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烟草精密播种机播种量控制系统设计

农业基础科学 时间:2019-08-06 06:59:03 来源:江苏农业科学 作者:吉武俊 张亮亮

吉武俊张亮亮

摘要: 播种机播种质量的优劣对农作物产量有直接的影响。目前我国的播种机多采用机械结构,造成播种量不易调节、播种不均匀。为了实现播种量可以随意调节的目的,设计了一种以PLC为主控模块的控制系统,通过霍尔传感器监测播种机的行走速度,将传感器的值与步进电机的转速通过PLC进行控制和调节,通过触摸屏将播种机的行走速度、播种量和步进电机的转速显示出来。通过实际试验数据可以看出行距均匀,播种量误差小于2%,能够实现农作物需要的播量。

关键词: 烟草;播种机;PLC;传感器;步进电机

中图分类号: TP273 文献标志码: A

文章编号:1002-1302(2015)08-0400-03

在我国,农业生产的自动化和智能化程度是农业发展的重要指标,智能播种机的出现提高了播种的质量和效率,播种效果良好,间距均匀,单位面积播种量误差小。本研究设计了一种烟草精密播种机播种量控制系统,采用PLC为主控制系统,PLC主要用于工业控制、抗干扰能力好,通过现场试验数据可以看出控制精度较高,使用霍尔测速传感器检测播种机的行走速度,将这个动态的速度传送给PLC进行分析计算后输出,步进电机接受这个数值调节自己的转速,最终实现播种机的前进速度和步进电机的速度可控可调 [1]。为了使播种量稳定可调,当播种机的行走速度发生变化时,步进电机的转速也发生相应的改变,这样播种量的误差减小,行距均匀。此系统成功解决了机械传动播种时出现的问题,播种量可控可调,播种效果良好,达到农艺要求,实现了播种机的智能化控制,可以在农业生产中广泛推广。

1 系统总体设计方案

通过对国内外播种机现状的分析和研究,结合我国现有播种机在机械方面的优势和不足,提出了以PLC作为控制系统核心的控制理念,通过PLC分析霍尔传感器检测的数据控制步进电机的转速,使两者保持同步的关系,最终实现播种量可调 [2]。当霍尔传感器把播种机的行走速度传送给可变编程控制器PLC后,PLC通过程序对该信号进行处理,使其转变为步进电机能够接受的控制信号,控制信号通过步进电机驱动器细分后就可以得到步进电机的转速。系统总体设计方案如图1所示。此系统由霍尔传感器、主控模块PLC、I/O接口模块、执行机构模块等部分组成,主要工作任务是完成数据的接受、分析计算、输出控制步进电机等。该系统使用霍尔转速传感器检测播种机的行走速度,用步进电机作为执行机构来控制播种装置转动,提高播种的质量。此系统还可以通过触摸屏对播种量、行距等参数进行控制和重新设定,使用方便 [3]。

2 控制系统硬件选择

2 1 PLC的选择

市面上可供选择的可编程控制器PLC很多,不同国家和厂家的PLC型号指令各不相同、不可通用,我国主要使用的PLC是德国西门子和日本三菱品牌,这2个品牌的PLC资料齐全,软硬件完整。本研究设计的系统根据需要选择德国西门子S7-200型可编程控制器PLC。西门子PLC编程指令较三菱的简单,过程控制和通信控制是西门子PLC的强项,西门子PLC扩展模块中模拟量模块价格相对便宜,执行指令速度较快,一般在0 8~1 2 ms;存储器容量为2 kb;数字量有248个点;模拟量有35路。

PLC输入模块采用24 V直流电压,传感器、手动开关、限位开关及编码器可以直接连接到PLC的输入点,把PLC的控制信号转变为CPU能够接受及处理的数字信号。图2为PLC 的输入电路,由于此系统是使用在播种机上,播种机上的电瓶输出低电压,所以PLC选择采用24 V直流电压。为了提高抗干扰能力,输入电路采用光电耦合电路隔离,光电耦合主要由发光二极管以及光电三极管组成。当输入信号闭合后,光电耦合器接通,把外部传感器检测的信号输入到PLC内部。

西门子PLC的输出模块有继电器输出形式和晶体管输出形式,主要作用是将输入PLC的信号通过CPU处理后的控制信号转化为现场需要的强电信号输出。输出多选用接触器、电磁阀等外部设备。本研究设计的系统使用晶体管输出形式,所以负载电路的电压是24 V直流电。如果有输出信号时,光电耦合器接通,晶体管有输出信号,输出电路接通,负载开始工作(图3) [4]。 2 2 触摸屏的选取

人机界面是完成操作者和设备之间的输入、传送、接受信息的一个接口装置,主要实现人和设备信息交互,是实现自动化控制的一部分。触摸屏是人机交互输入部分的新型设备,是一种可输入、可操作的设备,可以通过串行接口进行通信 [5],串行通讯接口如表1所示。可以实时反映PLC上的状态,对PLC内部存储器进行一些读写操作。触摸屏由4部分(液晶显示、控制模块、触摸面板、数据存储模块)组成,可以模拟显示开关、按钮、指示灯等,这些功能可基本替代一些电气元件的功能,适用于一些恶劣环境,替代普通的计算机作为人机交互界面,具有人机交互性好、可靠性较高、编程比较简单、和PLC通讯方式简便等优点。本研究设计的系统人机界面使用西门子Smart 700型触摸屏,具有编程简单、实时性较好、功能强大、可靠性较高、通讯简单、使用寿命较长、兼容性较好等优点。

2 3 传感器模块电路

检测系统由传感器、测量转换电路、执行机构、显示装置等构成。传感器是其中重要的组成部分,对整个系统的性能起决定性作用。霍尔传感器集成度高、体积小、安装简便、价格便宜,可在恶劣的环境中使用,根据测速原理分为接触式和非接触式2种。霍尔传感器应用霍尔效应实现磁电转换,但是体积比普通磁电传感器小很多,外围电路简单、集成度高,因此在测速场合中多使用霍尔传感器非接触式测量。该速度传感器主要由霍尔速度传感器、永久磁铁、叶轮3个部分组成 [6]。当叶片旋转时霍尔传感器就会收到脉冲磁场,会有接通和断开的动作。传感器原理图如图4所示。霍尔传感器使用12 V电源电压,为了和单片机的5 V电压相连,使用D1稳压管降压,为了加强霍尔传感器输出负载的大小,给霍尔传感器3端口加了一个上拉电阻R1。

由于PLC收取传感器信号进行处理和计算,输出控制步进电机和播种机的速度保持一定的对应关系,所以就要求传感器的信号实时准确,由于西门子PLC内部有计数器CTU和定时器TON,传感器的输出脉冲相当于1个编码器,西门子PLC可以直接收取这些信号。

2 4 步进电机模块控制电路

步进电机能够实现良好的定位功能,同时具有价格不高、编程简单等优点,广泛应用在数控定位系统中。步进电机相当于1个能产生电磁转矩的电磁铁,电机的气隙厚度产生电磁导线。其工作原理是将数字式脉冲信号转变为角位移的执行机构,转过的角度与脉冲个数直接相关,收到1个脉冲就会移动1步,能够实现准确定位。步进电机控制系统如图5所示。编程时需要将位移的角度转换成脉冲个数送入步进电机。

步进电机在实际控制电路中,由于受到机械摩擦以及制造方面的精度影响,会对其定位精度产生很大的影响,为了克服这些影响,在实际使用中需要配合驱动器实现精度的控制。本研究使用DQ2722M型驱动器,主要是对步进电机的电流进行细分,初始电流1 2 A,最高电流7 0 A,中间分为16个档位,由于该步进电机需要装在播种机上,播种机需要大的输出转矩,所以选择电流6 5 A。要使驱动器的细分端子D1、D2、D3、D4为ON、ON、ON、OFF状态,PLC和步进电机驱动器之间需要使用保护电阻,防止大电流对驱动器的损坏,从而影响步进电机的正常工作 [7]。接口电路如图6所示。 3 软件设计

根据播种机播种量的控制要求,确定主程序的总体思路。主程序的功能是收集传感器的检测信号传送给PLC内部进行处理计算,输出控制步进电机的速度,最终实现播种机的前进速度与步进电机的速度保持一致,这样就能保证播种机速度发生变化时单位面积播种量误差不大,最终实现两者之间的一种随动关系。主流程如图7所示。

4 展望

该播种机的设计是针对烟草种植,也可推广到其他农作物的播种现场中。

播种机播种量的精度有待提高,减小误差率,可通过试验数据的反复验证,得出更加准确的步进电机和播种机之间的速度对应关系。

由于步进电机使用的是低速电机,电机的振动对播种量的精度会有影响,可以选用更加稳定的传感器和电机。

参考文献

[1] 周海波 水稻秧盘育秧精密播种机的关键技术研究与应用[D] 长春:吉林大学,2009

[2]王娟平 玉米穴播穴施水机自动控制系统设计[D] 杨凌:西北农林科技大学,2005:121-129

[3]陈 风,李志鑫,王维新,等 移栽机落苗检测系统的设计[J] 石河子大学学报:自然科学版,2004,22(5):439-440

[4]邵 琰,钱东平 STC89C52RC单片机在幼苗移栽机控制系统中的应用[J] 农机化研究,2010,32(5):121-124

[5]周建峰 穴播穴施水播种机控制系统的设计[D] 杨凌:西北农林科技大学,2006:11-21

[6]黄操军,陶 冶,许秀英 基于SDI-12的播种机种肥监测传感器研究[J] 黑龙江八一农垦大学学报,2012,24(2):80-83

[7]张 涛 步进电机快速定位方法研究[D] 北京:北方工业大学,2012