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摘要：以智能精播機(jī)為研究目標(biāo)，設(shè)計(jì)了電氣控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以可編程邏輯控制器（ＰＬＣ）為主控設(shè)備，結(jié)合傳感器技術(shù)，通過(guò)變頻器控制精播機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的供電頻率，從而改變種子傳輸帶電機(jī)和地輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)整播種速度和種子間距，改變風(fēng)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)整每穴種子的粒數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)的播種作業(yè)。進(jìn)行仿真測(cè)試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：播種間距的準(zhǔn)確性可達(dá)到９８％，每穴種子粒數(shù)的準(zhǔn)確性可達(dá)到９７．５％，滿足了精確播種要求。

關(guān)鍵詞：智能精播機(jī)；電氣控制；可編程控制器；變頻器

０引言

近年來(lái)，為了提高播種作業(yè)的效率與精確度，提出了智能精播機(jī)的概念［１］。智能精播機(jī)是利用電力電子和控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)按種子精確的粒數(shù)、種子間距等播種的一類機(jī)器［２］。發(fā)展到現(xiàn)階段，智能精播機(jī)主要由機(jī)械部分、電氣控制部分和檢測(cè)部分構(gòu)成。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)積累，機(jī)械部分和檢測(cè)部分相對(duì)已經(jīng)趨于成熟，電氣控制部分還處在發(fā)展階段。因此，研究智能精播機(jī)的電氣控制部分對(duì)今后播種作業(yè)具有一定的意義［３］。目前，實(shí)現(xiàn)智能精播機(jī)電氣控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是其主控設(shè)備和電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備。主控設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方式主要有單片機(jī)、微芯片和ＰＬＣ等，相比于前兩類，ＰＬＣ采用集中采樣、集中輸出的方式，可靠性高、速度快、抗干擾能力強(qiáng)［４－５］。電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)方式為變頻器技術(shù)，是通過(guò)改變電源頻率來(lái)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以此實(shí)現(xiàn)種子播種作業(yè)要求，具有范圍廣、操作簡(jiǎn)便、效率高等優(yōu)點(diǎn)［６］。為此，筆者針對(duì)智能精播機(jī)，結(jié)合ＰＬＣ技術(shù)與變頻技術(shù)，對(duì)其電氣控制部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)際拖拉機(jī)的運(yùn)行速度，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以此控制播種速度、種子粒數(shù)和種子間距等關(guān)鍵參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)精播機(jī)的高效精確播種。

１總體設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的智能精播機(jī)的電氣控制部分由人機(jī)交互界面、ＰＬＣ、變頻器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳感器５大部分組成［７］，如圖１所示?？刂圃恚和ㄟ^(guò)人機(jī)界面設(shè)置相關(guān)播種的要求及機(jī)械制約因素，再傳輸給ＰＬＣ，對(duì)參數(shù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，將結(jié)果傳輸給變頻器；變頻器通過(guò)頻率調(diào)節(jié)，改變種子傳輸帶電機(jī)、地輪控制電機(jī)、風(fēng)機(jī)流量控制電機(jī)等驅(qū)動(dòng)電機(jī)的供電頻率，從而改變其轉(zhuǎn)速，達(dá)到精確播種的目的。為了實(shí)時(shí)監(jiān)控種子傳輸帶的速度、地輪轉(zhuǎn)速及風(fēng)機(jī)流量等參數(shù)，由傳感器采集上述設(shè)備信息反饋給ＰＬＣ［８］，經(jīng)過(guò)ＰＬＣ的快速比較后，決定當(dāng)前的播種作業(yè)是否滿足要求。另一方面，這些實(shí)時(shí)信息需發(fā)送給人機(jī)交互界面，直觀地反映給操作員。另外，整個(gè)精播機(jī)的電氣控制系統(tǒng)需添加相應(yīng)的外圍設(shè)備進(jìn)行輔助工作，包括斷路器、熔斷器、接觸器及電纜等［９］。

２硬件組成

智能精播機(jī)是較為復(fù)雜的一類農(nóng)業(yè)機(jī)械。工作時(shí)，首先采集農(nóng)作物種類、拖拉機(jī)速度、地輪直徑等外界制約因素，通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，再將參數(shù)發(fā)送給智能精播機(jī)電氣控制系統(tǒng)的核心設(shè)備ＰＬＣ進(jìn)行邏輯運(yùn)算［１０］。ＰＬＣ是數(shù)字控制的微型處理器，其編程語(yǔ)言以繼電器梯形圖為主，簡(jiǎn)單易懂，可操作性強(qiáng)，故其在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。其主要由電源、中央處理單元（ＣＰＵ）、存儲(chǔ)器、輸入單元及輸出單元等組成［１１］，如圖２所示。其中，ｎｍａｘ為電機(jī)最大轉(zhuǎn)值（ｒ／ｍｉｎ）；ｆｍａｘ為最大轉(zhuǎn)速的頻率（Ｈｚ）；ｐ為磁極對(duì)數(shù)。由上式可知，交流電機(jī)輸入電壓與極數(shù)決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在極數(shù)不變的情況下，只能改變輸入電壓的頻率，此時(shí)需要變頻器來(lái)配合完成。變頻器是實(shí)現(xiàn)智能精播機(jī)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要用來(lái)調(diào)節(jié)交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以此來(lái)控制種子傳輸帶速度等參數(shù)。變頻器電路包括主電路和控制電路。主電路的作用為異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)頻電源提供變換動(dòng)力，其結(jié)構(gòu)分為交－直變換、能耗電路和直－交變換３部分。交－直變換電路，即濾波器，將工頻電源轉(zhuǎn)為直流；能耗電路，又稱平波回路，主要處理交－直變換和直－交變換之間產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)；直－交變換電路，又稱逆變器，是將直流電壓功率變?yōu)榻涣麟妷夯蚬β剩郏保矗?。變頻器控制電路的作用是給主電路提供控制回路，主要由運(yùn)算電路、檢測(cè)電路、速度測(cè)試電路、驅(qū)動(dòng)電路、Ｉ／Ｏ電路及保護(hù)電路等組成［１４］。運(yùn)算電路比較精播機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度、轉(zhuǎn)速與檢測(cè)到的電壓電流數(shù)據(jù)，以此輸出逆變器的電壓、頻率。檢測(cè)電路主要針對(duì)主電路的電壓電流進(jìn)行測(cè)試。速度測(cè)試電路主要針對(duì)精播機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行采集，并將采集到的信號(hào)發(fā)給運(yùn)算電路。驅(qū)動(dòng)電路掌握著主電路器件的通斷［１５］。Ｉ／Ｏ電路主要服務(wù)于人機(jī)交互界面。保護(hù)電路防止電路中電流電壓過(guò)載而燒毀電機(jī)。由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的容量在０．７５～３ｋＷ之間，一臺(tái)電機(jī)需要一個(gè)變頻器驅(qū)動(dòng)，因此在選擇變頻器時(shí)，其容量一般是電機(jī)的１．５倍左右。故在本控制系統(tǒng)中變頻器統(tǒng)一為４．２ｋＶＡ的ＶＦＤ系列［１５］。智能精播機(jī)需要將種子傳輸帶速度、地輪轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)傳回ＰＬＣ進(jìn)行處理，即將機(jī)械位移量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，則需要傳感器。光電編碼器作為傳感器的一種，被安裝在電機(jī)輸出端。當(dāng)電機(jī)處在工作狀態(tài)時(shí)，經(jīng)過(guò)電子元器件組成的檢測(cè)裝置將其檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)化成脈沖輸出，便可計(jì)算出驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

３軟件設(shè)計(jì)

智能精播機(jī)的軟件設(shè)計(jì)主要為ＰＬＣ主程序。ＰＬＣ的編程語(yǔ)言包括兩類５種：①圖形表達(dá)，即順序功能圖（ＳＦＣ）、梯形圖（ＬＤ）、功能塊圖（ＦＢＤ）；②文字表達(dá)，即指令表（ＩＬ）、結(jié)構(gòu)文本（ＳＴ）。人機(jī)交互界面編程語(yǔ)言有ＶＢ、ＶＣ＋＋、ｐｙｔｈｏｎ等。為了使整個(gè)系統(tǒng)的程序保持統(tǒng)一，且簡(jiǎn)單易懂，ＰＬＣ選用指令表，人機(jī)交互界面使用ＶＣ＋＋。智能精播機(jī)接通電源后，首先進(jìn)入系統(tǒng)初始化，然后在人機(jī)交互界面輸入拖拉機(jī)前進(jìn)速度、地輪直徑、株距及風(fēng)機(jī)流量等參數(shù)，點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕后，由ＰＬＣ進(jìn)行邏輯運(yùn)算，并將結(jié)果發(fā)送給變頻器；變頻器根據(jù)接收信息設(shè)定自身頻率，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)以規(guī)定速度帶動(dòng)其他機(jī)械設(shè)備進(jìn)行精確播種作業(yè)。與此同時(shí)，傳感器實(shí)時(shí)采集各個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并發(fā)送給ＰＬＣ進(jìn)行比較處理，如果與設(shè)定參數(shù)所要求的轉(zhuǎn)速不一致，則由變頻器再次對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，實(shí)現(xiàn)種子的精確種植。

４功能測(cè)試

模擬實(shí)驗(yàn)以蠶豆為例，輸入的開(kāi)關(guān)量：拖拉機(jī)的速度為３ｍ／ｓ，地輪的直徑為０．５ｍ，種子傳輸帶長(zhǎng)為３．９ｍ，寬２．６ｍ，排種盤(pán)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為８５～９５Ｎ?ｍ，設(shè)置蠶豆的株距分別為１５ｃｍ。一粒蠶豆重約０．９ｇ，根據(jù)種子質(zhì)量，設(shè)置風(fēng)機(jī)流量分別為５０ｍ３／ｈ，則種子傳輸帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度約為１４００ｒ／ｍｉｎ，地輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速約１１５ｒ／ｍｉｎ，風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速約為２６００ｒ／ｍｉｎ。實(shí)驗(yàn)播種蠶豆２００株，播種間距在（１５±１．５）ｃｍ內(nèi)的視為合格，每穴種子粒數(shù)在１～２粒的視為合格。種子間距測(cè)試結(jié)果如表１所示。由表１可以看出：間距保持在（１５±１．５）ｃｍ的占９８％，不合格的占２％。每穴種子粒數(shù)測(cè)試結(jié)果如表２所示。由表２可以看出：每穴種子數(shù)量在１～２粒以內(nèi)的占９７．５％，空穴占０．５％，每穴３粒需要間苗，也視為不合格，故不合格的占２．５％。

５結(jié)論

設(shè)計(jì)了智能精播機(jī)電氣控制系統(tǒng)，以ＰＬＣ為控制中心，通過(guò)變頻器改變種子傳輸帶電機(jī)和地輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)整播種速度和種子間距；通過(guò)改變風(fēng)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)整每穴種子的粒數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)的播種作業(yè)。

作者:李楠 單位:長(zhǎng)春汽車(chē)工業(yè)高等?？茖W(xué)校 汽車(chē)運(yùn)用學(xué)院