一种PLC 联合控制的小型播种机的设计与应用

谷志鹏

（郑州工业应用技术学院，河南 郑州 451150）

随着时代的发展和科学技术的不断创新，农业机械化作业水平越来越高，极大地降低了农民劳动强度，成为提高农业生产效率的关键手段。播种是农作物种植的重要环节之一，农作物的播种质量对其后期的生长状况甚至产量都将产生极大影响。再加上我国地形多样，耕地具有分散特点，单个农户的种植规模较小，因而小型播种机被广泛应用于播种作业中[1]。小型播种机的质量及体积普遍较小，还需要具备大型播种机同样的内部结构及功能，在很大程度上增加了设计难度。最新研究表明，应用新型结构分析平台构建小型播种机的三维模型，动态仿真分析了重要零部件，在很大程度上优化了机械布局，缩减了设计周期[2]。基于前人研究成果，改良设计小型播种机主要是为了提升播种作业质量，实现机械性能相关指标的优化，控制播种深度、播种量与施肥量[3]。PLC 作为功能全面、性价比高，拥有较强抗干扰能力及可靠性的可编程控制器，在农业机械上得以广泛应用。所以将PLC 联合控制用于小型播种机的设计研究，并对其进行实际应用分析，测试播种深度、播种量与施肥量，控制精度，真正提升机械作业的智能化水平与作业效率。

1 系统总体架构

以小型自走式玉米播种机为例，选用48V32AH型蓄电池作为播种机的动力源，此电力装置的安装过程十分简便，整体成本不高。电池驱动ZLC 型直流电机，最大转速可达5 000 r/min，额定电压为48 V，最大输出功率可达1.5 W。在工作过程中，经链条向地轮、播种单体与排肥器输送工作动力，驱动轮主要为前轮，完成一个两排播种作业，包括播种、施肥和土壤覆盖多个阶段。播种各行间隔为40 cm~60 cm，各列之间的间隔为20 cm~50 cm，播种深度为2 cm~5 cm。整体机械控制布局合理，结构紧凑，0.1 hm2/h的操作效率适合小麦或玉米播种。

2 系统控制硬件配置

小型播种机硬件配置除了蓄电池、结构装置及传动装置外，还包括开沟器、播种单体、排肥器、系统控制模块。在播种作业时，开沟器、排肥器、播种单体都是重要的作业部件，机体可提供主要动力，控制模块可以实时调节，保证播种作业质量[4]。系统控制模块则由各类传感器、PLC 及单片机组成联合控制核心，这主要由于单片机有着极强的灵活性，可是其抗干扰能力整体不强，PLC 有着良好的抗干扰性与稳定性，但是缺乏人机界面与系统兼容性，通过PLC 联合单片机控制，可以极大地提升播种深度、播种量和控制精度。

1#PLC 控制站所负责的工艺包含了播种机运行状态的数据信息采集、处理与设备控制，由PLC 主机自动化协调控制播种环节，包括耕地、排种、填土、压实、灌溉等，实现主机自动化控制，保证系统顺畅运行。

2.1 PS307 5A电源模块

该模块主要负责向自动化控制系统的其他功能模块供电，转换120/230 V 交流电压获得24 VDC 的额定工作电压，5 A 额定电流输出值，在1 号机架位置安装电源模块，运用LED指示器输出24 V 直流电。假若控制24 V 正常额定输出电压值，那么电量LED指示灯呈绿色；反之，如果过载输出电路电压值，LED指示器则会闪烁。长期固定输出电流值在5 A~7 A 之间，降低电压输出值，延长电源的使用期限。在超出7 A 电流值时，会在降低电压之后自动回复，假若输出短路则会导致电压为0，LED 指示器亮度减弱，在短路消失之后即可自动恢复电压。

2.2 6ES7 314-FA10-0AB0中央处理器

该CPU 处理器的最小执行时间为0.1 s，达到48 MB RAM集成，运用MMC 能够扩大该系统的装载存储器容量至8 MB；定时器以及计数器共计有256 个，灵活设计拓展接口能够与1 024 数字量以及256 模拟量I/O 接口相连接；拥有多接口可满足32 个网络站点的建立，达到19.2 kbit/s~12 Mbit/s 的网络通信速率，一般在设计中为187.6 kbit/s 左右。

2.3 IM360/IM361接口

控制多个播种单体时，该小型播种机自动化控制的接口模块设计用于扩招仪表机架和主仪表机架之间的连接功能，该接口型号配置设计能够最多实现3个外扩机架和主机架之间的连接，每一个接口要求接通24 V 外部电源电压。

2.4 ET200M远程控制

该小型播种机为自动化联合控制，设计了ET200M 控制站，3 台均经I/O 分布式实现现场仪表信号采集，向执行机构发送中央控制器的具体控制指令。选用了西门子PS307 电源接口模板作用于ET200M，以实现主站、从站之间的有效连接，对于PR0FIBUS-DP冗余系统比较适用。

3 系统监测及控制功能实现

3.1 系统监测控制

为了充分提升小型播种机的整体性能，与PLC监测控制技术联合应用，充分提高播种深度与播种精度，经PLC 将远程控制播种信息向远程控制室实时反馈，提升玉米播种机的智能化与自动化程度，优化改造播种机开沟器，提升播种作业的自动化程度[5]。

播种作业过程中，仿形轮会在地表上下浮动，经传感器向PLC 传递位移信号，之后PLC 即可计算实际的开沟深度，根据实际测量的开沟深度对比预设深度，运用PLC 输出下一阶段的执行动作。运用四连杆结构对开沟深度进行调整，当开沟深度满足所要求的深度时停止调节，即可实现闭环调节的整个过程。不仅如此，为了充分提升玉米播种精度，优化改造排种器结构，将传感器与PLC 控制器安装在导种轮上[6]，即可向PLC 迅速传递转速信号，由PLC 计算可得实际导种轮转速，对比实际所测转速与预设转速，PLC 输出下一步的执行动作。运用驱动电机调整排种轮转速，一旦满足所要求的深度即可停止调节，实现转速闭环调节过程。

3.2 控制功能的软件设计

选用STEP7 编程软件，作为可以运用于PLC 组态编程的标准软件包，其能够提供所需的一系列工具，包括编程语言、SIMATIC 管理器、硬件及网络组态、符号编辑器、诊断等。根据该软件包的硬件网络组态功能，可以使电力仪表自动化控制更直观、简便、易修改，不仅如此，还能够满足在线编程、离线编程的便捷操作，方便管理人员根据实际工作需要创建自动化的便捷解决方案。

该项目具有创建自动化控制具体任务的相应解决操作方案的存储功能，可以设计并最终生成相应的操作程序与有关数据，主要包括了硬件结构相关模板参数以及组态数据，设计网络的组态数据和相关编程均在同一项目中收集[7]。在组件过程中，需要充分借助模板样本来定义可编程控制器的CPU 处理器与各系统功能，可以双击硬件组态启动相应程序。对于硬件存储推出组态，可以各自生成组态相应的可编程功能模板，最终成功生成能够实现网络可编程功能模块自定义通信连接的连接表及相应的操作程序。在成功完成硬件组态之后，即可生成模块编程软件，在相应的对象文件夹内存储可编程软件，命名为“S7-Program”。对于该程序的子功能菜单，能够使软件操作用户根据自动化控制功能所需，选择想要生成的数据块、功能块等，成功创建一个空白块之后，设计相应的语句表、功能图以及梯形图等程序并输入即可。

3.3 系统通信控制

建立上位和下位计算机之间的通信连接和配置设计。通信连接通过TCP/IP 协议进行，在启动后或通信中断的自动检测后，下位的计算机自动进入通信连接建立状态，即下级计算机通过UDP 协议向上级计算机发送循环连接请求。如果上面的计算机成功接收启动请求，再建立客户端和PLC 之间的连接，就可以向下面的计算机正常发送信号。在设计系统自动化控制程序之前，首先设定系统的驱动器和轴，再启动设定设计程序，插入新装置后，编译设定，并可在编译过程中设计基本参数，主要包括控制模式、电机功率模块、电机、编码器、驱动速度、通信格式等[8]。

设计二分配置层的硬件，构成PLC 控制系统的远程监视功能，包含控制通信网络的远程通信网络的远程客户端和移动通信网络架构分为3 层，分别为控制部层、服务器层、进行机械层[9]。根据远程监视系统，能够实时监视检测器的实际动作状态，经由便携电话的SMS 发出特定的控制执行命令，动态地调整检测器的执行动作，实现检测器的远程操作控制[10]。

4 PLC联合监测控制的小型播种机性能测试

为了对应用PLC 技术的小型播种机性能进行验证，进行PLC 远程监测控制及播种机性能测试，包括实时数据、播种性能参数监测[11-13]。为了方便对相关参数进行实时监测，选用机械式播种机作为测试样机，在数据监测后即可得到一系列的播种机相关数据[14-16]。

根据排种轮的转速监测情况，能够发现排种轮在调整转速之前保持平稳运行，调整转速过程中的时间差整体较短，在调整之后依然有平稳转速。对播种机进行8 次重播率测试，结果如表1 所示，播种精度测试结果显示，通过8 次测试，播种机有着比较稳定的漏播率与重播率，整体测试值均低于1%，可以满足小型播种机的精密播种要求。

表1 播种精度结果

5 结论

综上，设计了一种PLC 联合控制的小型播种机，由W77E58 型单片机与西门子S7-200 型PLC 技术实现具体功能，对小型播种机的播种精度与监测控制进行测试，发现运用PLC 技术明显提升了小型播种机的智能化水平，有着较好的播种精度，播种机有着比较稳定的漏播率与重播率，整体测试值均低于1%。因此，运用PLC 联合控制技术提高小型播种机的播种质量，对我国未来农业机械化水平提升意义重大。