、施肥和覆土的功能于一体。播种机同时播种3行，行距为45～60cm，株距为16～32cm，最佳播种深度15cm。播种机由1台东方红LX604型拖拉机牵引并提供电源，拖拉机前轮轮距160cm，后轮轮距200cm，最小离地间隙32cm，额定功率45kW，行进速度2.0～33.5km/h，最大牵引力为22.5kN，可与RN-Z02型玉米播种机配套使用。

PLC控制器作为核心，与播种机的监测模块和控制模块连接，接收监测模块发来的数据，分析后形成控制指令发送给控制模块。监测模块由各型传感器组成，安装在播种机的运动部件上用于采集播种机作业过程中的状态信息，并发送给PLC控制器。控制模块由驱动电机、马达和报警装置组成，安装在控制执行部件上，接收PLC控制发来的指令后执行对播种机的控制操作。

1.2 组成部分

PLC控制器选用三菱FX3U型，内置的计数器可以捕捉10kHz的脉冲信号，还具有8 000点的数据存储单元，适用电源为12V的直流电。PLC的内部构成主要为中央处理器CPU、存储器和编程器。输入输出接口数量分别为14个和10个，输入接口将各种信号转化为标准逻辑电平，输出接口则输出电信号，如图1所示。

监测模块包括位移传感器、霍尔传感器和光电传感器。位移传感器为深圳信为公司的SDVG17型分体式LVDT传感器，安装在仿形轮支架上测量随地表上下浮动的位移信号。霍尔传感器为HAL41F型，安装在导种轮上监测转动信号，PLC根据转动脉冲信号计算导种轮的实际转速。光电传感器为基恩士PS-56R型红外对射传感器，安装在导种管的末端，检测单粒玉米种子落下时的高平电信号。

图1 PLC控制器的结构Fig.1 Structure of the PLC controller

控制模块中用于校正播种深度的部件是驱动电机和四连杆结构，能够对开沟器的位置进行调节。马达安装在导种轮上，利用转动方向调整导种轮的转速，从而控制播种精度。报警器与显示屏整合在一起，安装在牵引拖拉机上，在种箱排空或导种管堵塞时启动声光报警，如图2所示。

图2 监测和控制系统的组成部分Fig.2 Components of monitoring and controlling system

2 工作原理

播种机的播种深度和株间距在显示屏上设定，对种箱排空的认定条件是低平电信号的持续时间达到2s，对导种管堵塞的认定条件是高平电信号的持续时间达到2s。PLC按照设定的运算方式，以采集的播种机状态信息为基础进行逻辑判断，然后形成控制指令发送给执行部件实现对机械的自动控制。在播种机作业过程中，PLC还会对相关数据信息持续进行汇总和存储。

播种深度即实际的开沟深度，由位移传感器测量仿形轮随地表上下移动所产生的位移信号，PLC将实际的开沟深度与设定播种深度比较，确定两者之间的差异；驱动电机和四连杆结构按照PLC的指令改变开沟器的位置，校正播种深度。播种的株间距由导种轮决定，霍尔传感器检测导种轮转动的脉冲信号，PLC根据转动信号和机械行驶速度计算株间距，并与设定值比较；驱动电机按照PLC的指令调整转动方向和速度，校正导种轮的转速以便维持设定的株间距。光电传感器产生的低平电信号或高平电信号持续时间达到设定的阈值时，PLC认定出现种箱排空或导种管堵塞的情况，自动启动声光报警，提醒操作人员排除故障。

3 程序设计

PLC采用与电气控制线路图相似的编程语言梯形图，界面简单直观，编程和调试的周期较短。为解决人机交互能力弱的问题，PLC选用MD2041型文本显示模式进行人机对话，并用于参数的设定和显示。该文本还可以直接操作内部辅助继电器和数据存储器，减少了数据交换所需接口的数量。PLC的基本指令有20条，还可以根据实际需要设置丰富的功能指令，具有很大的灵活性。

PLC启动后先将计数器、定时器和辅助继电器等复位，进行初始化后开始检测，每次排除故障后也要重新检测。机械作业的状态信息和控制参数分别存储在不同的存储区域，都通过相同的文本显示。开机时的显示页面用于参数设定，跳转的页面用于实时操作。大部分时间显示的是播种机正常工作的状态界面，在启动报警的同时则自动弹出故障显示界面。

4 试验结果和分析

将安装PLC的玉米播种机在4个玉米试验田中进行试验，牵引播种机的拖拉机行驶速度为6km/h；设定的播种深度为15cm，株间距为25cm；用于试验的玉米品种为农华101，每块试验田取4 000粒种子进行试验。播种完成后测量机械的行驶距离，计算得到实际的株间距。在每个试验田中随机取10个2m长的播种线段，测量线段上的播种深度，计算平均值后与设定值进行比较，评价播种作业的精度。另外，记录每次种箱排空后的警报响应时间，以及整个试验过程中导种管堵塞的情况和报警次数，评价对故障的报警响应能力。

试验的结果如表1所示。机械的播种深度为14.4～16.0cm，与15cm的设定值差距很小。播种株间距为25.3～26.6cm，都大于25cm的设定值，但差异较小，表明播种机具有较高的作业精度。每次种箱排空时报警器都及时启动，响应时间为0.6～1.4s。整个试验过程中导种管堵塞出现了6次，报警器都能及时启动，没有出现误报的情况。

表1 玉米播种机的作业效果Table 1 Operation effect of the corn seeder

5 结论

为加深PLC与玉米播种机的整合程度并提高适应能力，以PLC为核心，利用监测模块采集播种机工作状态，分析生成指令后发送给控制模块实现对播种机的精确控制。试验表明：播种机的播种深度为14.4～16.0cm，株间距为25.3～26.6cm，与设定值的差异都很小，表现出较高的作业精度；每次出现种箱排空和导种管堵塞时报警器都能及时启动，没有出现误报的情况，具有较高的智能化水平。